[发明专利]一种大模场微结构光纤

说明书

技术领域

本发明涉及微结构光纤领域，尤其涉及大模场、低弯曲损耗且能够单模工作特性的微结构光纤。

背景技术

在高功率光纤激光器、放大器的设计中，光纤的模场面积是其中的一个重要参数。增大光纤的模场面积，可以有效地降低光纤的非线性系数，从而增大其输出光功率。一般对大模场光纤的基本要求为：1.单模工作，这是高性能激光的一个基本条件；2.大模场面积；3.低弯曲损耗，即光纤可以允许一定程度的弯曲，且具有较低的弯曲损耗。传统光纤由于制作和性能上的原因，很难获得工作在1064nm附近且纤芯直径大于20 μm的单模光纤。

自从光子晶体光纤被提出并制作成功之后，人们开始尝试采用光子晶体光纤结构来制作大模场光纤。由于理论上光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可以实现超大模场面积的单模传输。目前，实验上已经制成功的单模光子晶体光纤的模场直径可达100 μm，但它的弯曲性能很差。人们还提出了采用多模光纤和光纤光栅相结合的方法实现大模场传输[S. Ramachandran, et al., “Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers(在光纤中实现超大模场面积的光传输),” Opt. Lett., 2006, 31(12): 1797]，实现等效的单模传输。但这种方法需要在光纤两端刻制光纤光栅，工艺复杂。还有人提出了基于简单的六个空气孔或低折射率介质柱环绕纤芯的大模场光纤[W. S. Wong, et al., Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers(打破光纤中单模传输时所能够获得的最大有效模场面积的限制), Opt. Lett., 2005, 30(21): 2855]实现准单模传输，即高阶模损耗较大（一般在1 dB/m以上），而基模损耗较低（一般在0.1 dB/m以下）。但这种光纤的基模损耗一般也比较大，而基模与高阶模的损耗差别很难做得特别大。虽然还可以采用两层孔来束缚光，从而减小光纤基模的损耗，但为了去除高阶模，要求相对于孔周期，孔的直径要较小，这就使得光纤的弯曲损耗很大。

申请号为200610119574.6中国发明专利申请的“大模场双包层单模光纤”公开了一种单模大模场光纤，纤芯直径可达72 μm，但未解决光纤的弯曲损耗问题，且结构比较复杂，不利于制作。申请号为201010590795.8发明专利申请“一种大模场微结构光纤”公开一种新型非对称微结构光纤。采用两种不同周期，不同尺寸的孔，实现了大模场面积的单模传输，且具有低的弯曲损耗，但结构比较复杂，增加了制作难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种有效地滤除高阶模，在较宽的弯曲角度范围内且很小的弯曲半径时仍然具有较低的弯曲损耗的大模场微结构光纤，该光纤结构简单，制作容易。

本发明的技术方案为：一种大模场微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层由基质材料和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔和3个相邻的第二类孔组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d₂>d₃，d₂>d₄；

其中：孔周期Λ为相邻的两个孔的孔中心之间的距离；d₂，d₃，d₄分别为第一类孔、第二类孔和第三类孔的孔直径。

进一步，所述纤芯区域设有第四类孔，多个所述第四类孔排布在临近第一类孔一侧的小于180°的扇形区域内，所述第四类孔的孔周期Λ₅相同；所述第四类孔的孔周期Λ₅与包层中的孔的周期Λ之间满足Λ₅<Λ/4；所述第四类孔的孔中心与纤芯中心的距离均大于1.5Λ₅，其折射率n₅与基质材料的折射率n₁之间满足n₅< n₁。

进一步，第一类孔、第二类孔、第三类孔的直径之间满足d₂>d₃≥d₄。