[发明专利]一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种多芯光子晶体光纤，该光纤能够有效抑制高阶超模，直接输出同相位超模，属于光子晶体光纤技术领域。

背景技术

在高功率脉冲激光产生和传输方面，需要光纤具有很大的模场面积，这样可以有效降低非线性效应并提高损伤阈值，从而获得高功率高光束质量的激光输出。多芯光子晶体光纤是提高光纤模场面积的一个非常有效的方案。多芯光子晶体光纤的模场面积随纤芯数量成比例增加，可以比传统光纤大两个数量级以上。同时，多芯光子晶体光纤纤芯之间离散分布，将单芯中光场过于集中的单一高斯光场均匀的分摊到多个纤芯，有效避免了单芯光纤激光器无法克服的自聚焦效应和热透镜效应。

多芯光子晶体光纤中各个纤芯相互耦合，形成多个超模。若多芯光纤中每个纤芯只支持基膜传输，则超模数量与纤芯数量一致。其中，各个纤芯相位一致的超模称为同相位超模，其他超模纤芯之间相位有差异，称为高阶超模。高阶超模中，内外层纤芯之间相位相反的超模称为反相位超模。只有同相位超模远场具有高斯分布，其他高阶超模的光束质量较差。因此，基于多芯光子晶体光纤的研究首先要解决的问题是如何有效选取同相位超模。

目前，在选模方式上，多模光纤的研究较多。多模光纤的选模主要通过增益在纤芯横截面的分布和光纤弯曲半径的设计来实现。多芯光子晶体光纤若各个纤芯增益离子掺杂浓度相等，则所有超模的增益系数相近，且超模之间弯曲损耗差别也不大。为此，多芯光子晶体光纤无法通过与多模光纤类似的方法来实现选模。

要确保多芯光子晶体光纤输出同相位超模，目前的主要解决途径如下：

1、熔接单模光纤。通过将多芯光子晶体光纤与单模光纤进行熔接，激光从单模光纤输出，输出模式即为单模光纤的基膜。这种方法虽然获得了基膜输出，但是输出功率仍受限于单模光纤的非线性阈值，并且由于多芯光子晶体光纤与单模光纤模场不匹配，熔接损耗很大。

2、利用反射镜构成塔尔博特腔（Talbot）。通过优化腔镜位置，利用自成像原理，使得同相位超模获得最小的反馈损耗，高阶超模都具有较大的反馈损耗。这种选模方法只有将多芯光子晶体光纤应用于激光腔中才有效，并需要精确调节反射镜的位置，操作复杂，且不适用于放大器及激光传输中。

3、混合型多芯光子晶体光纤。混合型光子晶体光纤包层既包含空气孔也包含高折射率棒。利用高折射率棒的谐振特性以及同相位超模和高阶超模不同的对称特性，使得高阶超模的能量被主要局域在高折射率棒中无法得到有效的增益，而同相位超模仍主要局域在纤芯中，得到有效的放大。这种方法通过光纤结构本身有效的抑制了高阶超模，结构简单。但是高折射率棒的谐振特性对高折射率棒的尺寸非常敏感，数十纳米的波动都对选模结果影响很大。这对光纤制作工艺提出了非常高的要求，同时也增加了生产成本。

发明内容

本发明旨在设计一种七芯光子晶体光纤，不需要额外的选模元件，该光纤本身能有效抑制高阶超模，输出同相位超模，在获得大的模场面积的同时，保证高的光束质量。

本发明通过下述技术方案加以实现的：一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤，其特征在于，基于石英基质(1)，包括石英基质上圆形空气孔(2)按照六角周期排列构成正六边形区域，每个圆形空气孔大小相等，圆形空气孔层数为5～8层，圆形空气孔的直径与圆形空气孔的中心间距比值小于0.25，同时圆形空气孔中心间距与光波长比值为4～7，以保证每个纤芯单模运转，正六边形区域内周期空气孔结构中缺失七个不相邻的空气孔形成七个高折射率纤芯区，七个纤芯为六角对称结构，一个纤芯位于光纤的中心形成中间纤芯(3)，其余六个纤芯环绕中间纤芯(3)分别位于正六边形的六个顶点，形成周围纤芯(4)，且中间纤芯和六个周围纤芯之间均间隔一层圆形空气孔，纤芯区掺杂铒离子用于产生增益，六个周围纤芯掺杂浓度相同，掺杂浓度范围为4000～10000ppm，中间纤芯的掺杂浓度是周围纤芯掺杂浓度的1.5～5倍。

本发明通过光纤结构和掺杂浓度的设计，使七芯光子晶体光纤的同相位超模具有最大增益和最小的传输损耗，用此光纤作为激光振荡器或放大器的增益介质，无需模式选择元件就可以有效抑制高阶超模，实现多芯光子晶体光纤直接输出同相位超模。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面示意图；

其中1为1石英基质，2圆形空气孔，3中间纤芯，4周围纤芯；

图2是以本发明光纤作为增益介质的放大器输出的激光功率随光纤长度的变化曲线，实线为同相位超模功率，虚线为六个高阶超模功率总和；

图3是传统七芯光子晶体光纤作为增益介质的放大器输出的激光功率随光纤长度的变化曲线。