[发明专利]一种含有硫系玻璃纤芯的复合玻璃光纤及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种含有硫系玻璃纤芯的高非线性复合玻璃光纤及其制备方法。

背景技术

光学中的各种非线性现象在近年来持续为研究人员所关注，随着非线性光纤光学的发展，高非线性光纤在超连续谱产生、光学相干层析、高精度传感、医学成像以及新型非线性效应研究等方面发挥着越来越重要的作用。高非线性光纤是指非线性系数比常规光纤大若干数量级的光纤，光纤的非线性系数γ由以下公式确定：

其中,n₂是材料的非线性折射率系数，ω是光场角频率，c是真空光速，A_eff是有效模场面积。

近年来，提高光纤非线性系数的研究方案层出不穷，因为光纤的非线性折射率系数n₂只与材料的三阶极化率有关，为了提升光纤的非线性系数γ，传统石英玻璃光纤的唯一有效途径是减小有效模面积A_eff，而新型材料光纤则可以通过使用高非线性折射率系数n₂的材料拉制光纤，因此目前提高光纤的非线性系数主要是采用光子晶体光纤等微结构光纤或者是采用非石英玻璃材料如硫系玻璃等高非线性材料拉制光纤。其中，光子晶体光纤等微结构光纤的非线性折射率系数与普通光纤大致相同，是通过减小纤芯直径来减小模有效面积，从而实现增强光纤的非线性，光子晶体光纤的纤芯一般小于5μm；硫系玻璃光纤则是硫系玻璃本身具有超高非线性折射率系数，硫系玻璃拉制的光纤的非线性系数一般比普通光纤高两个数量级。

但是，其中存在的问题是：对于微结构光纤而言，更高的非线性系数意味着更小的纤芯，普通标准单模光纤的纤芯一般为9μm，而微结构光纤的纤芯一般小于5μm，如此小的纤芯与普通标准单模光纤熔接时由于模场不匹配，导致具有相当大的熔接损耗，一般损耗大于4dB，通常解决该问题的方法是坍塌光子晶体光纤的部分气孔形成过渡区，以和普通光纤熔接，但是该方法不能长久工作，熔接点容易烧毁，不能满足工程要求，并且损耗降低的幅度有限，还有一种方法是尽量增加微结构光纤的纤芯直径或者使用多芯结构，使之能与常规泵浦尾纤能够匹配，但是增加微结构光纤的直径不仅会使光纤的非线性大大降低，还会导致零色散点的漂移，对于超连续谱产生等应用是不利的；对于硫系玻璃光纤而言，硫系玻璃光纤的熔点很低，以三硫化二砷为原材料的硫系光纤为例，三硫化二砷的熔点为300℃，沸点为700℃，而普通标准单模光纤是石英材料，石英的软化点在1000℃以上，因此与普通光纤熔接基本无法实现，日常研究中通常使用空间光路透镜聚焦耦合的方法，不仅过程繁琐而且耦合损耗一般大于10dB。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含有硫系玻璃纤芯的复合玻璃光纤及其制备方法。通过将高非线性折射率系数的硫系玻璃整合进普通光纤获得同轴双芯的复合玻璃光纤，第一纤芯是硫系玻璃纤芯，被第二纤芯掺锗石英玻璃纤芯环绕，通过该方法制作的光纤不仅能够以较小的损耗与普通光纤熔接，而且能够充分利用硫系玻璃的高非线性折射率系数的优势来增强石英玻璃光纤的非线性性能，由此解决现有的小纤芯的微结构光子晶体光纤的熔接损耗大、泵浦光泄露多和大非线性折射率系数光纤无法熔接、接入损耗大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高非线性复合玻璃光纤，所述复合玻璃光纤的纤芯为同轴双芯，其包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯为硫系玻璃纤芯，所述第二纤芯为横截面为环形的掺杂锗元素的石英玻璃纤芯，所述第二纤芯环绕所述第一纤芯构成该同轴双芯，且所述第一纤芯的直径与所述第二纤芯的内径相同，所述第二纤芯外还设置有纯石英玻璃包层。

优选地，所述复合玻璃光纤中至少有一侧的所述第一纤芯的端面和所述第二纤芯的端面不重合。

优选地，所述复合玻璃光纤中至少有一侧的所述第一纤芯的端面和所述第二纤芯的端面之间的距离不小于3cm。

优选地，所述第一纤芯的直径为3μm～10μm，所述第二纤芯的直径为9μm～30μm，所述包层直径为125μm～400μm。

优选地，所述第二纤芯相对于所述包层的相对折射率差Δ为0.3％～0.6％。

优选地，所述硫系玻璃为具有高非线性折射率系数的含有硫元素的玻璃，其非线性折射率系数比纯石英玻璃高两到三个数量级。

按照本发明的另一个方面，提供了一种含有硫系玻璃纤芯的高非线性复合玻璃光纤的制备方法，包含如下步骤：