新型抗弯曲大模场面积光子晶体光纤*

娄淑琴 鹿文亮 王鑫

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

(2012年7月16日收到;2012年8月14日收到修改稿)

1 引言

单纤输出已达千瓦的光纤激光器具有增益介质长、结构紧凑、散热好和输出光束质量高等优点,在国防、工业和医疗等领域获得了广泛的应用.随着输出功率的进一步提升,非线性效应已成为近十年来高功率光纤激光器发展的一大障碍[1].大模场面积可以有效减弱光纤中的非线性效应,增加光纤激光器的功率容限.

传统阶跃型光纤结构主要通过增加光纤的纤芯直径来增大模场面积;但随着纤芯直径的增加,光纤中传输模式增多.多传输模式不仅影响激光输出光束质量,模式竞争也会影响激光输出的稳定性.为提高输出光束的质量,在增大纤芯芯径的同时,需降低纤芯的数值孔径,即降低纤芯折射率,使光纤尽可能地保持单模传输.但当数值孔径低于0.06时,现有制作工艺很难实现[2],尤其是当纤芯直径达到30µm时,光纤对弯曲极为敏感,应用价值不高[3].

光子晶体光纤(photonic crystal fi ber,PCF)灵活的结构设计自由度打破了传统光纤的结构局限,为大模场面积单模光纤研制开辟了一条新途径.自1998年Knight等[4]首次研制出大模场面积PCF以来,相继出现了多种新结构大模场面积PCF,但多数对弯曲敏感[5−9].为减小弯曲损耗,陆续出现了一些通过优化PCF结构降低弯曲损耗的大模场面积PCF新结构报道,但多因结构复杂,如含有多种尺寸空气孔、八角形结构等,工艺上难以实现[10−13].2010年,Napierala等[14]提出一种含有两种尺寸空气孔的非对称结构大模场面积PCF,模场面积为2500µm2.从降低制作难度出发,2011年他们又提出并研制出采用同一种尺寸空气孔的双空气孔间距结构的低弯曲损耗大模场面积PCF[15],这是至今惟一的非对称结构低弯曲损耗大模场面积PCF的研制报道.但其弯曲损耗对光纤的弯曲方向角敏感,实际应用时须将弯曲方向角控制在±7°范围内.在此基础上,Wang等[16]以两种掺氟石英棒构成芯区提出一种类似结构,基模模场面积可达2000µm2,弯曲损耗对弯曲方向角敏感问题得到明显改善,弯曲半径为30 cm时,弯曲方向角范围达−45°—45°,但因掺氟石英棒尺寸及掺氟浓度难以精确控制,目前尚未见研制成功的报道.

为减小制作难度,降低弯曲损耗及对弯曲方向角的敏感度,本文通过规划缺陷位置及空气孔尺寸,提出并研制出一种只含有两种尺寸空气孔的非对称结构低弯曲损耗大模场面积PCF.在波长1064 nm处,基模模场面积高达2812µm2,可承受弯曲方向角范围扩展至−60°—60°.新型抗弯曲大模场面积PCF的研制成功,解决了目前大模场面积光纤的弯曲损耗对光纤弯曲方向角敏感的问题,为其在高功率光纤激光器、放大器及高功率激光传输等方面的应用展现了广阔的前景.

2 光纤结构与分析模型

抗弯曲大模场面积PCF设计结构的横截面示意图见图1(a).在传统三角格子排布PCF的基础上,为实现大模场面积特性,以七个石英棒代替中心的七个空气孔形成光纤芯区;为降低基模弯曲损耗,增加高阶模泄漏损耗,在光纤包层区域的左侧由石英棒代替部分(虚线孔处)空气孔,减小此侧空气孔的占空比,形成高阶模泄漏通道;同时,在纤芯区左侧上下两个对称位置设置两个小尺寸空气孔,以增大对基模的约束.抗弯曲大模场面积PCF设计结构直径为400µm,大空气孔直径d约为27µm,两个小空气孔直径ds约为19.2µm,空气孔间距Λ为36µm.图1(b)为本文采用管束堆积法制作出的抗弯曲损耗大模场面积PCF的横截面显微图.

PCF灵活的结构设计自由度不仅带来了传统结构光纤难以实现的各种新颖特性,也增加了光纤的制作难度.研制PCF需将外径约为20 mm的PCF预制棒拉制成外径只有400µm的PCF光纤,毛细管棒直径缩比达50倍.在实际拉制过程中,拉丝炉中不同位置炉温存在差异,而导致不同位置的空气孔呈现出差异形变.对比图1(a)和(b)可以明显看出,尽管采取了优化后的拉制工艺参数,研制出的光纤的横截面中不同位置的空气孔都存在不同程度的偏离圆孔形状.对于大模场面积PCF,空气孔的形变将导致光纤的实际传输特性,如传输模式、模场面积、弯曲损耗、偏离设计特性.

研制光纤的实际传输特性的测量目前主要有两种:一是直接测量法,即采用专用的实验设备对光纤进行直接测量;二是间接测量法,例如可实际测量光纤的结构参数,然后通过数值分析来获得光纤的传输特性.对于光子晶体光纤,除了制作难度比传统光纤高外,对其性能的准确测量也是该领域面临的一大难题.现有的光纤特性测试设备多是针对普通光纤特性测试的,不仅价格昂贵,而且直接应用于光子晶体光纤特性测量存在着一些难以解决的问题,尤其是大模场面积光子晶体光纤的模场、模式及弯曲特性测量,存在着与传统跳线接续或开放空间入射光耦合等方式方法所引入的不确定性影响问题,直接测量不仅难度大,尚需一系列昂贵设备的支持.本文主要采用间接测量法研究研制实际光纤的传输特性[17],其主要思想是通过采集研制的实际光纤的横截面的数字显微图,借助于数字图像处理技术对实际光纤的横截面进行几何重构,得到实际光纤的横向折射率的分布后,应用全矢量有限元方法获得实际光纤的传输特性.重构后的光纤截面结构如图1(c)所示,与实际结构图1(b)对比可以看出,重构的光纤截面结构与实际光纤的截面结构一致.由重构出的研制光纤的横截面几何结构,即可获得其横截面折射率分布n0(x,y).

图1 抗弯曲大模场面积PCF横截面图 (a)设计结构;(b)研制光纤横截面显微图;(c)研制光纤横截面重构图

光纤弯曲形变,也会引起传输模式、模场泄漏等传输特性的变化.对于弯曲光纤的特性分析,可以按对其横截面的折射率分布进行弯曲修正后的直光纤情形进行特性分析.当光纤向x轴负方向弯曲时,其横截面的折射率分布可以用(1)式表示[18,19]:

其中,R为光纤弯曲半径,θ为光纤弯曲方向与+x轴的夹角,即光纤弯曲方向角.

根据获得的光纤横截面折射率分布,应用全矢量有限元法,结合完美匹配边界条件[20−22],即可对所研制光纤的传输模式、模场面积及其弯曲损耗进行分析.在获得对应情形光纤中的有效模式传输常数β和模场分布的基础上,根据下式可获得光纤中各有效模式对应的等效模场面积Aeff:

式中,E是电场矢量,S代表整个光纤横截面.光纤中各有效模式的限制损耗L则可通过其传输常数的虚部进行计算

其中,k0为真空中自由波数,k0=2π/λ,λ为波长,neff=β/k0为模式的有效折射率.

掺Yb光纤激光器是高功率光纤激光器中应用最广的一类激光器,因此,本文重点研究所研制抗弯曲大模场面积PCF在1064 nm波长附近的模式特性和弯曲特性.

3 模式特性

图2为所研制PCF光纤在波长1064 nm处的基模和二阶模的模场矢量分布图.正如设计预期,研制的实际光纤可以有效地将基模束缚在纤芯中传输,而空气孔占空比较小的左侧,对高阶模形成了高泄露通道,二阶模即可通过该泄露通道向包层泄露.

图2 所研制光纤中在波长1064 nm处基模和二阶模模场矢量分布图 (a),(b)基模;(c)—(f)二阶模

图3 (a)所示为所研制光纤在975—1100 nm波长范围内有效传输模式的实际限制损耗,FM-x,FM-y分别代表基模的两个偏振态,SM-1—SM-4为二阶模的四个简并态.从图3(a)中可以看出,在975—1100 nm波长范围内基模损耗小于0.00025 dB/m,从波长1020 nm开始,二阶模损耗大于1 dB/m,二阶模与基模的损耗相差4个量级.如此大的损耗差,有效地保证了在1020—1100 nm波长范围内光纤中只有基模传输,即实现了单模传输.图3(b)所示为光纤中基模两个偏振态的模场面积随波长的变化情况,在975—1100 nm波长范围内,基模模场面积基本保持不变,波幅仅为0.035%,因此所研制光纤的模场面积具有良好的光谱平坦性.在波长1064 nm处,平直状态下基模限制损耗为0.00024 dB/m,高阶模限制损耗高于1.248 dB/m,二阶模与基模的损耗相差4个量级,即实现了单模运转,而且基模模场x和y偏振态的模场面积分别为2811.216,2812.325µm2,差值小于0.04%,且基模的模式双折射小于10−6,基模的两个偏振态简并.因此可以认为,所研制光纤具有非偏振相关的大模场面积单模传输特性.

图3 所研制光纤中基模和二阶模的传输特性 (a)基模和二阶模的限制损耗;(b)基模模场面积

4 弯曲特性

光纤弯曲引起光纤形变,弯曲半径和弯曲方向角对光纤传输特性,尤其是对光纤弯曲损耗的影响,决定了光纤的弯曲特性.

4.1 弯曲半径的影响

当研制的实际光纤向x轴负方向弯曲,横截面折射率分布发生的变化情况由(1)式决定.在x轴负方向,光纤背景(石英)折射率因弯曲将降低,在x轴正方向,背景折射率升高.图4给出了基模弯曲损耗及模场面积随弯曲半径变化的对应关系.从图中可以看出,基模两偏振态随弯曲半径的变化具有较好的一致性,因此所研制光纤在弯曲情况下仍保持非偏振相关的大模场面积基模传输特性.

如图4(a)所示,随着弯曲半径的减小,弯曲损耗先略有降低,然后逐渐增加,弯曲半径在20—45 cm之间时弯曲损耗较低.弯曲半径减小至20 cm后再进一步减小,弯曲损耗急剧增加,但即便弯曲半径小到5 cm,弯曲损耗始终维持在10−3dB/m量级以下.研究结果表明,所研制光纤具有良好的抗弯曲特性.

另外,如图4(b)所示,随着弯曲半径的减小,基模模场面积逐渐减小.在平直状态下,基模模场面积约为2812µm2,当弯曲半径为20 cm时,模场面积约为1000µm2.实际应用时一般可保持光纤弯曲半径大于20 cm,因此所研制光纤的模场面积总可以保持在1000µm2以上的大模场面积运转,对应弯曲损耗小于10−6dB/m.

图4 所研制光纤的基模传输特性随弯曲半径的变化关系 (a)弯曲损耗;(b)模场面积

4.2 弯曲角度的影响

非对称结构大模场面积PCF弯曲损耗一般对弯曲方向角比较敏感,目前惟一研制出的非对称结构抗弯曲大模场面积PCF在实际应用时须将弯曲方向角控制在±7°范围内[15].为了便于与现有报道的非对称结构低弯曲损耗大模场面积PCF比较[15,16],这里重点讨论光纤弯曲半径为30 cm时研制光纤的弯曲特性受弯曲方向角的影响.

图5为弯曲半径30 cm时所研制光纤基模弯曲损耗和模场面积随弯曲方向角的变化关系.光纤结构关于x轴呈二重对称性,因此光纤弯曲损耗及模场面积随弯曲方向角的变化呈对称分布.弯曲方向角在±60°范围以内,模场面积约为1369µm2变化缓慢,弯曲损耗小于0.0069 dB/m;弯曲方向角超过±60°后,基模场面积及弯曲损耗急剧变化,模场沿上侧或下侧空气孔间的泄漏通道向包层辐射形成泄漏模式,造成弯曲损耗的迅速增大和模场面积的突变.

图6为弯曲半径30 cm时不同弯曲方向角度下光纤中基模的模场分布图.由于光纤是关于x轴二重对称,因此只需给出弯曲角度为正值时几个典型情形的模场分布.可见,弯曲方向角度为0°—60°时,基模场可束缚在纤芯中传输;当弯曲方向角度达到80°时,基模模场明显向包层区域泄漏,将形成较大的弯曲损耗.当光纤弯曲半径为30 cm时,所研制光纤可以承受的弯曲方向角为[−60°,60°].

图5 弯曲半径30 cm时所研制光纤传输特性与弯曲方向角度的关系 (a)基模弯曲损耗;(b)基模模场面积

图6 弯曲半径为20 cm时不同弯曲方向角度下的基模模场分布图 (a)0°;(b)20°;(c)30°;(d)40°;(e)60°;(f)80°

5 结论

本文采用非对称结构,通过优化缺陷和空气孔的位置和大小,提出并研制出一种新型抗弯曲的大模场面积PCF.该光纤可以有效地同时实现基模大模场面积和低弯曲损耗,平直状态下在波长1064 nm处的模场面积可以达到2812µm2,在1020—1100 nm波长范围内实现了单模传输.在波长1064 nm处,只要光纤保持弯曲半径大于20 cm,模场面积可以保持在1000µm2以上,弯曲损耗小于10−6dB/m.与现有报道的非对称结构的低弯曲损耗大模场面积PCF相比,当光纤弯曲半径为30 cm时,可以承受的弯曲方向角的变化范围可扩展至−60°—60°.这种低弯曲损耗大模场面积PCF不仅实现了大模场面积特性及低弯曲损耗特性,也大大扩展了光纤可以承受的弯曲方向角的变化范围.如果进一步采用掺镱或掺铥等增益介质做纤芯,通过元素共掺技术如共掺氟,控制掺杂纤芯的折射率,使其折射率与石英背景折射率接近,有望研制出各种大模场面积低弯曲损耗的增益光纤,可为各种新型高功率光纤激光器提供较好的研制基础.

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