中央凹陷優(yōu)化大模場(chǎng)面積光纖的計(jì)算與設(shè)計(jì)

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(安徽中醫(yī)藥大學(xué)數(shù)理教研室，安徽 合肥 230012)

0 引 言

非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射，受激布里淵散射總是被認(rèn)為是傳統(tǒng)階躍型摻鐿光纖激光器功率提升[1～6]的限制因素之一?？紤]到非線性效應(yīng)與光纖的模場(chǎng)面積成反比，因此設(shè)計(jì)良好的大模場(chǎng)光纖是高功率光纖激光器的發(fā)展所急需的。

為了抑制非線性效應(yīng)，一些新的光纖設(shè)計(jì)最近被提出以擴(kuò)大基模有效模場(chǎng)面積[1～5]。這些設(shè)計(jì)可大致分為兩類:非圓型(如:光子晶體光纖)[2]和圓柱形對(duì)稱(如布拉格光纖[3]、單槽光纖[5]、多槽光纖)[6]。由于毛細(xì)的堆積和拉制過程[2]，非圓對(duì)稱光纖預(yù)制棒的制備比階躍型光纖更復(fù)雜。與傳統(tǒng)的階躍型光纖不同，制備一些圓柱形對(duì)稱光纖，如布拉格纖維、單溝槽光纖和多槽光纖是非常困難的，因?yàn)樾枰~外的沉積層來形成一個(gè)精確的多層折射率剖面。此外，這些新設(shè)計(jì)的光纖與階躍型光纖之間存在著顯著的不匹配，從而形成一個(gè)不匹配的連接點(diǎn)，可能導(dǎo)致一些嚴(yán)重的問題，如熔接損耗、自聚焦燒毀和光束質(zhì)量惡化[1～6]。最新提出的另一種方法則是用中央折射率凹陷的大模場(chǎng)面積階躍型光纖來擴(kuò)展有效模場(chǎng)面積以抑制光學(xué)非線性和避免自聚焦燒毀。

1 模擬實(shí)驗(yàn)

為了在擴(kuò)大有效模場(chǎng)面積的同時(shí)防止焊點(diǎn)的模場(chǎng)失配，用模擬軟件OptiFiber對(duì)20/400um中央折射率凹陷的階躍型光纖進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。在目標(biāo)光纖芯中有一個(gè)中心凹陷,設(shè)置中央凹陷的直徑為5μm，深度Δn2為0.0003和0.0005進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1(a)顯示了帶有中央折射率凹陷的20/400μm階躍型光纖的折射率分布。中央凹陷的直徑為5μm，深度Δn2為0.0003μm和0.0005μm的光纖在表1中標(biāo)記為光纖B和光纖C。結(jié)果表明，當(dāng)凹陷的直徑和深度分別超過5μm和0.0005時(shí)，光纖芯的泄漏光很容易產(chǎn)生。且光-光轉(zhuǎn)換效率明顯地降低了，相應(yīng)的光束質(zhì)量也變差了。建議使用光纖芯為20μm的和包層為400μm的光纖，即20/400μm。如圖1所示，該光纖的數(shù)值孔徑是0.06，與傳統(tǒng)的階躍型光纖相一致，其芯-包層的折射率差為～0.00125，近年來研究人員經(jīng)常使用這種光纖。

表1總結(jié)并比較了階躍型光纖(光纖A )和中央折射率凹陷光纖的模擬結(jié)果。傳統(tǒng)的20/400 μm 階躍型光纖被廣泛應(yīng)用于高功率[7]的傳輸，因?yàn)樗写蠹s263.89μm2的基模有效模場(chǎng)面積。如表1所示，增加中央凹陷的深度Δn2，導(dǎo)致了更大的光纖模場(chǎng)直徑和有效面積。對(duì)于光纖C，LP01模式的有效模場(chǎng)面積高達(dá)295.59μm2，這相當(dāng)于有效模場(chǎng)直徑為19.40μm，比傳統(tǒng)的階躍型光纖高出12%。為實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，采用了彎曲選模方法，并計(jì)算了相應(yīng)的彎折損耗。彎曲直徑分別設(shè)置為100 mm、150 mm、200mm，以確保在1064 nm LP01的損耗小于0.001 db/m，而LP11模損耗高于0.1 dB/m。然而，考慮到直徑小于100mm無法防止976 nm泵浦光泄漏，導(dǎo)致光纖激光系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的熱問題。因此，光纖C只有在維持100-150mm彎曲直徑的時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)單模激光運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 (a)中央折射率凹陷的20/400μm階躍型光纖和(b)傳統(tǒng)的階躍型光纖的折射率分布

Fiber TypemodeMFD(μm)Aeff(μm2)Bending Loss (dB/km)R=100mmR=150mmR=200mmLP0118.33263.890.00024.77×10-101.18×10-15A fiberLP1123.30426.388.81031.2×102?1.69LP0119.02284.130.000894.33×10-92.24×10-14B fiberLP1123.33427.489.71031.38×1022.05LP0119.40295.590.00211.54×10-81.21×10-13C fiberLP1123.34427.851.0×1041.5×1022.31

3 結(jié) 語

綜合比較，用中央折射率凹陷的20/400μm階躍型光纖，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以擴(kuò)大模場(chǎng)面積。數(shù)值模擬結(jié)果表明，中央凹陷使LP01模式的有效面積從263.89μm2增加到295.59μm2。在100mm-1500mm的彎曲直徑下，1064nm處基模LP01的彎曲損耗約0.001 db/m，而更高階模式LP11的彎曲損耗則大于0.1 dB/m。結(jié)果表明，有中央折射率凹陷的20/400μm 階躍型光纖適用于高功率光纖激光器。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡姝玲, 張春熹, 高春清,等. 包層抽運(yùn)摻鐿光纖激光器中受激拉曼散射和受激布里淵散射效應(yīng)[J]. 中國激光, 2008, 35(1):6-10.

[2] J. Limpert, A. Liem, M. Reich, T. Schreiber, S. Nolt, H. Zellmer, A. Tünnermann, J. Broeng, A. Petersson, and C. Jakobsen, “Low nonlinearity single-transverse-mode ytterbium-doped photonic crystal fiber amplifier,” Opt. Express 12, 1313-1319 (2004).

[3] E. M. Dianov, M. E. Likhachev, and S. Février, “Solid-core photonic bandgap fibers for high-power fiber lasers,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15, 20-29 (2009).

[4] R. A. Barankov, K. Wei, B. Samson, and S. Ramachandran, “Resonant bend loss in leakage channel fibers,” Opt. Lett. 37, 3147-3149 (2012).

[5] D. Jain, C. Baskiotis, J. Kim, and J. K. Sahu, “First demonstration of single trench fiber for delocalization of higher order modes,” in Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (Optical Society of America, 2014), paper SF1N.1.

[6] D. Jain, C. Baskiotis, and J. K. Sahu, “Bending performance of large mode area multi-trench fibers,” Opt. Express 21,26663-26670 (2013).

[7] 林傲祥, 倪力, 彭昆,等. 國產(chǎn)20/400μm規(guī)格有源光纖實(shí)現(xiàn)3kW激光輸出[J]. 中國激光, 2017(1):285-285.