具有复杂环芯的大模场面积光纤外文翻译资料

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具有复杂环芯的大模场面积光纤

朱永刚lowast;，段凯亮，杨宁，赵宝银，赵伟

瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安光学精密机械研究所，中国科学院，西安710119，中国

摘要：本文提出了一种新型的单模大模场面积光纤。所提出的光纤芯由高折射率中心棒和周围的多层环组成。考虑其光纤结构参数，对模态特性进行了讨论。计算结果表明，所提出的光纤在波长为1.08的单模工作方式下具有极大的模场面积为2975。由于基模和高阶横向模式之间弯曲损耗的显著差异，通过卷绕光纤，模场面积更大的单模复合环纤芯光纤也可以实现。这种光纤有望在光纤激光器和放大器领域得到应用。

关键词：单模；大模场面积；光纤激光器；

1 简介

大模场面积（LMA）的单模光纤已经在光纤放大器、光纤激光器和高功率光束传递系统领域的应用中引起广泛关注^[1]。高功率激光在普通单模光纤的小核心会产生有害的非线性效应，造成光纤激光器和放大器的主要性能限制。常规的单模阶跃光纤中LMA的实现需要低数值孔径（NA）以增加芯径，但是NA低于~0.06的阶跃光纤通常很难制造。1波长区域，传统单模光纤的芯径仅限于大约15 ^[2]。光纤进一步扩大的芯径变为多模式。然而，利用基模和高阶横向模式之间差异显著的弯曲损耗可以使这样的多模光纤实现单模传输，高阶模式经一定的传播距离后可以消除 ^[3]。芯径30的范围内,这种技术是有效的,但是对于芯径更大的光纤，这种方法几乎是不可能的。

微结构光纤特别是光子晶体光纤（PCF）的发明，导致了各种新颖的LMA光纤的出现。报导了一种由19个六角形排列的多芯光纤，测量得到单模操作有效模场面积^[4]为465。Napierala等人设计了一种双晶格结构的PCF，使的单模操作的模场面积^[5]达到1454。Limpert等人制作了一种模场面积扩展单模掺镱PCF，其模场面积^[6]可达约2000，可以传输320W的功率的连续波激光。此外，还报导了一种偏振棒型掺镱PCF，基模的模场面积为2300^[7]。随后，模场面积超过2500的新型柔性PCF ^[8]和一种多包层大模场面积光纤被提出^[9]。该包层由交替的高和低折射率区域形成，专门为剥离高阶模式而设计。采用该设计，在1.55波长处，芯径30（即模场面积~2800）、NA~0.16的光纤可实现单模操作。

在本文中，我们提出了一种新型的全固态复合环芯LMA光纤。复杂的环芯由用低折射率层分离的高折射率掺镱多层环组成。该光纤预制棒，相对于空气孔包层PCF预制棒，只需采用改进的化学气相沉积法（MCVD）来交替高、低折射率层沉积，就可以很容易制备。与后者比较，也降低了光纤拉丝过程中的困难。计算结果表明，所提出的光纤具有2975的大模场面积，在1.08波长处可实现单模操作，并且，可以通过以适当的弯曲半径弯曲光纤来实现更大的模场面积光纤的单模输出。

图1 （a） 6层环芯光纤的截面。黑色区域代表高折射率掺镱环形铁芯和白色区域表示低折射率纯硅包层。（b） 光纤沿x轴的折射率分布。

2 数值模拟

所提出的光纤的横截面如图1（a）所示。纤芯是由中心的一个高折射率棒和周围的高折射率的嵌入在纯硅背景的多层环组成。光纤沿x轴的折射率分布如图1（b）所示。在光纤模型中，中心棒的半径和高折射率多层环的宽度定义为d，相邻的高折射率环之间的中心距离定义为。在本文中，高折射率环的个数设置为6这样一个典型的数字。当背景包层的指数为且设置为1.45，环芯的指数为。纤芯和包层之间的折射率差定义为。光纤的最外层包层的直径为400。

我们通过采用有限元法（FEM）^[10]计算出纤芯的有效指数、V参量和模场分布，对此光纤进行了分析。FEM可以精确地求解任意折射率分布的光纤的麦斯威尔方程组^[11]。一个圆形的完全匹配层（PML）^[12]连同一个完美的电导体被用作边界条件。V参量定义为

（1）

其中是操作波长，是复杂环芯的半径。有效模场面积被定义为^[4]

（2）

其中代表电场，代表共轭复数。是光纤的横截面面积。

图2 不同的值条件下V参量随波长的变化，。

3 讨论

V参量是一个重要的量，它用来描述光纤中的传播模式数。对于高光束质量的大功率光纤激光器或放大器，具有小V值同时保持大的有效模场面积的光纤是理想的。根据光纤理论，只要V值低于2.405，就可以实现单模操作。我们研究了当时，V参量对不同的波长的依赖性，如图2所示。在从0.8到2.0的整个波长范围内，V值随波长的增加而减小，随的减小而减小。对于本文所提出的光纤，在纤芯和包层之间的有效折射率差为量级，且随波长的增加而减小。在长波长时，越小越容易实现单模操作。有固定的时，减小，也会导致减小。因此，对于一个给定波长，要实现单模操作，减小高折射率环的宽度是必要的。我们制备的用于光纤激光器的增益光纤是掺镱光纤，激光的波长一般为1.08，所以，在下文模拟中，光纤中传输的信号光波长固定在1.08。

V参量与复合环纤芯光纤的结构参数密切相关。图3是V参量在不同的和条件下，随的变化曲线。可以发现，V值随增加而几乎呈线性关系增加。这意味着，即相邻的高折射率环之间的距离，必须是足够小以保持小的V值，即使大的可获得大模场面积。图3（a）也表明减小可以有效地降低V值；图3（b）给出了不同时的V参量，显然，大的一般不利于大模场面积单模传导的实现。

图3 （a） 不同时，V参量随的变化， 。（b） 不同时，V参量随的变化，。虚线代表单模条件。

图4显示了基模的有效模场面积对复合环纤芯光纤的结构参数的依赖关系。随着增加而单调增加。所以，为了得到大的需要大的，这对于高功率光纤激光器是理想的。然而，当比上面所讨论的特定值更大时，光纤成为了多模传导。在图4中，单模传导复合环芯光纤的最大由空心五角星表示。对于、、的光纤，为2975。从图4（b）中可以发现，由于随着纤芯和背景之间的高折射率对比度的增加，更多的电场将集中到高折射率环芯，随着的增大而减小。小的使模场向低折射率背景扩展，导致了模式区的增加。因此，小的和有助于增大模场面积。

图4 有效模场面积随变化。（a） 不同， 。（b） 不同，。☆表示复合环芯单模光纤的最大。

在图5（a）中绘制了最大单模光纤的模场分布图。图5（b）为沿轴x的模场剖面线扫描。可以发现，模场呈现出了一种很好的高斯分布，但也有一些小峰叠加在高斯曲线上，这是由高折射率中心棒和周围的环形铁芯功率限制引起的。

如在文献[3]中报道，对于传统的有大V参量（V在4-10之间，远大于2.405）的阶跃光纤，用一个适当的弯曲半径，因为高阶模式的弯曲损耗比基本模式高很多也可以实现单模输出。在这里，我们也来计算、、的复杂环芯光纤的弯曲损耗，其中模场面积为5243且V = 6.7。光纤的弯曲可以通过改变折射率公式实现

（3）

其中是弯曲的光纤的新等效折射率，是材料的折射率，R表示沿x轴的弯曲半径。

图5 （a） 、、的复合环芯光纤的模场分布。（b） 是沿x轴的模场剖面线扫描。

图6 复杂环芯光纤的和模式的弯曲损耗。

复杂环芯光纤的和模式的弯曲损耗如图6所示。值得一提的是，计算忽略了光纤曲率引起的场形变产生的影响，使得高阶模式相对于的衰减系数为保守估计。此外，对于稀土掺杂光纤，模场分布与增益区域的空间重叠会使相对于来说得到额外的抑制^[3]。如图6所示，对于弯曲半径9的复合环芯光纤，和模式的弯曲损耗分别为和120。因此，光纤中模式几乎可以无损传输而模式以及更高阶模式会完全耗尽。因此，通过对光纤恰当的卷曲，可以使更大模场面积的复合环芯光纤实现单模输出。

4 结论

在本文中，我们提出了一种新型的光纤，它的核心是由高折射率中心棒和周围的多层环的组合。采用有限元法对光纤的纤芯的等效折射率、V参量和模场面积进行了计算。计算结果表明，在1.08的波长下，所提出的光纤单模工作时具有2975的极大模场面积。由于基模和高阶横向模之间弯曲损耗的显著差异，复合环纤芯光纤在更大的模式区域通过弯曲光纤也可以实现单模输出。此外，无论是在预制棒的制备还是拉制工艺方面，这种光纤相对于PCF都容易实现，它有望应用在光纤激光器和放大器领域。

致谢

本项研究由国家自然科学基金重点项目（No.61138007）和中国科学院西部之光基金资助。

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