雙包層高數(shù)值孔徑摻Y(jié)b 光子晶體光纖

1.1論文研究目的和意義本論文將研制的雙包層高數(shù)值孔徑摻Y(jié)b3+光子晶體光纖是一種由具有光子禁帶效應(yīng)的二維光子晶體做內(nèi)包層，用摻Y(jié)b3+的激光玻璃做纖芯，進(jìn)行導(dǎo)光的光纖。這種光纖的外徑與普通光纖一樣，但沿包層的軸向擁有許多空氣孔道，并要求包層中的空氣孔呈類似于晶體中原子排列的周期性分布。由于光纖內(nèi)包層的設(shè)計(jì)有一個(gè)大模場(chǎng)直徑的單模纖芯,在傳送高功率激光的同時(shí),不產(chǎn)生非線性效應(yīng)，光纖的損傷閾值也更高，這樣就保證了其極高的光束質(zhì)量，使光子晶體光纖具有廣闊的應(yīng)用前景。Yb3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只有基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2,沒(méi)有激發(fā)態(tài)吸收(ESA)和多聲子吸收。Yb3+摻雜激光玻璃有較寬的吸收光譜(850?llOOnm)和熒光光譜(900~1200nm),可作為飛秒超短脈沖激光和可調(diào)諧激光的工作物質(zhì);它儲(chǔ)量效率高,熒光壽命長(zhǎng),在半導(dǎo)體列陣泵浦的高功率激光裝置中具有很大的應(yīng)用潛力。對(duì)于常規(guī)的雙包層光纖激光器，一般采用大模面積光纖以避免由于纖芯中光強(qiáng)過(guò)大而造成的損傷，但是為了保持單模又需要在增大纖芯尺寸的同時(shí)，減小數(shù)值孔徑，這樣就使彎曲損耗增大。而且纖芯尺寸和數(shù)值孔徑的極值還要受到折射率差的精確控制的限制，從而限制了常規(guī)雙包層光纖激光器的發(fā)展。光子晶體光纖則從另一途徑解決了這一限制。我們采用硅酸鹽玻璃作為光纖基質(zhì)，玻璃光纖和石英光纖相比，普遍具有熔點(diǎn)低、機(jī)械強(qiáng)度小，膨脹系數(shù)高、折射率大的特點(diǎn)。摻鐿玻璃光纖作為光纖激光器的增益介質(zhì)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)玻璃光纖中的稀土離子摻雜濃度普遍高于石英光纖1?2個(gè)數(shù)量級(jí)；2)稀土離子在玻璃光纖中的光譜帶寬和受激發(fā)射截面往往都大于石英基質(zhì)。同時(shí)，硅酸鹽玻璃是最為常用的玻璃系統(tǒng)，與硼酸鹽和磷酸鹽等玻璃體系相比揮發(fā)小、玻璃組分穩(wěn)定。因此硅酸鹽體系玻璃具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，且玻璃容易制備。雙包層摻Y(jié)b3+光子晶體光纖作為高功率激光產(chǎn)生和傳輸用的新型光纖，由于其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及奇特的導(dǎo)光原理使其具有傳統(tǒng)光纖無(wú)法比擬的奇異特性，因而在光通信、高功率光纖激光器、高脈沖能量光纖放大器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，已成為固體激光器強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。理論分析雙包層光子晶體光纖采用空氣孔來(lái)控制泵浦芯的數(shù)值孔徑，外包層為空氣占空比達(dá)50%以上的空氣-玻璃層，似的泵浦芯的數(shù)值孔徑可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)控，目前數(shù)值孔徑達(dá)到0.8的光子晶體光纖已經(jīng)面世。大模面積、大數(shù)值孔徑和大折射率差，增加了光在光纖中的反射次數(shù)，使得光纖可以做得很短，在高功率工作時(shí)，極大的降低了非線性效應(yīng)，尤其是受激拉曼散射。對(duì)于傳統(tǒng)的階躍型光纖，光纖光學(xué)中定義了歸一化頻率V=2Kp(n2一池)1/2人cocl式中n和n_分別為光纖芯和包層的折射率；p為纖芯直徑。只有Vv2.405coc1時(shí)，此光纖才是單模的。即傳統(tǒng)光纖存在著一個(gè)截止波長(zhǎng)，只有波長(zhǎng)大于此截止波長(zhǎng)的光波才能在光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸，而波長(zhǎng)小于此截止波長(zhǎng)的光波在光纖中為多模傳輸。在光子晶體光纖中，亦可以定義一個(gè)等效的歸一化頻率

V=^H(n2(九)-V=^H(n2(九)-n2(九))i/2九coeff式中n(九)和n(九)分別為光子晶體光纖芯層和包層的等效折射率；p為定義的coeff芯層半徑。光子晶體光纖包層的等效折射率n(九)可以根據(jù)包層晶胞的等效數(shù)學(xué)eff模型來(lái)計(jì)算。根據(jù)光纖光學(xué)，在縱向(z)均勻分布的PCF中，極坐標(biāo)下的電磁場(chǎng)可以表示為E(p,t)=E(p,p)exp[i(?t-Pz)],H(p,t)=H(p,p)exp[i(?t-Pz)],決定其基模的全矢量特征方程為：J(ur)K(wr)1+1urJ(ur)wrK(wr)_iiJ(ur)n2K(wr)_-+=n2coreurJ(ur)1wrK(wr)111(—)2+(―)2ur022其中，u2=ncok2-P2；w2=P2-n2k2co0cceff0論文研究的主要內(nèi)容發(fā)展進(jìn)程光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀自從1987年光子晶體概念提出以后，光子晶體的相關(guān)研究引起了人們的廣泛興趣，在OFC'004上，光子晶體光纖成為重點(diǎn)報(bào)道的課題之一，國(guó)際上關(guān)于光子晶體光纖的研究主要集中在拓展PCF的應(yīng)用領(lǐng)域和改善PCF的性能兩方面。因此PCF的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)將在光通信、光學(xué)、光電子學(xué)和信息科學(xué)等方面引發(fā)革命性變革，極有可能在21世界扮演更為重要的角色。1991年Russen等人根據(jù)光子晶體導(dǎo)光原理首次提出光子晶體光纖概念。1996年，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心和丹麥技術(shù)大學(xué)電磁系首先報(bào)道了成功制備出PCF。莫斯科大學(xué)A.M.Zhehikov等人也進(jìn)行了包層具有周期分布空氣孔的多孔光纖的研制。研究發(fā)現(xiàn)，改變多孔光纖包層的幾何結(jié)構(gòu)，可有效地增強(qiáng)光纖中非線性效應(yīng)。2000年，英國(guó)的Wadsworth等用鈦藍(lán)寶石激光器(波長(zhǎng)970nm)泵浦一段81mm長(zhǎng)的摻鐿光子晶體光纖觀察到了為1040nm的激光輸出，標(biāo)志著第一臺(tái)PCF的問(wèn)世。雖然得到的激光器各方面的性能不是很理想，但是他為PCF激光器的迅速發(fā)展邁出了第一步。2001年，英國(guó)Bath大學(xué)Wadsworth等人實(shí)現(xiàn)了雙包層PCF結(jié)構(gòu)。雙包層PCF摻雜離子為Yb3+離子，纖芯直徑15.2卩m，數(shù)值孔徑0.11，內(nèi)包層直徑15卩m，數(shù)值孔徑0.8,利用20W光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長(zhǎng)度為17m，獲得了3.9W功率輸出，斜率效率21%。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雙包層PCF存在隨機(jī)散射中心，說(shuō)明纖芯中存在著缺陷，有待進(jìn)一步完善PCF的結(jié)構(gòu)。2002年，Bath大學(xué)的W.H.Reeves等人拉制出了具有接近零的超平坦色散光子晶體光纖。所拉制出兩根光纖的色散在1.24卩m-1.44卩m和1卩m-1.6卩m波長(zhǎng)范圍內(nèi)分別被控制在0±0.6ps/nm/km和0±1.2ps/nm/km。2003年，南安普頓大學(xué)的X.Feng等人用兩種具有高折射率對(duì)比度熱匹配的石英材料首次拉制出全固PCF。在1.55卩m處，該光纖損耗為5dB/m，非線性系數(shù)是230W-1km-1。在1.5卩m-1.6卩m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它具有接近零的群速度色散。2003年，曾報(bào)道了一種實(shí)現(xiàn)高功率輸出高功率輸出的雙包層PCF光纖結(jié)構(gòu)采用的具有新穎纖芯結(jié)構(gòu)的PCF是該激光器的功率比之前報(bào)道的PCF激光器大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且能夠得到較好的激光束的質(zhì)量。所用PCF長(zhǎng)2.3m，纖芯橫截面呈三角形，芯徑大約是28pm,摻雜的工藝與一般的摻Y(jié)b3+PCF也有所不同，摻雜是不僅采用Yb3+和AL3+共摻以增加Yb3+的溶解性，而且摻進(jìn)了氟用來(lái)補(bǔ)償摻雜Yb3+和AL3+后纖芯折射率的增加，使摻雜后纖芯折射率接近純硅。泵浦源波長(zhǎng)為976nm。輸入泵浦功率為105W時(shí)獲得了80W的輸出功率，斜率效率為78%。2004年初，Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF,該光纖是針對(duì)Nd3+微芯片激光器特別優(yōu)化設(shè)計(jì)的，可產(chǎn)生超連續(xù)光譜，這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個(gè)寬帶輸出，光譜亮度超過(guò)太陽(yáng)10000倍。同年，美國(guó)高級(jí)計(jì)劃研究署研制出高功率單頻窄帶Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃光纖，用此光纖芯徑30》m，波長(zhǎng)1552nm，輸出功率83W。2005年，英國(guó)Bath大學(xué)A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜，日本電報(bào)電話公司T.Yamamoto等人用波長(zhǎng)1562nm、脈寬2.2ps、重復(fù)頻率40GHz的光脈沖注入到200m長(zhǎng)的色散平坦保偏PCF中，在1550nm區(qū)域產(chǎn)生了超過(guò)40nm的均勻超連續(xù)譜，而美國(guó)Rochester大學(xué)乙M.Zhu等人利用丹麥CrystalFiber公司低雙折射、高非線性PCF獲得600?1000nm的超連續(xù)譜。2006年，澳大利亞悉尼大學(xué)的A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導(dǎo)光子帶隙光纖。同年，該大學(xué)的M.vanEijkelenborg等人又用聚合物材料拉制出了矩形纖芯的光子晶體光纖。由于不同于傳統(tǒng)石英材料光子晶體光纖堆積法的拉制工藝，這些由聚合物材料拉制出的光纖具有更大的靈活性。圖2為光子晶體光纖發(fā)展進(jìn)程圖。2008年CrystalFiberA/S公司生產(chǎn)的DC-225-22-Yb型摻鐿雙包層光子晶體光纖，纖芯是通過(guò)缺失三個(gè)空氣孔形成的三角形大模場(chǎng)面積結(jié)構(gòu)，直徑為22±3|Jm，單模波長(zhǎng)范圍為1020?1150nm，對(duì)975nm泵光的吸收?3.5dB/m；實(shí)心纖芯外是由六排周期排列的空氣孔構(gòu)成具有非常大的數(shù)值孔徑的內(nèi)包層，內(nèi)包層直徑為225±10Jm，數(shù)值孔徑NA(950nm)=0.62；外包層直徑465±10jm，涂覆層材料為Acrylate，直徑550±20jm。光纖在波長(zhǎng)范圍1020—1150nm內(nèi)保持單模傳輸，即對(duì)Yb3+的整個(gè)發(fā)射譜均可以保持單模傳輸；光纖具有大的數(shù)值孔徑內(nèi)包層和小的纖芯數(shù)值孔徑，因而在具有大的模場(chǎng)面積下也能保證激光的單模傳輸；內(nèi)包層為無(wú)摻雜的硅材料，對(duì)泵浦光的損耗可以做到非常低。該公司最新成品:1)DC-170/40-Yb-2雙包層摻鐿光子晶體光纖，該光纖具有很高的內(nèi)包層數(shù)值孔徑(因?yàn)楣韬涂諝饪字g有很大的折射率差),內(nèi)含一個(gè)單模摻鐿纖芯,微結(jié)構(gòu)內(nèi)包層設(shè)計(jì)允許一個(gè)大模場(chǎng)直徑的單模纖芯,在傳送高功率激光的同時(shí),保證高的光束質(zhì)量水平。此光纖的單模工作波長(zhǎng)1000T100Jm，模場(chǎng)直徑30±3Jm模場(chǎng)面積?750Jm2，數(shù)值孔徑NA(1060nm)=~0.03，內(nèi)包層直徑170±10jm，外包層直徑620±25jm，涂覆層材料為單層丙烯酸聚酯，包層材料PureSilica。端面如圖a所示。2)DC-135/15-PM-Yb保偏型雙包層摻鐿光子晶體光纖結(jié)合了真正單模偏振保持的纖芯和大數(shù)值孔徑空氣包層的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率輸出，同時(shí)保證出色的模式質(zhì)量。因?yàn)镈C-135/15-PM-Yb光纖真正的單模纖芯設(shè)計(jì)(纖芯NA=0.055)，該光纖更易于使用，不像傳統(tǒng)的多模光纖那樣需要嚴(yán)格的盤(pán)繞光纖對(duì)高階模式進(jìn)行濾波。另外DC-135/15-PM-Yb光纖在976nm處的泵浦吸收高達(dá)8dB/m,用戶可以使用非常短的光纖實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出。圓形內(nèi)包層泵浦纖芯設(shè)計(jì)對(duì)保證最佳的泵浦耦合效率非常關(guān)鍵。此光纖的單模工作波長(zhǎng)1000-1100UM,模場(chǎng)直徑55±5pm模場(chǎng)面積2200±200》m2,數(shù)值孔徑NA(1060nm)=~0.02，內(nèi)包層直徑135±5pm,外包層直徑280±10pm,纖芯的材料是二氧化硅，涂覆層材料為高溫聚酯，包層材料PureSilica。端面如圖b所示。3)DC-200/70-PM-Yb-R0D大模場(chǎng)偏振保持型雙包層棒狀摻鐿光子晶體光纖,該光纖代表了雙包層摻鐿光纖的頂尖水平,這一款棒狀的光纖采用了偏振保持設(shè)計(jì),有效的模場(chǎng)面積超過(guò)2000pm2。DC-200/70-PM-Yb-ROD棒狀光纖非常大的有效模場(chǎng)面積加上極高的包層泵浦吸收效率(可達(dá)30dB/m),把光纖光學(xué)中的非線性閾值提高到一個(gè)更高的水平。該光纖主要針對(duì)高峰值功率脈沖光纖放大器設(shè)計(jì),目前應(yīng)用結(jié)果顯示,棒狀光纖能夠處理兆瓦(Mega-Watt)級(jí)的峰值功率。此光纖的單模工作波長(zhǎng)1000-1100pm，模場(chǎng)直徑126±1pm模場(chǎng)面積200±20pm2，數(shù)值孔徑NA(1060nm)=0.055±0.01，外包層直徑1.7±0.1mm，涂覆層無(wú)，外包層材料PureSilica，內(nèi)包層材料PureandB-dopedSilica端面如圖c所示。這三種光纖都廣泛應(yīng)用于高脈沖能量光纖放大器，光纖激光器。a圖b圖c圖目前我國(guó)烽火公司拉制硅基摻鐿雙包層光子晶體光纖根據(jù)增大內(nèi)包層尺寸的數(shù)值孔徑有利于簡(jiǎn)化泵浦光的耦合和傳輸?shù)却蟮谋闷止獾男剩ㄟ^(guò)增大數(shù)值孔徑，內(nèi)包層的可傳輸功率將以平方增加理論上實(shí)現(xiàn)內(nèi)包層數(shù)值孔徑在1左右。在此基礎(chǔ)上拉制的光纖參數(shù)為：纖芯直徑22pm，內(nèi)包層直徑330pm，纖芯數(shù)值孔徑0.05，內(nèi)包層數(shù)值孔徑0.45，內(nèi)包層吸收系數(shù)為1.5dB/m。采用這種光纖0.5m在入纖功率為3.39W時(shí)，得到了2.5W的激光輸出，光-光的轉(zhuǎn)化效率為73.7%。如果采用更大的泵浦激光，這種光纖將有更大的激光輸出。目前，國(guó)內(nèi)外光子晶體光纖研究以理論研究為主，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也還有待進(jìn)一步發(fā)展。主要研究的機(jī)構(gòu)有:麻省理工學(xué)院、英國(guó)Bath大學(xué)、Bell實(shí)驗(yàn)室、悉尼大學(xué)和丹麥CrystalFiberA/S公司，國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京交通大學(xué)，燕山大學(xué)，烽火通信等。在短短10多年時(shí)間里，PCF的研究取得了很大的進(jìn)展，發(fā)表的論文數(shù)量以每年70%的速度增長(zhǎng)。雖然PCF的制造很復(fù)雜，但應(yīng)用前景光明，已有好幾家大學(xué)和公司都在積極地設(shè)計(jì)并制造各種高性能的PCF，如低損耗光子晶體光纖、色散補(bǔ)償用雙芯光子晶體光纖、極高非線性PCF，由此研制出雙包層PCF、多芯PCF以及摻雜PCF等等。中國(guó)科技大學(xué)對(duì)LD泵浦的摻鐿雙包層光纖激光器進(jìn)行了研究，在多個(gè)波長(zhǎng)獲得激光輸出，其中在波長(zhǎng)為1073nm時(shí)獲得了3.84mW的激光輸出，激光的斜率效率55%。中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所對(duì)摻鐿雙包層光纖激光器進(jìn)行了數(shù)值分析。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所所用波長(zhǎng)為980nm的LD泵浦的摻鐿雙包層光