新型双沟槽抗弯曲大模场扇形瓣状光纤研究 下载: 1083次
1 引言
光纤激光器作为第三代激光器的代表,由于具有光束质量高、阈值低、转换效率高、散热性好等优点,已被广泛应用在通信传输、工业制造、****、医疗卫生等领域[1-2]。近些年来,光纤激光器的输出功率从最初的几瓦提高到目前的数千瓦量级[3-6]。然而,随着理论的进一步研究,一些因素逐渐成为限制光纤激光器输出功率不断提高的难点所在,例如:非线性效应限制了激光功率的进一步提升;模式不稳定现象降低了激光器的输出光束质量[7-8]。
由于非线性效应产生的阈值功率与光纤的有效模场面积成正比,增大光纤的有效模场面积可以有效抑制非线性效应,同时可以降低光纤横截面的光功率密度,减小热效应带来的不利影响。因此使用具有大模场面积和良好高阶模抑制能力的光纤可以从根本上提高光纤激光器的性能。近些年来,人们已提出多种具有大模场面积以及单模操作的光纤结构,主要有:低数值孔径的阶跃光纤[9]、光子晶体光纤[10-12]、布拉格光纤[13-14]、多层沟壑光纤[15-16]、多芯光纤[17]和瓣状光纤[18-21]等。低数值孔径光纤由于相对折射率差小,易受弯曲影响;光子晶体光纤由于其结构复杂,因而制作难度大且难以保持光纤的均匀性和可重复性;布拉格光纤具有良好的大模场面积扩展能力以及抗弯曲特性,但是布拉格光纤中的高折射率环会导致纤芯和高折射率环之间产生不必要的耦合。2013年,南安普顿大学的Jain等[15]报道了一种多层沟壑光纤,该型光纤在不弯曲的条件下模场面积可达10500 μm2,然而在弯曲20 cm,保证良好单模操作的条件下,光纤模场面积只能达到790 μm2[16]。2001年,Rastogi等[18]报道了瓣状光纤,光纤的包层由高低折射率交替分布组成;2003年,Rastogi等[19]分析了瓣状光纤以及扇形瓣状的泄漏损耗特性;2015年,Hooda等[20]制作了二氧化硅瓣状光纤;2016年,本课题组证明了瓣状光纤的良好弯曲特性和单模操作性能[21]。
本文提出了一种双沟槽辅助扇形瓣状光纤(DT-FSCF)。与传统扇形瓣状光纤(Fan-SCF)[19]和单沟槽辅助扇形瓣状光纤(ST-FSCF)[22]相比,DT-FSCF在纤芯中增加了两个低折射率沟槽。新型光纤可以采用管束堆积法制作,先制作出普通双沟槽光纤预制棒,然后将高折射率材料与低折射率材料在玻璃管中沿方位角方向以周期方式排列,并使其紧密贴合,制成光纤预制棒,控制温度和拉丝速度拉制光纤。新型光纤中的低折射率双沟槽使基模更好地限制在纤芯中,减小基模损耗;同时高折射率的双谐振环保证高阶模更好地从纤芯中谐振出去,增大高阶模损耗,从而提升光纤的单模操作特性。在弯曲半径为20 cm的条件下,光纤能够达到1000 μm2的模场面积,并保持单模运转;并且光纤在[-180°,180°]范围内对弯曲方向不敏感,因此不需要控制弯曲方向。
2 光纤结构和理论方法
2.1 光纤结构
本文提出的双沟槽辅助瓣状光纤横截面如
图 1. 双沟槽辅助瓣状光纤结构图
Fig. 1. Structure of double-trench-assisted fan-segmented cladding fiber
式中:
可得,光纤中的场
通过求解(3)式可得有效折射率分布
图 2. 双沟槽辅助扇形瓣状光纤的等效折射率图
Fig. 2. Equivalent refractive index profile of double-trench-assisted fan-segmented cladding fiber
2.2 理论方法
有限元法计算精度高,是分析具有复杂截面结构最常用的方法。本研究使用全矢量有限元法结合完美匹配层(PML)边界条件进行建模仿真。模场面积作为光纤性能的一个重要指标,各模式的模场面积满足
式中:
式中:
弯曲损耗可以通过求解弯曲光纤模式传播常量的虚部来获得[23],即
本文定义损耗比(LR)为最小高阶模(Lowest-HOMs)和基模(FM)损耗的比值。损耗比是抗弯曲光纤单模操作的评价标准,通常LR大于100,且最小高阶模损耗大于1 dB/m,基模损耗小于0.1 dB/m,以确保有效的单模运转。
3 仿真结果分析与对比
首先对DT-FSCF、ST-FSCF和Fan-SCF进行比较,ST-FSCF和Fan-SCF的结构如
图 3. 扇形瓣状光纤结构图。(a) ST-FSCF;(b) FSCF
Fig. 3. Structures of fan-segmented cladding fibers. (a) ST-FSCF; (b) FSCF
三种光纤的性能对比结果如
表 1. 本论文的工作(DT-FSCF)和以前工作(FSCF、ST-FSCF)的性能对比
Table 1. Comparison of properties of current work (DT-FSCF) and previous works (FSCF,ST-FSCF)
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4 光纤各参数的仿真结果分析
4.1 纤芯参数对光纤性能的影响
DT-FSCF的基模和高阶模损耗随纤芯尺寸的变化结果如
图 4. 纤芯半径对光纤性能的影响。(a)泄漏损耗随纤芯半径变化图;(b)模场面积和损耗比随纤芯半径变化图
Fig. 4. Effect of core radius on fiber properties. (a) Leakage loss as a function of core radius; (b) mode area and loss ratio as functions of core radius
其中:LP01为基模;LP11和LP21为高阶模;下角标v和h分别表示LP11模的垂直方向和水平方向。随着纤芯半径增大,基模损耗不断减小。由于双低折射率沟槽及谐振环的存在,高阶模损耗在纤芯半径18~30 μm之间变化不稳定。LP11v随着纤芯的增大先减小后增大最后不断减小,在
4.2 弯曲方向和半径对光纤性能的影响
由于光纤属于非圆对称结构,因此弯曲方向会对光纤性能产生影响。根据光纤结构,只需对0°~45°的光纤弯曲方向进行讨论,就能完整地表示光纤性能。
图 5. 弯曲方向对光纤性能的影响 (a)泄漏损耗随弯曲方向变化图;(b)模场面积和损耗比随弯曲方向变化图
Fig. 5. Effect of bending orientation on fiber properties. (a) Leakage loss as a function of bending orientation; (b) mode area and loss ratio as functions of bending orientation
图 6. 在不同弯曲方向时LP01, LP11v, LP11h和LP21模场分布图。(a) φ =0°;(b) φ =22.5°
Fig. 6. Mode field distributions of LP01, LP11v, LP11h, and LP21 modes at different bending orientations. (a) φ =0°; (b) φ =22.5°
弯曲半径对光纤的影响也很重要,光纤其他参数不变,选取弯曲方向为
4.3 沟槽宽度对光纤性能的影响
从制作的角度研究沟槽宽度对光纤性能的影响,其中:光纤参数为
图 7. 弯曲半径对光纤性能的影响。(a)泄漏损耗随弯曲半径变化图;(b)模场面积和损耗比随弯曲半径变化图
Fig. 7. Effect of bending radius on fiber properties. (a) Leakage loss as a function of bending radius; (b) mode area and loss ratio as functions of bending radius
图 8. 弯曲损耗和模场面积随沟槽宽度的变化图。(a) t 1;(b) t 2
Fig. 8. Bending loss and mode area as functions of trench width. (a) t 1; (b) t 2
4.4 谐振环厚度对光纤性能的影响
接下来研究分析谐振环厚度对光纤性能的影响,其中:光纤参数为
4.5 波长对光纤性能的影响
不同波长对光纤性能的影响如
图 9. 弯曲损耗和模场面积随谐振环厚度的变化图。(a) d 1;(b) d 2
Fig. 9. Bending loss and mode area as functions of resonant ring thickness. (a) d 1; (b) d 2
图 10. 波长对光纤性能的影响 (a)泄漏损耗随波长变化图;(b)模场面积和损耗比随波长变化图
Fig. 10. Effect of wavelength on fiber properties. (a) Leakage loss as a function of wavelength; (b) mode area and loss ratio as functions of wavelength
4.6 折射率差对光纤性能的影响
光纤中LP01、LP11v、LP11h和LP21模式的泄露损耗和模场面积随Δ
图 11. 弯曲损耗和模场面积随折射率的变化图。(a) Δn 1;(b) Δn 2
Fig. 11. Bending loss and mode area as functions of index difference. (a) Δn 1; (b) Δn 2
4.7 两个谐振环联合作用下对光纤性能的影响
为了详细研究两个谐振环厚度对DT-FSCF性能的综合影响,两个参量联合作用下光纤的基模损耗和损耗比如
图 12. 谐振环d 1和d 2对光纤性能的综合影响。(a)基模损耗;(b)最小高阶模损耗;(c)损耗比
Fig. 12. Combined effect of resonant ring thicknesses d 1 and d 2 on fiber properties. (a) Loss of FM; (b) minimal loss of HOM; (c) loss ratio
5 结论
提出了一种新型的双沟槽辅助扇形瓣状光纤设计方案,数值结果表明:双沟槽辅助扇形瓣状光纤与单沟槽辅助以及传统扇形瓣状光纤相比,具有更优秀的单模特性。在弯曲半径为20 cm,纤芯半径为25 μm时,其有效模场面积可达1000 μm2,并且高阶模与基模损耗比大于100。因此,所提出新型光纤在光纤激光器应用中具有很大的优势。
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王冠利, 宁提纲, 郑晶晶, 李晶, 许建, 魏淮, 裴丽, 马绍朔. 新型双沟槽抗弯曲大模场扇形瓣状光纤研究[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1006008. Guanli Wang, Tigang Ning, Jingjing Zheng, Jing Li, Jian Xu, Huai Wei, Li Pei, Shaoshuo Ma. Novel Bend-Resistant Large-Mode-Area Fan-Segmented Cladding Fiber with Double Trenches[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(10): 1006008.