[发明专利]应力诱导的高双折射超大模场光子晶体光纤

说明书

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及应力诱导的高双折射超大模场光子晶体光纤，以解决光子晶体光纤难以实现超大模场面积光纤的单模传输，且在大模场面积传输条件下难以实现具有高双折射值的保偏光子晶体光纤的技术问题。包括纤芯、空气孔包层、完美匹配层，还包括设置在空气孔包层内的高阶模滤过结构和应力区；纤芯在结构上代替19个空气孔位置；空气孔包层中空气孔之间满足：d/Λ＝0.04～0.5；高阶模滤过结构包括多个设置在相应的空气孔外的环状结构；设置有相对于纤芯对称分布的两个应力区，每个应力区由m根硼棒构成。本发明光子晶体光纤可在模场直径≥60μm的超大模场面积内实现单模传输，且实现了双折射值10^‑4量级的保偏性能。

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤，具体涉及一种应力诱导的高双折射超大模场光子晶体光纤。

背景技术

传统的圆对称光纤沿其长度不保持导模的偏振态。虽然其名义上是各向同性的，但小的扭曲、弯曲和其他应力会对光纤施加未知的和无法控制的双折射，因此光纤输出的偏振是不可预测的。在光纤制造过程中会故意引入强双折射实现高双折射值，使得光纤对这些环境因素的可控性更高。对于传统保偏光纤，虽然其双折射值能达到高于10^-4的量级，但是其单模模场直径过小，无法满足高功率光纤激光器的要求。

相比于传统的光纤，光子晶体光纤PCF(Photonic Crystal Fiber)具有许多奇特的光学性质，如无截止单模、低限制损耗、色散可调、高双折射、大模场面积和大数值孔径等，可以克服传统光纤激光器的诸多难题。光子晶体光纤可实现单模大模场面积，在保证激光传输质量的同时，显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，提高光纤材料的损伤阈值；此外，由于空气包层大模场光子晶体光纤的单模纤芯直径较大和吸收较短而大大降低了非线性极限，从而提高了超短脉冲光纤激光系统的输出，这些特性为光纤激光器和放大器系统提供了扩展潜力。

为了保证输出激光的光束质量，在要求大模场面积的同时，必须使光纤能够单模传输。但是，通过增大纤芯直径则不可避免地会造成多横模竞争，影响输出光束质量。模式不稳定现象则是由于大模场光纤一般都支持多模传输，当激光功率超过一定阈值后，多个模式之间发生能量相互耦合，高阶模功率成分快速增加并在时域内伴随着一定频率的振荡，最终使光纤激光器的光束质量降低。光子晶体光纤在空气孔直径d和孔间距Λ比值d/Λ满足一定条件时具有无截止单模的特性，但是纤芯直径不可以无限增加，因为纤芯直径的增加会导致光纤的无截止单模工作区缩小，需要d/Λ非常小才能满足光纤的无截止单模传输，而当d/Λ比值过小时，特别是对应超大模场光子晶体光纤，纤芯直径85μm时，要求d/Λ0.04才能实现无截止单模传输，在工艺上很难实现。

在一些高功率实验中，光纤激光器的光纤偏振度出现了退化问题，为了克服这一问题，特别是在偏振控制方面简化光纤激光器的设置，通常在大模场面积光子晶体光纤引入双折射。可以通过以下方法引入高双折射使光子晶体光纤维持偏振：

(1)通过椭圆芯或改变纤芯周围的空气孔包层中空气孔的大小引入形状双折射来实现，对纤芯周围的空气孔或纤芯形状进行调整，使光纤的折射率分布具有二阶对称性，即通过降低光子晶体光纤的对称性，获得高双折射。

(2)改变纤芯的微结构，设置具有各向异性包层结构，得到保偏的光子晶体光纤，实现高双折射。

(3)对光子晶体光纤采用传统保偏光纤获得高双折射的方法，将光子晶体光纤与熊猫型保偏光纤相结合，从而实现高双折射。

(4)通过几种方法混合的方法，获得新型结构的高双折射光子晶体光纤，如在椭圆孔光子晶体光纤的纤芯周围引入大的空气孔来增加光纤的双折射等。

但是对于保偏的光子晶体光纤，引入形状双折射的缺点是对于较大直径的纤芯，其双折射值随着纤芯直径的增加下降很快，纤芯周围结构改变引起的双折射对于大模场面积光纤的双折射影响很小，因此，难以在大模场面积的光子晶体光纤中实现高双折射值。

发明内容