中央凹陷优化大模场面积光纤的计算与设计

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(安徽中医药大学数理教研室，安徽 合肥 230012)

0 引 言

非线性效应，如受激拉曼散射，受激布里渊散射总是被认为是传统阶跃型掺镱光纤激光器功率提升[1～6]的限制因素之一。考虑到非线性效应与光纤的模场面积成反比，因此设计良好的大模场光纤是高功率光纤激光器的发展所急需的。

为了抑制非线性效应，一些新的光纤设计最近被提出以扩大基模有效模场面积[1～5]。这些设计可大致分为两类:非圆型(如:光子晶体光纤)[2]和圆柱形对称(如布拉格光纤[3]、单槽光纤[5]、多槽光纤)[6]。由于毛细的堆积和拉制过程[2]，非圆对称光纤预制棒的制备比阶跃型光纤更复杂。与传统的阶跃型光纤不同，制备一些圆柱形对称光纤，如布拉格纤维、单沟槽光纤和多槽光纤是非常困难的，因为需要额外的沉积层来形成一个精确的多层折射率剖面。此外，这些新设计的光纤与阶跃型光纤之间存在着显著的不匹配，从而形成一个不匹配的连接点，可能导致一些严重的问题，如熔接损耗、自聚焦烧毁和光束质量恶化[1～6]。最新提出的另一种方法则是用中央折射率凹陷的大模场面积阶跃型光纤来扩展有效模场面积以抑制光学非线性和避免自聚焦烧毁。

1 模拟实验

为了在扩大有效模场面积的同时防止焊点的模场失配，用模拟软件OptiFiber对20/400um中央折射率凹陷的阶跃型光纤进行了数值优化。在目标光纤芯中有一个中心凹陷,设置中央凹陷的直径为5μm，深度Δn2为0.0003和0.0005进行数值模拟。

2 实验结果与分析

图1(a)显示了带有中央折射率凹陷的20/400μm阶跃型光纤的折射率分布。中央凹陷的直径为5μm，深度Δn2为0.0003μm和0.0005μm的光纤在表1中标记为光纤B和光纤C。结果表明，当凹陷的直径和深度分别超过5μm和0.0005时，光纤芯的泄漏光很容易产生。且光-光转换效率明显地降低了，相应的光束质量也变差了。建议使用光纤芯为20μm的和包层为400μm的光纤，即20/400μm。如图1所示，该光纤的数值孔径是0.06，与传统的阶跃型光纤相一致，其芯-包层的折射率差为～0.00125，近年来研究人员经常使用这种光纤。

表1总结并比较了阶跃型光纤(光纤A )和中央折射率凹陷光纤的模拟结果。传统的20/400 μm 阶跃型光纤被广泛应用于高功率[7]的传输，因为它有大约263.89μm2的基模有效模场面积。如表1所示，增加中央凹陷的深度Δn2，导致了更大的光纤模场直径和有效面积。对于光纤C，LP01模式的有效模场面积高达295.59μm2，这相当于有效模场直径为19.40μm，比传统的阶跃型光纤高出12%。为实现单模运转，采用了弯曲选模方法，并计算了相应的弯折损耗。弯曲直径分别设置为100 mm、150 mm、200mm，以确保在1064 nm LP01的损耗小于0.001 db/m，而LP11模损耗高于0.1 dB/m。然而，考虑到直径小于100mm无法防止976 nm泵浦光泄漏，导致光纤激光系统出现严重的热问题。因此，光纤C只有在维持100-150mm弯曲直径的时，才能实现单模激光运转。

图1 (a)中央折射率凹陷的20/400μm阶跃型光纤和(b)传统的阶跃型光纤的折射率分布

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 结 语

综合比较，用中央折射率凹陷的20/400μm阶跃型光纤，并对其进行数值计算以扩大模场面积。数值模拟结果表明，中央凹陷使LP01模式的有效面积从263.89μm2增加到295.59μm2。在100mm-1500mm的弯曲直径下，1064nm处基模LP01的弯曲损耗约0.001 db/m，而更高阶模式LP11的弯曲损耗则大于0.1 dB/m。结果表明，有中央折射率凹陷的20/400μm 阶跃型光纤适用于高功率光纤激光器。

参考文献:

[1] 胡姝玲, 张春熹, 高春清,等. 包层抽运掺镱光纤激光器中受激拉曼散射和受激布里渊散射效应[J]. 中国激光, 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. 国产20/400μm规格有源光纤实现3kW激光输出[J]. 中国激光, 2017(1):285-285.