一種雙包層有源光纖及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及摻稀土光纖、光纖激光傳輸與放大領域，具體涉及一種雙包層有源光纖及其制造方法。
【背景技術】
[0002]光纖激光器是采用光纖作為光纖介質的激光器，光纖激光器以其高轉換效率、良好散熱性能和穩定性的特點，已成為激光器應用領域的主流激光器之一。
[0003]隨著激光器應用領域的不斷擴展，用戶對光纖激光器輸出功率的需求越來越高。目前，人們一般采用大模場面積光纖來提升光纖激光器的輸出功率，由于模場光纖纖芯中的激光模式振蕩會造成光束質量下降；因此為了優化光束質量，通常采取降低光纖纖芯的數值孔徑的方式，但光纖纖芯數值孔徑下降會造成光纖光束縛能力下降，不利于光纖彎曲使用，且現有工藝水平能夠實現的數值孔徑降低幅度有限。
[0004]隨著時代的進步，人們發現在有源光纖纖芯附近設計一定的波導結構(雙包層有源光纖)，在能夠實現大模場面積光纖特性的同時，實現激光光纖的單模輸出。
[0005]現有的雙包層有源光纖通常采用圓形波導作為高階模耦合泄漏的波導(即衛星纖芯)；由于衛星纖芯需要與有源光纖纖芯有一定間距，因此衛星纖芯在制備過程中，對有源光纖預制棒上鉆孔的直徑與深度有較高要求，進而使得衛星纖芯的設計靈活性收到較大的限制。與此同時，衛星纖芯的孔徑會導致直徑較小，進而造成光纖預制棒的加工比較困難，加工精度會下降。
【發明內容】
[0006]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種雙包層有源光纖及其制造方法。本發明不僅加工精度高，加工工藝比較穩定，而且制造難度較低，工作效率較高，適合大批量、規模化生產。通過本發明的方法制造雙包層有源光纖時，能夠比較容易使環形波導纖芯環繞于石英纖芯周圍，環形波導纖芯的位置控制難度較低，加工過程比較簡單，雙包層有源光纖的光學性能和可靠性均較好。
[0007]為達到以上目的，本發明提供的雙包層有源光纖的制造方法，包括以下步驟:
[0008]S1:制備雙包層有源光纖的預制棒芯棒，將預制棒芯棒與石英進行加工，形成光纖預制棒前驅體；所述預制棒前驅體包括石英纖芯，石英纖芯中摻雜有Yb、Tm、Ho、F、P和Ge中的至少一種元素；所述石英纖芯的數值孔徑為0.05?0.15，石英纖芯的外部覆有直徑為30mm?200mm的石英包層；所述石英包層的直徑與石英纖芯直徑的比值為10?40，轉到步驟S2 ；
[0009]S2:對石英包層進行石英冷加工，得到D形或正多邊形的石英包層；通過數控機床對石英包層進行鉆孔，得到圓孔，圓孔和石英纖芯的間距，與石英纖芯半徑的比為0.1?4.0，轉到步驟S3 ；
[0010]S3:制備環形波導預制棒，環形波導預制棒包括環形波導纖芯、石英外包層和石英內包層；環形波導纖芯的折射率高于石英外包層和石英內包層；環形波導纖芯與石英外包層折射率差的百分比為0.1%?1.1% ;環形波導纖芯的厚度與石英包層的直徑比為
0.2?1.5 ;對石英外包層進行加工，使得石英外包層與預制棒前驅體的圓孔的配合公差小于0.3mm，轉到步驟S4 ；
[0011]S4:將環形波導預制棒組裝至光纖預制棒前驅體的圓孔，形成有源光纖預制棒，轉到步驟S5 ；
[0012]S5:在拉絲速度為1.5m/min?20m/min，拉絲張力為40g?150g的條件下，將有源光纖預制棒進行拉絲；在拉絲過程中，以lr/min?180r/min的速度旋轉有源光纖預制棒，將環形波導預制棒螺旋環繞于石英纖芯周圍，每米石英纖芯上環繞有0.5?120個螺旋；在拉絲和旋轉后的有源光纖預制棒外部，依次涂覆低折射率涂層和光纖外涂敷層，形成雙包層有源光纖；所述低折射率涂層的折射率低于石英包層，低折射率涂層在633nm的折射率為 1.33 ?1.38。
[0013]在上述技術方案的基礎上，步驟SI中制備雙包層有源光纖的預制棒芯棒時，采用改進的化學汽相沉積法MCVD或者等離子體激活化學汽相沉積法PCVD的方法。
[0014]在上述技術方案的基礎上，步驟SI中將預制棒芯棒與石英進行加工時，加工方式為沉積包層或者配合石英管材熔縮，沉積包層的方式為棒外化學汽相沉積法OVD或者等離子體氣相沉積法。
[0015]在上述技術方案的基礎上，步驟S2中得到圓孔之后，還需要對圓孔進行拋光。
[0016]在上述技術方案的基礎上，步驟S3中制備環形波導預制棒時，采用MCVD、PCVD或者OVD的方法。
[0017]在上述技術方案的基礎上，步驟S3中對石英外包層進行加工包括以下步驟:采用外圓磨的方法磨削石英外包層的厚度后，對石英外包層進行拋光。
[0018]在上述技術方案的基礎上，步驟S5中所述雙包層有源光纖的輸出光束質量小于
1.2，基模損耗小于0.5dB/m，高階模損耗大于100dB/m。
[0019]本發明提供的基于上述制造方法的雙包層有源光纖，所述雙包層有源光纖包括由內至外依次設置的石英纖芯、石英包層、低折射率涂層和光纖外涂敷層；所述石英包層為D形或者正多邊形；所述低折射率涂層的折射率低于石英包層，低折射率涂層在633nm的折射率為1.33?1.38 ;
[0020]所述石英包層內設置有環形波導纖芯，環形波導纖芯螺旋環繞于石英纖芯周圍，每米石英纖芯上環繞有0.5?120個螺旋。
[0021]在上述技術方案的基礎上，所述雙包層有源光纖的輸出光束質量小于1.2，基模損耗小于0.5dB/m，高階模損耗大于100dB/m。
[0022]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0023](I)與現有技術中側面開槽配合環形波導光棒組合的方式相比，本發明通過現有熊貓型保偏光纖通用的數控機床與工藝，在有源光纖預制棒的石英包層上沿徑向開圓孔，將具備環形波導結構的預制棒嵌入圓孔內，不僅加工精度高，加工工藝比較穩定，圓孔內引入的雜質含量較少，而且加工過程比較容易，制造成本較低；制造出的雙包層有源光纖的可靠性和工藝穩定性均能夠顯著提高。
[0024]與此同時，由于本發明開圓孔時不破壞光纖預制棒外部的幾何結構，因此不存較高精度的工件配合問題，進而使得后續對石英包層光棒進行加工時(加工為D形或者正多邊形)，會顯著提高加工精度和可靠性。
[0025](2)與現有技術中的衛星纖芯相比，本發明的環形波導纖芯制備比較容易，在環形波導預制棒的過程中，只需要對環形波導預制棒的石英外包層進行加工(磨削)，不需要進行復雜的正多邊形磨削，磨削的工作量與要求顯著降低。因此，通過本發明的方法制造雙包層有源光纖時，不僅制造難度較低，而且工作效率較高，適合大批量、規模化生產。
[0026](3)本發明將環形波導預制棒嵌入圓孔后，環形波導預制棒的環形波導纖芯，始終與有源光纖纖芯(石英纖芯)保持固定的距離、且共面(兩個圓形邊緣距離不變)，進而使得環形波導預制棒在拉絲時，環形波導纖芯能夠按照需求準確的環繞于石英纖芯周圍。
[0027]進一步，因為環形波導預制棒靠近石英纖芯，所以環形波導纖芯與石英纖芯之間的距離較短，便于拉絲。因此，通過本發明的方法制造雙包層有源光纖時，能夠比較容易使環形波導纖芯環繞于石英纖芯周圍，環形波導纖芯的位置控制難度較低，不僅加工過程比較簡單，而且加工精度較高。
[0028](4)通過本發明的制造方法制得的雙包層有源光纖，包括環形波導纖芯，由于環形波導的面積明顯大于現有技術中的圓形波導，因此雙包層有源光纖的耦合效率會顯著提高；雙包層有源光纖的輸出光束質量小于1.2，基模損耗小于0.5dB/m，高階模損耗大于100dB/m ;雙包層有源光纖的光學性能和可靠性均較好。
【附圖說明】
[0029]圖1