專利名稱：釹離子摻雜單模光子晶體光纖及調(diào)整發(fā)光光譜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體光纖，特別是一種釹離子摻雜單模光子晶體光纖及調(diào)整發(fā)光光譜的方法。釹離子發(fā)光光譜在該光纖中隨泵浦光入射角度的變化(泵浦光相對(duì)于光纖軸線角度)可調(diào)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光纖技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了光纖放大器和光纖激光器的發(fā)展。稀土摻雜有源光纖廣泛用于光放大和激光領(lǐng)域。傳統(tǒng)的有源光纖大致有普通階躍型和雙包層型。光纖激光器和光纖放大器應(yīng)用領(lǐng)域中，單模光纖優(yōu)于多模光纖。但是傳統(tǒng)的光纖可以支持單模運(yùn)轉(zhuǎn)的波段比較窄。通?？梢酝ㄟ^(guò)降低纖芯的直徑來(lái)使得單模運(yùn)轉(zhuǎn)波段變寬，但是，這樣會(huì)使得光纖容易產(chǎn)生非線形效應(yīng)導(dǎo)致可以承載的光功率大幅度降低。此外，傳統(tǒng)稀土有源光纖可用的發(fā)光波長(zhǎng)或發(fā)光波段比較少，主要工作介質(zhì)有工作于光通訊窗口(C+L波段)的鉺離子摻雜光纖，工作于1064nm的釹離子摻雜光纖和1046nm的鐿離子摻雜光纖。盡管還有工作于光通訊窗口S波段的摻銩光纖和O波段的摻鐠光纖，但它們都是基于多組分玻璃，比如氟化物玻璃，硫化物玻璃，碲酸鹽玻璃等，其應(yīng)用前景受到限制。
克服利用傳統(tǒng)光纖不能在較寬波段內(nèi)保持光信號(hào)單模的難題近年來(lái)隨著大芯徑有效折射率型光子晶體光纖的發(fā)明找到了解決的希望(Knight J C，Birks T A，Russell P St J，and Atkin D M 1996 Opt.Lett.21 1547，專利公開(kāi)號(hào)CN 1269020A)。光子晶體光纖由纖芯和包含有有序排列的空氣柱的包層組成。在有效折射率型光子晶體光纖中，空氣孔降低了包層的有效折射率，因而，光能夠被全反射機(jī)制限制在折射率相對(duì)較高的纖芯中傳播。這種光子晶體光纖具有傳統(tǒng)光纖所不具有的許多性質(zhì)，比如，無(wú)休止波段范圍單模傳輸，大模面積，反常色散等。所謂無(wú)休止波段范圍單模傳輸是指在光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)的光在光子晶體光纖中傳輸時(shí)保持單模。無(wú)休止波段范圍單模傳輸和大模面積這些性質(zhì)使得有源摻雜光子晶體光纖可以很方便地被應(yīng)用到高功率單模光纖激光器和光纖放大器中去(J.Limpert，T.Schreiber，S.Nolte，H.Zellmer，A.Tünnermann，etc.Opt.Exp.11 818)。
盡管光子晶體光纖的出現(xiàn)為解決單模與大芯徑的兩難問(wèn)題提供了有效的途徑，但是，現(xiàn)有可實(shí)用波長(zhǎng)和波段的光子晶體光纖仍然不能滿足激光器和放大器領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需要。主要有摻鐿雙包層光子晶體光纖，摻鉺光子晶體光纖，以及摻釹光子晶體光纖等，上述稀土離子在這些光纖中的發(fā)光光譜相對(duì)于在傳統(tǒng)光纖中的發(fā)光光譜而言，發(fā)光峰位置和各發(fā)光峰之間的相對(duì)強(qiáng)度并沒(méi)有明顯變化，因而難以用來(lái)開(kāi)發(fā)出新的工作波長(zhǎng)的激光器和新的工作波段的放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種釹離子摻雜單模光子晶體光纖及調(diào)控發(fā)光光譜的方法，利用本發(fā)明的光子晶體光纖，在特定的泵浦條件下，通過(guò)改變泵浦光耦合進(jìn)入光纖的角度，在保持光纖的寬波段單模運(yùn)轉(zhuǎn)和大模面積性質(zhì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖芯摻雜釹離子的熒光發(fā)光行為進(jìn)行調(diào)控，以及對(duì)各發(fā)射主峰的強(qiáng)度加以抑制或者增強(qiáng)。具體而言就是設(shè)計(jì)這種光纖的多層結(jié)構(gòu)，使得這種結(jié)構(gòu)的光纖在一定泵浦條件下可以抑制住三價(jià)釹離子位于1.064μm附近的4F3/2→4I11/2躍遷帶的最強(qiáng)峰，而將0.90μm附近的4F3/2→4I9/2躍遷帶的熒光峰增強(qiáng)為最強(qiáng)峰，并調(diào)節(jié)入射光的角度實(shí)現(xiàn)寬范圍可調(diào)諧；同樣也能夠?qū)?F3/2→4I15/2躍遷的很弱的熒光峰增強(qiáng)為最強(qiáng)峰；此外還能夠?qū)?F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2(位于1330附近)發(fā)射帶內(nèi)的主峰位置調(diào)節(jié)到帶尾；此外還可以使得4F3/2→4I13/2躍遷的熒光帶寬變寬，熒光強(qiáng)度變得扁平。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其基本結(jié)構(gòu)由纖芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)以及外包層區(qū)所組成，纖芯區(qū)由釹離子摻雜的透明均勻玻璃組成，內(nèi)包層區(qū)由多層透明均勻圓柱狀材料沿光纖橫截面在另一種透明均勻玻璃中周期性排列形成，外包層區(qū)由第三種透明均勻玻璃組成，所述纖芯區(qū)材料的折射率n1等于內(nèi)包層區(qū)中包圍圓柱材料的透明均勻玻璃的折射率n2，外包層區(qū)的透明均勻玻璃的折射率n4僅大于內(nèi)包層區(qū)中的透明均勻圓柱狀材料的折射率n3。
所述的纖芯區(qū)的形狀為圓柱狀，直徑不小于30微米。
所述的纖芯至少占據(jù)一個(gè)圓柱狀材料的位置。
所述的圓柱狀材料在內(nèi)包層區(qū)透明均勻玻璃中的排列方式為六角型周期性排列。
所述的內(nèi)包層區(qū)圓柱狀材料的直徑不超過(guò)4微米。
所述的內(nèi)包層區(qū)中相鄰兩圓柱狀材料的柱心到柱心之間的距離不超過(guò)15微米。
所述的內(nèi)包層區(qū)圓柱狀材料是水，或液晶，或低折射率的透明均勻玻璃。
所述的內(nèi)包層區(qū)包圍圓柱狀材料的透明均勻玻璃為摻雜釹離子的與纖芯玻璃組成一樣的玻璃。
所述的外包層區(qū)的透明均勻玻璃的折射率n4僅僅大于內(nèi)包層區(qū)中的透明均勻圓柱狀材料(3)的折射率n3。
利用所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖調(diào)控發(fā)光光譜的方法，其關(guān)鍵是調(diào)整注入該光纖端面的泵浦光的光軸與該光纖軸線的夾角和注入該光纖端面的泵浦光的功率，可以獲得新的發(fā)光光譜。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于傳輸光輻射的光纖的結(jié)構(gòu)以及采用特殊的泵浦光耦合方式。
本發(fā)明采用的泵浦光耦合方式為泵浦光經(jīng)顯微聚焦系統(tǒng)聚焦后以傾斜角度(泵浦光相對(duì)于光纖軸線的角度)聚焦在光纖端面進(jìn)行泵浦。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明光纖既可實(shí)現(xiàn)大模面積和單模傳輸，又能拓展出新的工作波長(zhǎng)和波段，開(kāi)發(fā)出更多的傳輸波段的光纖放大器和高功率、多波長(zhǎng)、寬調(diào)諧的光纖激光器。


圖1為本發(fā)明的光纖橫截面示意圖。
圖2為本發(fā)明光纖的泵浦光耦合光路圖。
圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例光纖在808納米半導(dǎo)體激光泵浦下，不同角度下的發(fā)射光譜。
圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例光纖在808納米半導(dǎo)體激光泵浦下，發(fā)射光譜中新出現(xiàn)的三個(gè)峰的熒光強(qiáng)度隨角度的變化情況的對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
參考圖1，圖1為本發(fā)明的光纖橫截面示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的光纖由四個(gè)部分組成，包括由釹離子摻雜透明均勻玻璃組成的纖芯區(qū)1，透明均勻圓柱狀材料3沿光纖橫截面排列在另一種透明均勻玻璃2中形成的內(nèi)包層和由第三種透明均勻玻璃組成的外包層4。纖芯區(qū)1材料的折射率n1大于內(nèi)包層區(qū)中包圍柱材料3的折射率n3和透明均勻玻璃2的折射率n2，外包層區(qū)4的透明均勻玻璃的折射率n4僅僅大于內(nèi)包層區(qū)中的透明均勻柱狀材料3的折射率n3。當(dāng)內(nèi)包層區(qū)圓柱狀材料3的直徑與最小柱間距的比值小于某常數(shù)值時(shí)，光纖在較寬波段內(nèi)滿足單模運(yùn)轉(zhuǎn)的條件。
參考圖2，圖2為本發(fā)明光纖的泵浦光耦合光路圖。利用所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖調(diào)控發(fā)光光譜的方法，其關(guān)鍵是調(diào)整注入該光纖端面的泵浦光的光軸與該光纖軸線的夾角和注入該光纖端面的泵浦光的功率，以獲得新的發(fā)光光譜。圖中一半導(dǎo)體激光器5發(fā)出的808nm波長(zhǎng)激光經(jīng)過(guò)顯微聚焦系統(tǒng)6聚焦后，其光束軸線與光纖軸線呈一傾角聚焦在光纖7的端面，聚焦光斑集中在纖芯8的端面區(qū)域，所發(fā)出的熒光為熒光光譜儀9所接收檢測(cè)。
實(shí)施例1
選用折射率為1.514和1.487的釹離子摻雜的和未摻雜的硅酸鹽玻璃。其中摻雜量為3.6wt％，這些玻璃經(jīng)機(jī)械切割，打磨，拋光后得到長(zhǎng)為200mm，直徑為20mm的硅酸鹽玻璃棒。然后，在這些玻璃棒的中間用機(jī)械鉆孔的方法鉆出直徑為8mm的通孔，形成玻璃管。利用普通的光纖拉絲機(jī)將這些玻璃管拉制成外徑為1mm，內(nèi)徑為0.4mm的毛細(xì)管。然后將其中的釹離子摻雜毛細(xì)管3手工堆積成六角型排列的直徑為12mm的多孔結(jié)構(gòu)，其中中間的7根毛細(xì)管用一根直徑為3mm的實(shí)心釹離子摻雜玻璃棒替代作纖芯1。然后在該多孔結(jié)構(gòu)的外面再套上一根內(nèi)徑為12mm，外徑為21mm的未摻雜硅酸鹽玻璃管4。該外套玻璃管4具有和摻雜玻璃相近的溫度—粘度變化，熱膨脹系數(shù)和玻璃轉(zhuǎn)變溫度，因而十分匹配。利用普通的光纖拉絲塔，最終可以得到幾百米長(zhǎng)度的外徑為250μm，芯徑為36μm，孔直徑為4μm，孔間距為10.6μm的光纖。
用模式分析儀測(cè)量顯示該光纖至少在660nm到1400nm波段是支持單模傳輸?shù)?，在端面的?qiáng)度分布為高斯分布。
在圖2所示裝置上，在808nm的半導(dǎo)體激光的激發(fā)下，通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦光耦合進(jìn)入光纖的角度進(jìn)行測(cè)量。其結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖3為本實(shí)施例光纖在808納米激光泵浦下，不同角度下的發(fā)射光譜。當(dāng)泵浦光相對(duì)于光纖軸線的角度增大時(shí)，在1062nm發(fā)射帶的尾端出現(xiàn)1136nm的發(fā)射峰，同時(shí)，在1330nm為中心的發(fā)射帶的前端和后端也出現(xiàn)了波長(zhǎng)為1294nm和1384nm的發(fā)射峰。
圖4為這三個(gè)峰的強(qiáng)度隨角度的變化情況的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)，在1384nm處的峰隨著角度的變化峰值變化很大，在18°角時(shí)，強(qiáng)度超過(guò)了1062nm處的主峰的強(qiáng)度1.3倍，而其它兩個(gè)新峰的變化幅度不大。
實(shí)施例2選用折射率為1.543和1.513的釹離子摻雜(摻雜量為3.6wt％)和未摻雜磷酸鹽塊狀玻璃。將這些玻璃加工成長(zhǎng)為200mm，直徑為20mm的磷酸鹽玻璃棒。在玻璃棒的中間用機(jī)械鉆孔的方法鉆出直徑為6mm的通孔，形成玻璃管。利用普通的光纖拉絲機(jī)將這些玻璃管拉制成外徑為1mm，內(nèi)徑為0.3mm的毛細(xì)管。然后將其中的釹離子摻雜玻璃毛細(xì)管手工堆積成六角型排列的外徑為12mm的多孔結(jié)構(gòu)，其中中間的7根毛細(xì)管用一根直徑為3mm的實(shí)心摻雜玻璃棒替代。然后在該多孔結(jié)構(gòu)的外面再套上一根內(nèi)徑為12mm，外徑為18mm的未摻雜磷酸鹽玻璃管4。該外套玻璃管4具有和摻雜玻璃相近的溫度—粘度變化，熱膨脹系數(shù)和玻璃轉(zhuǎn)變溫度。利用普通的光纖拉絲塔，最終可以得到幾百米長(zhǎng)度的外徑為180μm，芯徑為30μm，孔直徑為2.5μm，孔間距為9.5μm的光纖。
使用模式分析儀(BeamView AnalyzerEM(Coherent Inc.))測(cè)量該光纖的模式得知該光纖至少在408nm到1400nm波段是支持單模傳輸?shù)?，在端面的模式?qiáng)度分布為高斯分布。
采用808nm激光，從端面對(duì)一段1米長(zhǎng)的光纖進(jìn)行泵浦，另一端出射的光信號(hào)為光譜儀所接收。當(dāng)808nm激光以傾斜的角度入射時(shí)(相對(duì)于光纖軸線)，發(fā)現(xiàn)，從5度角開(kāi)始，以1330nm為中心的發(fā)射帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)端出現(xiàn)了波長(zhǎng)為1396nm的發(fā)射峰。尤其，當(dāng)入射角繼續(xù)增大到22度時(shí)，新的發(fā)射峰的強(qiáng)度也增大，最終在1396nm處的發(fā)射峰的強(qiáng)度甚至超過(guò)了1055nm處的強(qiáng)度，為該峰的1.3倍。此外在1396nm處的發(fā)射峰增強(qiáng)的過(guò)程中，位于900nm附近的熒光峰的強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，最終達(dá)到1055nm處的熒光峰的2.4倍而成為最強(qiáng)峰。
實(shí)施例3采用折射率為1.453和1.448的摻雜石英塊狀玻璃(摻雜量為1000ppm)和未摻雜石英塊狀玻璃。將這些石英玻璃加工成長(zhǎng)為200mm，直徑為20mm的玻璃棒。在一些摻雜玻璃棒的中間用機(jī)械鉆孔的方法鉆出直徑為4mm的通孔，形成玻璃管。利用普通的光纖拉絲機(jī)將這些玻璃管拉制成外徑為1mm，內(nèi)徑為0.2mm的毛細(xì)管。然后將這些毛細(xì)管手工堆積成六角型排列的多孔結(jié)構(gòu)，其中中間的7根毛細(xì)管用一根直徑為3mm的實(shí)心摻雜玻璃棒替代。然后在該多孔結(jié)構(gòu)的外面再套上一根內(nèi)徑為12mm，外徑為23mm的未摻雜石英玻璃管4。該外套玻璃管4具有和摻雜玻璃相近的溫度—粘度變化，熱膨脹系數(shù)和玻璃轉(zhuǎn)變溫度。利用普通的光纖拉絲塔，平衡預(yù)制棒的進(jìn)動(dòng)速度和拉絲溫度，最終可以得到幾百米長(zhǎng)度的外徑為250μm，芯徑為38μm，孔直徑為1.9μm，孔間距為15μm的光纖。
使用模式分析儀(BeamView AnalyzerEM(Coherent Inc.))測(cè)量該光纖的模式得知該光纖至少在408nm到1400nm波段是支持單模傳輸?shù)模诙嗣娴哪Ｊ綇?qiáng)度分布為高斯分布。
采用808nm激光，從端面對(duì)一段1米長(zhǎng)的光纖進(jìn)行泵浦，另一端出射的光信號(hào)為光譜儀所接收。當(dāng)808nm激光以傾斜的角度入射時(shí)(相對(duì)于光纖軸線)，發(fā)現(xiàn)，從7度角開(kāi)始，以1330nm為中心的發(fā)射帶的變得扁平，熒光帶寬變寬，當(dāng)入射角繼續(xù)增大到17度角時(shí)，該發(fā)射帶的帶寬可以達(dá)到150nm，從1280nm直到1435nm。此外，對(duì)應(yīng)于4F3/2→4I15/2躍遷的1830nm發(fā)射帶的峰值強(qiáng)度超過(guò)了4F3/2→4I11/2躍遷1064nm處的強(qiáng)度，為1064nm峰強(qiáng)度的1.8倍，成為最強(qiáng)峰。
權(quán)利要求
1.一種釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于它的基本結(jié)構(gòu)由纖芯區(qū)(1)和內(nèi)包層區(qū)(2，3)以及外包層區(qū)(4)所組成，纖芯區(qū)(1)由釹離子摻雜透明均勻玻璃組成，內(nèi)包層區(qū)由多層透明均勻圓柱狀材料(3)沿光纖橫截面在另一種透明均勻玻璃(2)中周期性排列形成，外包層區(qū)(4)由第三種透明均勻玻璃組成，纖芯區(qū)(1)材料的折射率n1等于內(nèi)包層區(qū)中包圍圓柱材料(3)的透明均勻玻璃(2)的折射率n2，外包層區(qū)(4)的透明均勻玻璃的折射率n4僅大于內(nèi)包層區(qū)中的透明均勻圓柱狀材料(3)的折射率n3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的纖芯區(qū)(1)的形狀為圓柱狀，直徑不小于30微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的纖芯(1)至少占據(jù)一個(gè)圓柱狀材料(3)的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的圓柱狀材料(3)在內(nèi)包層區(qū)透明均勻玻璃中的排列方式為六角型周期性排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的內(nèi)包層區(qū)圓柱狀材料(3)的直徑不超過(guò)4微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的內(nèi)包層區(qū)(2，3)相鄰兩圓柱狀材料(3)的柱心到柱心之間的距離不超過(guò)15微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的內(nèi)包層區(qū)的圓柱狀材料(3)是水，或液晶，或低折射率的透明均勻玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的內(nèi)包層區(qū)包圍圓柱狀材料(3)的透明均勻玻璃(2)為摻雜釹離子的與纖芯玻璃(1)組成一樣的玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖，其特征在于所述的外包層區(qū)(4)的透明均勻玻璃的折射率n1僅大于內(nèi)包層區(qū)中的透明均勻圓柱狀材料(3)的折射率n3。
10.利用權(quán)利要求1所述的釹離子摻雜單模光子晶體光纖調(diào)控發(fā)光光譜的方法，其關(guān)鍵是調(diào)整注入該光纖端面的泵浦光的光軸與該光纖軸線的夾角和注入該光纖端面的泵浦光的功率，以獲得新的發(fā)光光譜。
全文摘要
一種釹離子摻雜單模光子晶體光纖及調(diào)整發(fā)光光譜的方法，釹離子摻雜單模光子晶體光纖的基本結(jié)構(gòu)由纖芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)以及外包層區(qū)所組成，纖芯區(qū)由釹離子摻雜的透明均勻玻璃組成，內(nèi)包層區(qū)由多層透明均勻圓柱狀材料沿光纖橫截面在另一種透明均勻玻璃中周期性排列形成，外包層區(qū)由第三種透明均勻玻璃組成，所述纖芯區(qū)材料的折射率n
文檔編號(hào)G02B6/13GK1624504SQ20041009302
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者陳丹平, 楊旅云, 夏金安, 姜雄偉, 陳慶希, 朱從善, 邱建榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所