纖芯-包層同心度誤差

雙包層(double-clad，DC)光纖結(jié)構(gòu)中，纖芯被直徑更大的多模(multimode)內(nèi)包層包裹，泵浦光通過內(nèi)包層傳送，泵浦源可以使用功率較高相對(duì)成本較低的多模泵浦源。雙包層光纖的出現(xiàn)，光纖激光器和光纖放大器可以產(chǎn)生更高的平均功率和脈沖能量。

雙包層光纖的結(jié)構(gòu)與內(nèi)包層設(shè)計(jì)

一種典型的雙包層光纖的結(jié)構(gòu)，如上圖所示，雙包層光纖由四層構(gòu)成，分別為光纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層，纖芯是由摻稀土元素的 SiO2 構(gòu)成，它作為激光的傳輸通道，對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)成單模，以保證輸出激光是基橫模。包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的 SiO2 構(gòu)成，它是泵浦光傳輸通道，對(duì)泵浦光是多模的。

一般內(nèi)包層可以做成各種形狀，有圓形的、方形的、矩形的，泵浦光在不同形狀的內(nèi)包層中傳輸時(shí)，纖芯對(duì)泵浦光的吸收率不同。外包層是由折射率比內(nèi)包層小的聚合物材料構(gòu)成，這樣在內(nèi)包層和外包層之間形成了一個(gè)大截面、大數(shù)值孔徑的光波導(dǎo)，它可以允許大數(shù)值孔徑、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纖中。最外層是硬塑料，用來保護(hù)光纖。雙包層光纖與傳統(tǒng)的單模光纖的區(qū)別在于:通過光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇合適的材雙包層鉺鐿共摻光纖放大器的研究料，緊靠纖芯的內(nèi)包層折射率高于外包層折射率，從而在單模纖芯外面形成允許在其中傳輸高功率多模泵浦光的內(nèi)包層。當(dāng)泵浦光沿內(nèi)包層縱向傳播時(shí)，將多次穿越纖芯，從而激發(fā)稀土離子產(chǎn)生激光效應(yīng)。由于允許包層中泵浦光多模傳輸，所以對(duì)泵浦源的要求大大降低，可以選擇相對(duì)便宜的多模激光二極管進(jìn)行泵浦，同時(shí)由于內(nèi)包層具有較大橫截面積和數(shù)值孔徑，所以大大提高了入纖泵浦功率和耦合效率。

內(nèi)包層形狀對(duì)光纖的泵浦效率有著重要影響。由于內(nèi)包層是泵浦光的多模波導(dǎo)，泵浦光必須多次穿過纖芯才能被稀土離子吸收。內(nèi)包層的形狀影響著泵浦光的吸收從而影響著泵浦耦合效率。

大多數(shù)雙包層光纖都是圓對(duì)稱形的，它有以下優(yōu)點(diǎn):一是不需要對(duì)預(yù)制棒做光學(xué)機(jī)械加工使工藝更加簡(jiǎn)單，二是當(dāng)泵浦源為帶尾纖的 LD，圓形石英包層之間的尺寸匹配易于耦合連接。但是也有一個(gè)的缺點(diǎn):圓對(duì)稱特性會(huì)使內(nèi)包層中大量的泵浦光成為螺旋光，只有子午光線與纖芯相交，而偏射光線由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的對(duì)成性，呈螺旋型傳導(dǎo)，從不穿過纖芯，所以泵浦效果很低。在傳輸?shù)倪^程中不經(jīng)過摻 Yb3+的纖芯，從而大大降低了纖芯對(duì)泵浦光的利用效率。

為了克服這個(gè)缺陷，需要開發(fā)新型的內(nèi)包層截面。在各種改進(jìn)的泵浦方案中，有的采用雙包層光纖直接與半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面或陣列耦合，有的與集成束狀的尾纖耦合，因此也需要研制具有特殊形狀內(nèi)包層的雙包層光纖。為了提高對(duì)泵光的利用效率，并考慮到與具體的泵源形式相匹配，近幾年來人們開發(fā)出了多種內(nèi)包層截面形狀的雙包層光纖，用于各種包層泵浦光纖激光器的研制工作中，取得了很好的效果。

泵浦光在這些有不同形狀內(nèi)包層的雙包層光纖中傳輸時(shí)，纖芯中的稀土元素對(duì)泵光吸收率有很大不同。一般認(rèn)為，矩形雙包層光纖具有較大的吸收率，理論上可達(dá)到 100%的吸收。圓形的雙包層光纖，光纖的曲率對(duì)吸收率的影響非常大，而對(duì)矩形雙包層光纖，光纖的曲率對(duì)吸收率的影響非常小。還有內(nèi)包層尺寸對(duì)泵浦光耦合效率的影響，激光吸收效率的影響。

內(nèi)包層的設(shè)計(jì)主要集中在 3 點(diǎn):包層形狀、幾何尺寸和數(shù)值孔徑。為了提高泵浦效率，包層形狀設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮光纖的用途及泵浦條件，小芯徑光纖的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮泵浦光耦合、連接損耗等問題，同時(shí)應(yīng)避免包層形狀中出現(xiàn)尖銳的曲線，避免降低光纖的強(qiáng)度。對(duì)于一定的泵浦光，增大內(nèi)包層幾何尺寸和數(shù)值孔徑有利于其耦合和傳輸，特別是增大數(shù)值孔徑，內(nèi)包層可傳輸泵浦功率將以平方增長(zhǎng)。但是，無論內(nèi)包層形狀如何設(shè)計(jì)，增加其橫截面積，也就是減小纖芯和內(nèi)包層的面積比終究會(huì)減少對(duì)泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同時(shí)，對(duì)光纖的泵浦波段 ASE噪聲產(chǎn)生很大影響。