高效提升拉曼散射反Stokes效率的新型光纤及大面积有源光纤的研制

The high-precision distributed temperature measurement can be achieved by measuring spontaneous Raman scattering Anti-Stokes in a single-mode fiber. As the fiber core is relatively small(8-10um), the input power is limited by nonlinearity of fiber while monitoring the temperature for long distance. For our proposed large-mode-area optical fiber, the power of Raman scattering will be enhanced more than 10 times, which not only improve the signal to noise ratio but also reduce the complexity and cost. To avoid the nonlinear effects, especially stimulated Raman scattering, a large-mode-area single-mode operation is needed for high-power fiber lasers. The mode area of this proposed single-mode doped fiber can be far above 500um2. Based on the analysis and design of large-mode-area single-mode fibers, we will explore the manufacturing process, achieve an optimum project of fabrication, and we will finally obtain passive or active fibers. This work is of significance for distributed temperature measurement and high-power fiber lasers.

利用单模光纤中自发拉曼散射所产生的反斯托克斯光可以实现高精度的分布式温度测量。但是由于单模光纤的芯径较小，使其输入光功率受到极大的限制，使长距离的温度测量遇到了无法逾越的障碍。本项目研制的高效提升拉曼散射功率的大模场面积新型光纤，其反斯托克斯光功率可以提高10倍以上，这将会使测温系统的信噪比大大提高，同时降低了信号处理的复杂性和成本。为了避免受激拉曼散射等非线性效应，高功率光纤激光器也需要在单模条件下保持大模场面积。本项目研制的稀土掺杂单模光纤模场面积预计将远在500um2以上。本项目通过对大模场面积光纤的理论分析与设计，探索光纤制造新工艺，得到优化的大模场面积单模光纤研制方案，研制出实用化的大模场面积无源及有源光纤。本项目研制的光纤对促进分布式温度传感以及高功率光纤激光器等领域的发展具有重要意义。

本项目系统研究了用于高效提升反Stokes光效率的新型光纤。这一传感光纤对于超长距离、超高空间分辨率的分布式光纤温度传感具有重要应用价值。传统单模光纤纤芯尺寸限制了输入光的功率，本项目提出的多层芯高掺杂大模场面积光纤可以有效解决这一问题。对于大模场面积光纤，随着模场面积的增加，弯曲损耗也迅速增加。针对这一难题，我们研究了大漠场面积有源和无源光纤及光纤弯曲性能的改善问题。 针对本项目拟解决的关键科学技术问题，经过四年的研究探索，取得如下成果：.1. 研制成功多层芯抗弯损大有效面积单模光纤，获得了单模条件下236um2的有效面积，其弯曲损耗（0.0146 dB/turn @ R = 20mm  = 1550nm）得到了很好的控制。这一结果是当时报道的弯损优化光纤所获得的最大值。这一成果对分布式自发拉曼散射光纤温度传感系统具有重要应用价值。.2.研制成功铒镱共掺型有源大模场面积抗弯损单模光纤，利用下陷内包层技术研制成功了有效面积约为164um2的单模铒镱共掺光纤，其弯损在1550nm波长经测试为0.06dB/loop（弯曲半径为10mm），这一弯损远低于标准单模光纤的弯损（约2个量级）。.3.研制成功低串扰型均匀七芯光纤。对其串扰进行了系统研究，研究表明实验结果与理论结果一致。.4.提出了一种高效提升反Stokes效率的新型光纤，在多层芯抗弯损大有效面积单模光纤的基础上，加大锗的参杂量，同时参氟，将折射率差控制在0.35%左右，面积增大3-4倍，加上锗参杂量的提高，从而提升反Stokes效率。.5提出了一种基于强耦合多芯结构的新型孔辅助大模场光纤HA-SC-MCF。可实现单模传输、大模场面积、低弯曲损耗的性能集成，也可实现少模传输，应用于模分复用光传输系统中。.6.在低折射率多层沟壑型光纤(MTF)的基础上,提出了一种改进型MTF光纤. 此光纤在原MTF的两个方向增加了两个泄漏通道，从而具有模场面积扩展，高阶模抑制，弯曲免疫的优点。.7.对于大模场面积光纤与单模光纤的熔接，采用了大模场光纤拉锥或对单模光纤放电两种方法，使损耗从3db降到1db。.8.发表论文 SCI 18 篇 EI 1篇。.9.申请专利一项。