專利名稱：激光功率集成器及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光功率集成器，特別涉及應(yīng)用于光纖激光器和放大器或激光多路傳輸?shù)募す夤β始善鞯慕Y(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
光纖激光器是近幾年激光領(lǐng)域人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一，特別是應(yīng)用到光纖通信窗口的1.55μm波長的光纖激光器以及應(yīng)用于軍方和工業(yè)加工的1.08um波長高功率光纖激光器的發(fā)展更為迅猛。
當(dāng)前，國內(nèi)外業(yè)界對光纖到家庭(FTTH)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用熱情日益高漲，F(xiàn)TTH是20年來人們不斷追求的夢想和探索的技術(shù)方向，但由于成本、技術(shù)、需求等方面的障礙，至今還沒有得到大規(guī)模推廣與發(fā)展。但是FTTH網(wǎng)要想同目前大范圍應(yīng)用的DSL相抗衡，其價格成本是非常關(guān)鍵的。開發(fā)超大激光功率耦合組件以及配套的高功率光纖放大器在FTTH系統(tǒng)整體成本比采用市場普通的摻鉺光纖放大器多級放大成本有大幅度下降。目前超大功率光纖放大器常用的技術(shù)方案是采用雙包層鉺鐿共摻光纖加上激光功率耦合組件和雙包層光纖光柵。
目前國內(nèi)外作為光通信光纖無源器件應(yīng)用的光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器，采用較為成熟的熔錐法生產(chǎn)，其工藝較為簡單，制作周期短，適于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制的半自動化生產(chǎn)。但是，這種用于通信的單模光纖定向耦合器是將一路和一路以上輸入光信號按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號中去。其原理決定其只能進(jìn)行對輸入信號光功率分配，因此輸出的信號光功率必定小于輸入最大信號的光功率，因而無法用于實(shí)現(xiàn)光功率的擴(kuò)展。在雙包層光纖側(cè)面泵浦耦合技術(shù)中，在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯，同時雙包層光纖的外包層也要去除露出內(nèi)包層，并且要使之能夠融合在一起。因此，這種雙包層熔錐側(cè)面功率集成器的制作工藝與單模光纖耦合器有很大不同。如果雙包層光纖的尺寸變大(例如直徑為400和650微米)則其工藝將發(fā)生較大變化。拉錐后在錐區(qū)的截面要與雙包層光纖匹配，從而保證較低的損耗。這種功率集成器的制作設(shè)備與常規(guī)單模光纖耦合器的制作設(shè)備相比也要進(jìn)行改進(jìn)。
中國專利1xN塑料光纖耦合器(申請?zhí)?00510025264.3，上海大學(xué))涉及一種1×N塑料光纖耦合器。它包括主塑料光纖和N個分支塑料光纖，N為大于2的自然數(shù)，主塑料光纖通過一個漏斗形波導(dǎo)件與N個分支塑料光纖相連接。該塑料光纖耦合器分光比均勻，插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，制備成本低，適合作塑料光纖網(wǎng)絡(luò)中的分波器或合波器。該專利產(chǎn)品由于采用塑料基質(zhì)，在損耗和耐熱性上都不及石英基質(zhì)材料，對高功率光纖激光器和放大器應(yīng)用有一定局限性。
美國朗訊公司在1999年授權(quán)的基本專利US5864644涉及的是包層泵浦耦合器件用熔錐光纖束，認(rèn)為降低器件損耗主要通過控制熔錐拉錐過程。更新的相關(guān)專利是美國相干公司的專利US2005/0031266 A1，涉及的是模復(fù)用光耦合器件。但不易于在制備工藝中的有效控制，不利于實(shí)現(xiàn)高傳輸效率和低插入損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種激光功率集成器及其實(shí)現(xiàn)方法，該激光功率集成器具有高的傳輸效率，可應(yīng)用于全光纖結(jié)構(gòu)的光纖激光器和放大器中，作為多路泵浦功率收集。也可以用于激光波長在400nm到2000nm的各類激光器激光輸出分路。
本發(fā)明主要涉及一種激光功率集成器，用于激光器光功率的傳輸，所述激光功率集成器是一種全光纖結(jié)構(gòu)，由兩部分組成光纖束1，由若干根一定直徑的光纖組成，其中一根在中間，其它幾根均勻密排分布在其周圍；雙包層光纖2；其中光纖束1一端通過加熱方式均勻拉錐成一定直徑的緊密結(jié)合的整體，并和所述雙包層光纖2的一端熔接在一起，熔接處的裸光纖部位用低折射率涂料涂覆。
本發(fā)明還涉及另一種激光功率集成器，用于激光器光功率的傳輸，其中該激光集成器由若干根光纖組成的光纖束1構(gòu)成，光纖束中心一根光纖是雙包層光纖，周圍均勻密排分布多模光纖，光纖束1拉錐到一定直徑后，形成光纖束中間緊密融合在一起并有錐區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過激光器熔化掉拉錐的直徑穩(wěn)定區(qū)和與該直徑穩(wěn)定區(qū)相連接的該光纖束未拉錐部分的交界處的多模光纖，保留光纖束中心部位的雙包層光纖。
本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)上述兩種激光功率集成器的方法，其中通過大直徑拉錐機(jī)拉錐對光纖束1進(jìn)行拉錐，所述拉錐過程可以通過可燃?xì)怏w火焰、電極放電、等離子或激光器的加熱方式來軟化光纖束本發(fā)明的有益效果有1.提供應(yīng)用于全光纖結(jié)構(gòu)的光纖激光器和放大器用的激光功率集成器；2.激光功率集成器的結(jié)構(gòu)有利于使得泵浦光在集成器中模式穩(wěn)定，最低限度降低包層模式損耗，實(shí)現(xiàn)高的傳輸效率和低的插入損耗；3.提供了實(shí)現(xiàn)激光功率集成器制作的相對簡易的方法。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的7×1激光功率集成器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的(6+1)×1激光功率集成器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另外一種激光功率集成器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的全光纖結(jié)構(gòu)脈沖激光器或放大器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的激光功率集成器應(yīng)用于全光纖結(jié)構(gòu)脈沖激光器或放大器示意圖。
具體實(shí)施例方式
首先詳細(xì)描述一下本發(fā)明的基本原理全光纖型激光器采用低功率的長壽命低價格的單條寬發(fā)光區(qū)多模泵浦激光器替代高功率多模泵浦激光器，降低有源區(qū)光功率密度、電流密度和有源區(qū)工作溫度對降低失效率有顯著意義。通過激光功率集成器將多個低功率的泵浦激光器集成進(jìn)有源雙包層光纖中，用雙包層光纖光柵替代體光學(xué)鏡片在有源雙包層光纖之間構(gòu)成光學(xué)諧振腔。另外一種采用主振蕩放大方式(MOPA)，即光纖放大器常用的放大原理，能嚴(yán)格將種子源光進(jìn)行原形放大，卻不改變激光波長、重復(fù)頻率、脈寬和脈沖波形。一般脈沖激光器采用MOPA方式，既可得到優(yōu)良的激光特性，又能大大提高輸出激光的亮度。對高功率光纖激光器來說，以上兩種技術(shù)都必須采用多個高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源，有利于提高光源的輸出模式，易于泵源的散熱提高壽命以及便于維修更換，均會應(yīng)用到本發(fā)明的激光功率集成器。
激光功率集成器最關(guān)鍵的技術(shù)是如何提高激光功率的傳輸效率，首先滿足以下關(guān)系D′·NAout≤∑Di·NAin∑Di≈N1/2·Di
式中，D′是功率集成器的輸出光纖直徑，NAout為輸出光纖的數(shù)值孔徑，Di為輸入光纖直徑，NAin為輸入光纖數(shù)值孔徑，N為光纖束中光纖的數(shù)目。拉錐過程有效控制，使得拉錐過程受熱均勻，避免出現(xiàn)不均勻結(jié)構(gòu)波動，是提高激光功率集成器傳輸效率的重要手段，本發(fā)明采用拉錐過程中光纖束旋轉(zhuǎn)，以及光纖束中的光纖承受一定的張力都是出于這個目的。
光纖束拉錐區(qū)分為直徑變化區(qū)和直徑穩(wěn)定區(qū)。直徑變化區(qū)太短，會導(dǎo)致泵浦光模式泄漏，造成插入損耗增加，并引起激光功率集成器的使用壽命減少，所以需要保證合適長度的直徑變化區(qū)，盡量降低模式損耗到最低值。選擇合適的直徑穩(wěn)定區(qū)，有利于進(jìn)一步保持泵浦光模式穩(wěn)定，并使得光纖束與輸出光纖的熔接損耗降低。
為了更詳細(xì)地說明本發(fā)明，下面將在附圖的基礎(chǔ)之上描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中附圖的數(shù)字標(biāo)識在所有附圖中是統(tǒng)一的。
附圖1所示是本發(fā)明激光功率集成器的第一個實(shí)施例，為功率集成器結(jié)構(gòu)示意圖。光纖束1有7根階躍型多模光纖01組成，中間一根，周圍均勻分布6根，附圖4中4A為7根多模光纖束剖面圖。多模光纖的芯徑均為105um，包層直徑均為125um，光纖束被拉錐后，和未摻雜稀土離子雙包層光纖2(以下均簡稱未摻雜雙包層光纖)熔接，未摻雜雙包層光纖的芯徑為10um，內(nèi)包層直徑均為200um，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46。
光纖束拉錐部分通過火焰加熱方式均勻拉錐成200um直徑的緊密結(jié)合的整體。直徑變化區(qū)11的長度大約控制在5mm到10mm范圍內(nèi)，直徑穩(wěn)定區(qū)12長度大約控制在2mm到5mm范圍內(nèi)，在直徑穩(wěn)定區(qū)12合適長度截斷并作端面處理，通過光纖熔接機(jī)，將其和上述規(guī)格未摻雜雙包層光纖熔接在一起。光纖束和未摻雜雙包層光纖熔接點(diǎn)3用折射率為1.37的光纖涂料涂覆，確保泵浦光被限制在光纖內(nèi)包層。
拉錐過程中光纖束旋轉(zhuǎn)，以保證光纖束受熱均勻。拉錐前或拉錐過程中光纖束扭轉(zhuǎn)，以保證光纖束緊密結(jié)合。同時光纖束中的光纖需要承受一定的張力來控制光纖束拉錐后直徑，光纖在拉錐過程中避免不穩(wěn)定拉錐造成集成器的附加損耗。
上述實(shí)施例得到的激光功率集成器的傳輸效率達(dá)到95％以上。
附圖2所示是本發(fā)明激光功率集成器的第二個實(shí)施例，附圖4中4B為實(shí)施例二光纖束剖面圖。光纖束1有7根光纖組成，中間一根為單模光纖010，周圍均勻分布6根階躍型多模光纖01，多模光纖用于傳輸泵浦光，單模光纖用于傳輸種子光。其中多模光纖的芯徑均為105um，包層直徑均為125um，單模光纖的芯徑為9um，包層直徑均為125um，光纖束被拉錐后，和未摻雜雙包層光纖熔接，未摻雜雙包層光纖的芯徑為10um，內(nèi)包層直徑均為200um，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46。
光纖束拉錐部分通過火焰加熱方式均勻拉錐成200um直徑的緊密結(jié)合的整體。直徑變化區(qū)11的長度大約控制在5mm到10mm范圍內(nèi)，直徑穩(wěn)定區(qū)12長度大約控制在2mm到5mm范圍內(nèi)，在直徑穩(wěn)定區(qū)12合適長度截斷并作端面處理，通過光纖熔接機(jī)，將其和上述規(guī)格未摻雜雙包層光纖熔接在一起。光纖束和未摻雜雙包層光纖熔接點(diǎn)用折射率為1.37的光纖涂料涂覆，確保泵浦光被限制在光纖內(nèi)包層。
拉錐過程中光纖束旋轉(zhuǎn)，以保證光纖束受熱均勻。拉錐前或拉錐過程中光纖束扭轉(zhuǎn)，以保證光纖束緊密結(jié)合。同時光纖束中的光纖需要承受一定的張力來控制光纖束拉錐后直徑，光纖在拉錐過程中避免不穩(wěn)定拉錐造成集成器的附加損耗。
上述實(shí)施例得到的激光功率集成器泵浦光的傳輸效率達(dá)到95％以上。種子光的傳輸效率達(dá)到85％以上。
附圖3所示為本發(fā)明的激光功率集成器的第三個實(shí)施例，采用的方法是將多模光纖附著在雙包層光纖內(nèi)包層，泵浦光通過多模光纖從側(cè)面耦合進(jìn)雙包層光纖，實(shí)現(xiàn)激光功率集成器無縫耦合，省略了光纖熔接損耗的影響，可極大地提高輸出功率。附圖4中的4C為實(shí)施例三光纖束剖面示意圖，本實(shí)施例中，光纖束有9根光纖組成，中間一根為未摻雜雙包層光纖2，周圍均勻分布8根階躍型多模光纖01，多模光纖用于傳輸泵浦光。其中多模光纖的芯徑均為105um，包層直徑均為125um，未摻雜雙包層光纖的芯徑為10um，內(nèi)包層直徑均為200um，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46。光纖束被拉錐后，拉錐的直徑穩(wěn)定區(qū)直徑為300um，拉錐的直徑穩(wěn)定區(qū)長度控制在約20mm的位置。用準(zhǔn)單模大功率激光器對準(zhǔn)拉錐的直徑穩(wěn)定區(qū)的末端和與其相連接的該光纖束未拉錐部分的交界處，小心地熔化并去掉多模光纖，在多模光纖熔斷處和雙包層光纖完全融合在一起，該光纖束交界處以外的多模光纖保留，形成的光纖如圖3所示。
拉錐部位用折射率為1.37的光纖涂料涂覆，確保泵浦光被限制在光纖內(nèi)包層。
拉錐過程中光纖束旋轉(zhuǎn)，以保證光纖束受熱均勻。拉錐前或拉錐過程中光纖束扭轉(zhuǎn)，以保證光纖束緊密結(jié)合。同時光纖束中的光纖需要承受一定的張力來控制光纖束拉錐后直徑，光纖在拉錐過程中避免不穩(wěn)定拉錐造成集成器的附加損耗。
上述實(shí)施例得到的激光功率集成器泵浦光的傳輸效率達(dá)到93％以上。
在這三個實(shí)施例中，未摻雜雙包層光纖都可以替換為摻稀土雙包層光纖。
上述實(shí)施例中，多模光纖的包層和芯層是石英材質(zhì)或者塑料材質(zhì)；摻稀土雙包層光纖的芯層是摻雜鉺、鐿、銩、釹、鐠等鑭系金屬離子；未摻雜雙包層光纖的包層和芯層是石英材質(zhì)或者塑料材質(zhì)。光纖束通過大直徑拉錐機(jī)拉錐進(jìn)行拉錐，拉錐過程可以通過可燃?xì)怏w火焰、電極放電、等離子或激光器等加熱方式來軟化光纖束。
附圖5為根據(jù)本發(fā)明制作的激光功率集成器應(yīng)用于脈沖光纖激光器中示意圖，還可應(yīng)用于連續(xù)光纖激光器和光纖放大器中。
雖然結(jié)合目前認(rèn)為最為實(shí)用和最佳的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，不過本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，還包括了所附權(quán)利要求精神和范圍所包括的引申含義和變化。
權(quán)利要求
1.一種激光功率集成器，用于激光器光功率的傳輸，所述激光功率集成器是一種全光纖結(jié)構(gòu)，由兩部分組成光纖束(1)，由若干根一定直徑的光纖組成，其中一根在中間，其它幾根均勻密排分布在其周圍；雙包層光纖(2)；其中光纖束(1)一端通過加熱方式均勻拉錐成一定直徑的緊密結(jié)合的整體，并和所述雙包層光纖(2)的一端熔接在一起，熔接處的裸光纖部位用低折射率涂料涂覆。
2.如權(quán)利要求1所述的激光功率集成器，其中所述光纖束(1)中的中間一根光纖是多模光纖或者單模光纖。
3.如權(quán)利要求1所述的激光功率集成器，其中所述雙包層光纖(2)是未摻雜雙包層光纖或者摻稀土雙包層光纖。
4.如權(quán)利要求2或3所述的激光功率集成器，其中所述光纖束(1)的拉錐區(qū)光纖間隙呈類三角形，直徑變化區(qū)(11)的長度不小于光纖束最大內(nèi)切圓直徑的10倍，直徑穩(wěn)定區(qū)(12)長度不小于光纖束最大內(nèi)切圓直徑的5倍。
5.一種激光功率集成器，用于激光器光功率的傳輸，其中該激光集成器由若干根光纖組成的光纖束(1)構(gòu)成，光纖束中心一根光纖是雙包層光纖，周圍均勻密排分布多模光纖，光纖束(1)拉錐到一定直徑后，形成光纖束中間緊密融合在一起并有錐區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過激光器熔化掉拉錐的直徑穩(wěn)定區(qū)末端和與其相連接的該光纖束未拉錐部分的交界處的多模光纖，保留光纖束中心部位的雙包層光纖。
6.如權(quán)利要求5所述的激光功率集成器，其中所述熔化的交界處不需要光纖熔接機(jī)熔接，拉錐區(qū)包裹在低折射率涂料中。
7.如權(quán)利要求6所述的激光功率集成器，其中所述雙包層光纖是未摻雜雙包層光纖或者摻稀土雙包層光纖。
8.如權(quán)利要求3或6所述的激光功率集成器，其中所述多模光纖的包層和芯層是石英材質(zhì)或者塑料材質(zhì)；摻稀土雙包層光纖的芯層是摻雜鉺、鐿、銩、釹、鐠的鑭系金屬離子；未摻雜雙包層光纖的包層和芯層是石英材質(zhì)或者塑料材質(zhì)。
9.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1或5所述的激光功率集成器的方法，其中通過大直徑拉錐機(jī)拉錐對光纖束(1)進(jìn)行拉錐，所述拉錐過程可以通過可燃?xì)怏w火焰、電極放電、等離子或激光器的加熱方式來軟化光纖束。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中還包括在所述拉錐過程中旋轉(zhuǎn)光纖束(1)，以保證光纖束受熱均勻，并且光纖束(1)中的光纖需要承受一定的張力。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中還包括拉錐前或拉錐過程中扭轉(zhuǎn)光纖束(1)，以保證光纖束緊密結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光纖激光器和放大器的激光功率集成器及其實(shí)現(xiàn)方法，該激光功率集成器有兩部分組成，一部分由若干一定直徑的光纖束(1)組成，另一部分由特定結(jié)構(gòu)的雙包層光纖(2)組成，光纖束(1)一端通過加熱方式均勻拉錐成一定直徑的緊密結(jié)合的整體。上述光纖束(1)處理過的一端和上述雙包層光纖的一端熔接在一起。光纖束(1)拉錐區(qū)需要控制合適的長度。拉錐過程中光纖束旋轉(zhuǎn)，光纖需要承受一定的張力。本發(fā)明涉及的另外一種結(jié)構(gòu)是，雙包層光纖外圍通過拉錐均勻附著多模光纖束，多束泵浦光可以通過多模光纖傳到雙包層光纖中。
文檔編號G02B6/255GK1996071SQ20071000003
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者蔣作文, 李進(jìn)延, 李詩愈, 余志強(qiáng), 嚴(yán)勇虎, 陳偉, 彭景剛, 李海清 申請人:烽火通信科技股份有限公司