CN101075005A - 用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，包括有多根多模光纤、双包层光纤、多个透镜，单模光纤等，其结构为：多根多模光纤围绕一根单模光纤的周边并与单模光纤轴向平行，共同组成输入端光纤束；输入端光纤束的另一端依次设置透镜及双包层光纤；其中，单模光纤的纤芯、双包层光纤的纤芯、透镜的中心均在同一轴线上形成系统光轴。本发明采用共焦双透镜实现将旁轴光束汇聚到双包层光纤截面尺寸以内的方法，实现了旁轴光束与近轴光束的同时高效耦合，适用于包层泵浦光纤放大器的多泵泵浦光和不同波长信号光的共路传输，制作工艺简单，不受信号光波长的限制，能应用于多种信号波长。

Description

用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器

技术领域

本发明涉及一种光纤合波器。特别是涉及一种微光学器件结构的多光纤合波器，可实现信号光合泵浦光的共路合波，适用于包层泵浦大功率光纤放大器的泵浦合波及放大信号传输的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器。

背景技术

采用大功率泵浦激光器泵浦激励是获得高功率光纤放大器的必然选择。虽然通过增加发射区面积的方法可以增大激光二极管的输出功率，但由于这种横向模结构是一种多模低相干激光，使之在单模体系的掺铒光纤放大器(EDFA)中应用受到限制。通过采用特殊的双包层铒镱共掺光纤，利用镱离子的高泵浦吸收效率和铒-镱能量转换机制，能将多模泵浦激光器能量转换为信号光能量，实现大功率的光信号放大。由于采用了包层泵浦方式，使得采用大功率的多模泵浦激光器成为可能，使得双包层结构的光纤放大器的输出功率获得很大的提高；另一方面，多模泵浦激光器在单位输出光功率成本方面较单模泵浦激光器有明显的优势，也使得双包层结构的光纤放大器在单位光功率成本上也比采用传统的EDFA占有优势。随着光纤CATV网络和FTTH网络的日趋普及，对高功率光纤放大器的需求正不断增加，与之相关的器件及模块化技术也处在不断地发展和完善之中。

在具体的包层泵浦光纤放大器实施过程中，如何将较大的泵浦激光器功率低损耗地注入到双包层增益光纤中的方法一直是一个重要的课题。采用光纤束熔融拉制工艺制作的光纤合波器是一种应用较为普遍的合波器，但是其存在着设备工艺复杂，器件价格昂贵的缺点；采用光纤微光学WDM合波器(US6278816/US6477301)虽然工艺简单，价格便宜，但却存在受单泵合波功率较小的限制，一种采用如图1a所示的多泵的光纤微光学WDM合波器在多泵合波方面已有改进(US6546169)，通过将传统的反射式泵浦合波改变为透射方式，大大增强了器件的灵活性，但这种光纤微光学WDM合波器仍要借助薄膜滤光片实现信号与泵浦光的合波，薄膜滤光片的功率承受能力及受波长限制的问题仍然使器件的制作工艺和应用受到一定限制。图1b是针对光纤激光器的一种光纤微光学结构的合波器(US6816652)采用了基于光纤束和微透镜的结构，工艺简单，但这种结构仍然有一些缺点，一是没有考虑信号光的传输，只能用于多泵浦激光器的合波，其二，对于光纤束多模泵浦光来说，单透镜结构在小截面光纤端面实现完全的注入需要较大孔径的透镜，导致器件体积庞大；第三，该器件在双包层光纤端采用的是倾斜平面结构，不利于将大数值孔径的光束变换成小数值孔径光束，耦合损耗不容易降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不需要采用薄膜滤光片即可实现不同波长信号的合波，多泵浦注入，可以适应多种波长通信信号放大的大功率的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器。

本发明所采用的技术方案是：一种用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，包括有多根多模光纤、双包层光纤、透镜和透镜，还设置有单模光纤，其结构为：多根多模光纤围绕单模光纤的周边并与单模光纤轴向平行，且与单模光纤共同组成输入端光纤束；输入端光纤束的另一端依次设置透镜、透镜及双包层光纤；其中，单模光纤的纤芯、双包层光纤的纤芯、透镜的中心、透镜的中心均在同一轴线上形成系统光轴。

所述的多模光纤围绕单模光纤的周围紧密对称排列。

所述的透镜和透镜为共焦的两个小孔径透镜，透镜的焦距小于透镜的焦距。

所述的双包层光纤的包层波导数值孔径大于多模光纤的数值孔径。

所述的双包层光纤的端面为拉锥透镜结构。

所述的透镜与双包层光纤之间还可设置一个窄带反射滤光片。

所述的窄带反射滤光片反射波段范围为1000～1100nm。

本发明的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，具有以下优点和积极效果：

①适用于多泵泵浦结构，制作工艺简单

②没有光纤合波器的信号光单模过渡结构，可以承受更大的信号光功率

③没有采用WDM实现泵浦光注入的反射或透射介质膜滤光片，结构简单且没有介质膜的功率限制，能应用于多种信号波长

④采用共焦双透镜可将系统光束孔径限制在尽可能小的范围内，实现尽可能的小型化；而且采用共焦双透镜系统对于双包层光纤的几何尺寸具有更强的适应性。

⑤采用拉锥结构的双包层光纤能够缩小进入双包层光纤的泵浦光数值孔径，提高耦合效率，另一方面，双包层光纤拉锥结构在反向泵浦结构中也能实现信号光的高效耦合。

附图说明

图1a、图1b是已有技术的光纤合波器结构示意图；

图2是本发明的光纤合波器结构示意图；

图3是本发明的光纤合波器光纤束截面结构示意图；

图4是本发明的光纤合波器的光路图；

图5是本发明的带有杂波卸载功能的光纤合波器结构示意图。

其中：

1：双包层光纤                   2：单模光纤

3：多模光纤                     4：透镜

5：透镜                         6：1550/960WDM滤光片

7：窄带滤光片

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器做出详细说明。

如图2所示，本发明的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，包括有多根多模光纤3、双包层光纤1、透镜4和透镜5，还设置有单模光纤2，其结构为：多根多模光纤3围绕单模光纤2的周边并与单模光纤2轴向平行，与单模光纤2共同组成输入端光纤束，所述的多模光纤3是围绕单模光纤2的周围紧密对称排列；输入端光纤束的另一端依次设置透镜4、透镜5及双包层光纤1；其中，单模光纤2的纤芯、双包层光纤1的纤芯、透镜4的中心、透镜5的中心均在同一轴线上形成系统光轴。其工作原理为：来自多根多模光纤3的泵浦光经过透镜4和透镜5后汇聚到铒-镱共掺双包层光纤1中，同时经过透镜4和透镜5将单模光纤2中的信号光路与铒-镱共掺双包层光纤1的单模光路连接起来。

上述的透镜4和透镜5为共焦的两个小孔径透镜，透镜5的焦距小于透镜4的焦距。而上述的双包层光纤1的端面为拉锥透镜结构。并且，双包层光纤1的包层波导数值孔径大于多模光纤3的数值孔径。

光纤合波器光纤束截面结构如图3所示，光纤束中心为一根单模光纤2，单模光纤2的周围紧密对称排列一根以上的多模光纤3，最多可有六根多模光纤3。单模光纤2与多模光纤3均为Φ125外径；铒-镱共掺双包层光纤通常为Φ125～130的外径。由于多模光纤3中传输的泵浦光为离轴光束，泵浦光经透镜4和透镜5后可汇聚在离轴的平面上，即输出端对应于双包层光纤1的包层区。而单模光纤2中的光束沿光轴传输，光束经透镜4和透镜5后可注入在双包层光纤1的纤芯。由单模光纤2和多模光纤3组成的光纤束通过透镜4和透镜5可以实现与双包层光纤1的光学连接。即：透镜4和透镜5将单模光纤2的端面成像于双包层光纤1的端面处，实现共轴光学连接；同时，透镜4和透镜5将多模光纤3的端面成像于双包层光纤1的内包层区域，实现非共轴连接。

本发明的光纤合波器结构中，透镜4的作用是将发散的泵浦光汇聚成一个近似平行的光束，透镜5是一个与透镜4共焦的透镜，其作用是将平行的泵浦光光束汇聚在近轴位置。为实现将远离系统光轴的多模光纤3成像于双包层光纤1的内包层区域，透镜5的焦距选取是由双包层光纤1的内包层区域尺寸决定，通常，透镜5的焦距小于透镜4的焦距，在本实施例中，采用单模光纤2和多模光纤3外径均为Φ125um，双包层光纤1内包层区域为Φ125～l30um，因此透镜5焦距约为透镜4焦距的1/3。

为进一步提高泵浦光注入效率，双包层光纤1的端面为拉锥透镜结构，以便将近轴汇聚的大孔径泵浦光光束变换为较小孔径的光束。拉锥透镜结构可以将通过透镜4和透镜5后的大数值孔径光束转换为小数值孔径光束，从而实现高效光耦合。可采用拉锥法或激光微加工法得到满足要求的光纤接收端。为了使合波器达到最大合波效率，光纤合波器可以采用内包层区域偏大的双包层光纤。

本发明的光纤合波器光路图由图4所示，最终离轴的多束泵浦光变换成了多束具有一定偏角的小孔径光束，在双包层光纤内包层数值孔径足够大并且配合拉锥透镜结构时能最大限度地耦合进入内包层中。与此同时，单模信号光由于是小孔径近轴光束，受到的影响并不大，耦合效率可以达到很高。

如图5所示，在本发明中还可以在透镜5与双包层光纤1之间设置一个窄带反射滤光片7。所述的窄带反射滤光片7反射波段范围为1000～1100nm。窄带滤光片7具有杂波抑制功能。这是因为在铒-镱共掺双包层光纤1中伴随有一定成份的1060nm信号，1060nm信号在光路中传播甚至反射使铒-镱光纤放大器出现不稳定甚至毁坏。在双包层光纤1前放置一个1000～1100nm的窄带反射滤光片7，可将有害成份1060nm信号卸载，抑制了1060nm信号反射造成的谐振放大，保护了光路中其它对1060nm敏感的器件，对于保证放大器的稳定工作具有十分重要的意义。

Claims (7)

1.一种用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，包括有多根多模光纤(3)、双包层光纤(1)、透镜(4)和透镜(5)，其特征在于，还设置有单模光纤(2)，其结构为：多根多模光纤(3)围绕单模光纤(2)的周边并与单模光纤(2)轴向平行，且与单模光纤(2)共同组成输入端光纤束；输入端光纤束的另一端依次设置透镜(4)、透镜(5)及双包层光纤(1)；其中，单模光纤(2)的纤芯、双包层光纤(1)的纤芯、透镜(4)的中心、透镜(5)的中心均在同一轴线上形成系统光轴。

2.根据权利要求1所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的多模光纤(3)围绕单模光纤(2)的周围紧密对称排列。

3.根据权利要求1所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的透镜(4)和透镜(5)为共焦的两个小孔径透镜，透镜(5)的焦距小于透镜(4)的焦距。

4.根据权利要求1所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的双包层光纤(1)的包层波导数值孔径大于多模光纤(3)的数值孔径。

5.根据权利要求1所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的双包层光纤(1)的端面为拉锥透镜结构。

6.根据权利要求1所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的透镜(5)与双包层光纤(1)之间还可设置一个窄带反射滤光片(7)。

7.根据权利要求6所述的用于包层泵浦光纤放大器的光纤合波器，其特征在于，所述的窄带反射滤光片(7)反射波段范围为1000～1100nm。

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