CN102331600B - 一种光纤及大功率光纤装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤，旨在提供一种散热好，结构简单的光纤，其包括位于光纤表面的外层，所述光纤还包括设置在所述光纤外层外且导光的导光介质，且所述导光介质的折射率大于所述外层的折射率。本发明还公开了一种具有上述光纤的大功率光纤装置。本发明可用于大功率光纤器件。

Description

一种光纤及大功率光纤装置

技术领域

本发明涉及大功率光纤，尤其是涉及一种可滤除光纤包层中残余光的光纤及大功率光纤装置。

背景技术

光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具，通常包括纤芯、包层和涂覆层。大功率光纤装置在使用时，通常存在以下问题：

1、大功率光纤泵浦能量及信号合束器件在高功率条件下使用，必须满足承受功率大，耦合效率高，损耗小的要求。即便如此，仍有部分光无法按照预期进入输出光纤的期望区域进行传输，如信号光逃离纤芯而进入内包层、泵浦光逃离内包层而进入外包层。前者当信号光进入光纤的内包层后，在单包层光纤中，这部分信号光又会进入光纤的外包层，光被外包层材料吸收从而光纤产生热量；后者当泵浦光从光纤内包层泄露到外包层时，同样会在吸收光的外包层材料上产生大量的热量。当光功率达到百瓦以上级别时，泵浦合束器或信号合束器的输出光纤外包层中的倏逝波所产生的热量将使光纤温度急剧上升到高达近百摄氏度或更高，严重影响系统的稳定性和可靠性，恶劣情况下将导致光纤的断裂和燃烧。因此限制了系统的光功率的增加，这个问题成为信号合束器和泵浦合束器的一大瓶颈。

2、大功率光纤合束器在很高的功率条件下使用，难以避免会有来自输出端的部分光功率反馈，反馈光将沿着器件返回到输入端光纤，并且在输入端光纤的外包层（或涂覆层）上转化成热，产生大量热量使输入端温度迅速上升，影响产品性能及稳定性，甚至对整个系统产生灾难性后果，限制功率的提升。

3、在光纤激光器或放大器的应用中，往往使用在具有高反射的金属材料的焊接和切割领域，从金属材料的反射光将进入到光纤激光器或放大器中，这部分反射光大部分会进入光纤激光器或放大器的输出光纤的内包层中，依照1项中说明的道理，进入输出光纤内包层的光将消逝在外包层（或涂覆层）中从而产生热量。

4、在双包层增益光纤大功率全光纤激光器以及大功率全光纤放大器工作过程中，双包层增益光纤中既存在被激发或放大的激光，也存在泵浦光，前者是我们所需要的，而从有源光纤尾部出来的剩余泵浦光将对激光光谱产生影响，为此需要滤除剩余泵浦光，根据同样的道理，这部分剩余泵浦光会在单包层光纤或者剩余泵浦光滤除器中产生大量的热，从而导致系统可靠性的降低。现有解决泵浦剩余光问题的方法有制作光纤光栅、涂高折射率材料或者拉锥处理等方法，但在功率较大的情况下，上述方法将产生较大热量，光纤附近局部发热严重，对散热系统要求高。因此，光纤中剩余泵浦光的发热问题成为业内亟待解决的一个技术问题之一。

显然，光纤包层中残余光产生的热量对大功率光纤装置造成了很大的影响。目前解决方法主要是在发热区域进行机械散热，但由于发热距离比较长，散热十分困难，效果很差，而且系统的设计也会变得很复杂。

发明内容

本发明为了解决现有技术采用机械散热的方式来解决光纤包层中残余光产生的热量的问题，存在效果差，且系统复杂的技术问题，提供了一种光纤及大功率光纤装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为设计一种光纤，包括位于光纤表面的外层，所述光纤还包括设置在所述光纤外层外且导光的导光介质，且所述导光介质的折射率大于所述外层的折射率。

所述光纤包括由内至外设置的纤芯和包层，所述外层为所述包层。

所述光纤包括由内至外设置的纤芯、包层和涂覆层，所述外层为涂覆层。

所述导光介质与所述光纤的外层之间还设置有折射率匹配介质，且所述折射率匹配介质的折射率大于所述外层的折射率，小于所述导光介质的折射率。

本发明还提供了一种大功率光纤装置，所述大功率光纤装置具有上述的光纤。

本发明通过在光纤的外层外设置导光的导光介质，且使导光介质的折射率大于外层的折射率，从而将进入外层的残余光导入到导光介质中，从而使得进入外层的残余光不会在光纤的外层（包层或涂覆层）或其周围发热，具有插入损耗低、封装尺寸小等优点。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明光纤实施例一的结构原理图；

图2是图1中A-A’及B-B’剖面折射率分布构造及光纤中光功率分布图；

图3是本发明大功率光纤装置的一实施例结构原理图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是用折射率匹配的方法将进入光纤包层或涂覆层的的残余光导入到其他导光材料之中而不在光纤或光纤周围发热，进入该导光材料的光可在材料中逐渐发热消除，也可在材料边缘处接触其他物体被吸收而转化为热量，也可通过散射而进入到空间。从而在光纤或光纤周围不集中发热、或者发热量极小，从而使这个部件均匀发热。

请参见图1。本发明实施例一光纤11包括纤芯13、包层12、折射率匹配介质14和导光介质16。其中：

光纤11可为单包层光纤，也可为双包层光纤等。在本具体实施例中，光纤11为单包层光纤。光纤可以是大功率光纤泵浦合束器、信号合束器中的输入或输出光纤，还可以是大功率全光纤激光器或大功率全光纤放大器的输出端光纤。在本具体实施例中，包层12为位于光纤表面的外层，导光的导光介质设置在所述包层外，且所述导光介质的折射率大于所述包层的折射率。所述光纤在设置有导光介质以外区域的包层外还可设置有涂覆层，涂覆层主要起保护光纤的作用，可为加强用的树脂涂层。

纤芯13、包层12、折射率匹配介质14、导光介质16由内至外依次设置。折射率匹配介质14和导光介质16均由导光材料制成，主要用于将进入包层的残余光导出。各层之间的折射率关系为：外层<折射率匹配介质<导光介质。

设置折射率匹配介质的目的是为使光纤包层与导光介质良好接触，利用在光纤包层与导光介质两者之间使用折射率匹配介质作为过渡，将光纤包层中的残余光从光纤包层（内包层或外包层）中导出，导出来的光被进一步导入到另一种导光介质中。所述折射率匹配介质可以是液体、固体、粘性物质、胶等有助于导光的过渡物质。包层、折射率匹配介质和导光介质之间接触良好，以便于导光。导光介质可以是液体、固体或粘性物质等导光材料。

残余光15在光纤包层12中传输，在光纤包层12与折射率匹配介质14接触处，由于折射率匹配介质的折射率大于光纤包层的折射率，光纤包层导光条件被破坏，残余光15将折射进入折射率匹配介质14中，同样由于导光介质16的折射率大于折射率匹配介质14的折射率，残余光从折射率匹配介质14被进一步导入到导光介质16中。当光纤11与折射率匹配介质14接触长度足够长时，包层12中的残余光15都将被导出，从而可滤除光纤包层中残余光。

当然，还可以实施例一做各种变形，如，在光纤的包层外设置涂覆层，并将涂覆层作为位于光纤表面的外层，导光的导光介质设置在所述涂覆层外，且所述导光介质的折射率大于所述涂覆层的折射率。也就是说，如果在包层12与匹配介质14之间还有光纤的涂覆层，且光存在于这个涂覆层中，那么通过折射率匹配介质14同样可以将涂覆层中的光导出，进而导入到导光介质16中。

请一并参见图2。图2表示图1中A-A’及B-B’剖面折射率分布构造及光纤中光功率分布。关于A-A’剖面，光纤纤芯13及包层12同时为导模，光功率既存在于纤芯13也存在于包层12。关于B-B’剖面，由上述折射率关系可知，光纤包层12导模结构被破坏，从而光功率被导到折射率较高的折射率匹配介质14中，并进一步被导入导光介质16中。整个过程，光纤包层12中残余光15已被导出而光纤纤芯13传导模式并未受到破坏。

请参见图3。该图表示了本发明光纤应用于大功率光纤装置的结构，在本具体实施例中，大功率光纤装置为7×1光纤泵浦合束器。7×1光纤泵浦合束器32的输入端光纤31为单包层光纤，纤芯105um、包层125um、数值孔径0.15，输出端光纤33为单包层光纤，纤芯200um、包层220um、数值孔径0.22，图中未示出输入光纤31及输出光纤33的纤芯，平均泵浦耦合效率约95%。合束器的输入光纤31及输出光纤33都通过折射率匹配介质固定于导光介质34、导光介质35上，通过折射率匹配介质将输入及输出光纤中多余的光导出并导入到导光介质34、导光介质35中。在本实例中，测试环境温度28℃，合束器7个输入端单脚注入25W，总共注入175W泵浦光后，输入端光纤温度在30℃以内，输出端光纤温度在40℃左右。

当然，还可以在一双包层光纤上对内包层使用折射率匹配方案制作泵浦光滤除器件，导出内包层泵浦光。所述双包层光纤纤芯为25um，内包层为250um。泵浦光为915nm的多模半导体激光，在泵浦满注入情况下，通过所述双包层光纤泵浦光滤除器件后，内包层中泵浦光功率损耗达到20dB以上（99%的泵浦光被导出），无水冷情况下注入泵浦光功率可达50W以上，可用于光纤激光器剩余光的滤除或者外部反射光的滤除。

本发明图1中的光纤可采用如下方法制作：

（1）在所述光纤中部剥去部分涂覆层，将露出的包层清洁干净。涂覆层的长度根据所要达到的滤光程度设定。

（2）将露出并清洁干净的包层与导光材料紧密接触，在两者之间涂上折射率匹配介质，即可完成本发明光纤的制作。

本发明通过在光纤的外层（如包层或涂覆层）外设置导光的导光介质，且使导光介质的折射率大于外层的折射率，从而将进入外层的残余光导入到导光介质中，从而使得进入外层的残余光不会在光纤的外层或其周围发热，具有插入损耗低、封装尺寸小等优点。本发明在光纤中存在的光的波长为700nm~2500nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光纤，包括位于光纤表面的外层，其特征在于：所述光纤还包括设置在所述光纤外层外围且导光的导光介质，所述光纤外层与导光介质之间设有折射率匹配介质，所述折射率匹配介质的折射率大于所述外层的折射率，小于所述导光介质的折射率；

所述光纤包括由内至外设置的纤芯、包层和涂覆层，所述外层为涂覆层。

2.一种大功率光纤装置，其特征在于：所述大功率光纤装置具有权利要求1所述的光纤。