CN103149638A - 光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤耦合器，为解决现有的光纤耦合器，在制作高耦合度，高耐受功率的耦合器时制作难度大、成本高等问题而设计。本发明光纤耦合器，包括至少一根泵浦光纤以及与所述泵浦光纤连接的输出光纤；所述泵浦光纤包括第一纤芯以及位于所述第一纤芯内且折射率高于所述第一纤芯的第二纤芯。本发明光纤耦合器，通过在泵浦光纤内增设了折射率高于第一纤芯的第二纤芯，从而使得传输的光能向第二纤芯集中，从而降低了耦合的难度，进而提高了光纤耦合器的耐受功率，从而较传统的高耦合度的、高耐受功率的耦合器具有制作简单、制作成本低、可批量化生产且产品质量稳定性高等优点。

Description

光纤耦合器

技术领域

本发明涉及光纤传输技术领域，尤其涉及一种光纤耦合器。

背景技术

光纤激光器由于其具有转换效率高、增益高以及光束质量好等优点应用前景好，然而需要尽可能的提高有效转换率，则需提供一种高效的光纤耦合器。

传统的光纤耦合器包括输入端的若干根泵浦光纤以及与所述泵浦光纤连接的单根输出光纤。所述泵浦光纤通常采用普通的阶跃型多模光纤，虽可用于制作耦合度高、耐受功率高的光纤耦合器，但是存在以下问题：

1：由于泵浦光纤传输的光能分散，从而耦合难度大，且制作高耦合度的耦合器工艺难度大，制作成本高；

2：由于泵浦光纤的形变对耦合度影响大，从而在泵浦光纤制作、运输过程中易发生的形变将大大的降低耦合度，一方面进一步增加了制作的难度，另一方面以致制作出的光纤耦合器的稳定性低；

3：由于形变对耦合度的影响大，从而抗干扰性低，从而应用的环境局限性大；

4：至于耐受功率，当光纤耦合器耦合度低时泄露的光能百分比就越大，且泄露的能量以热能的形式散发，从而光纤耦合器被烧毁的可能性就越大，从而光纤耦合器的耐受功率就低，从而需要制作耐受功率高的光纤耦合器难度大。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明提供了一种制作简单、成本低、耦合度高、耦合度稳定性好、抗干扰性强以及耐受功率高的光纤耦合器。

（二）技术方案

本发明光纤耦合器，包括至少一根泵浦光纤以及与所述泵浦光纤连接的输出光纤；所述泵浦光纤包括第一纤芯以及位于所述第一纤芯内且折射率高于所述第一纤芯的第二纤芯。

进一步地，所述第二纤芯为一根或多根，且位于所述第一纤芯的中央。

具体地，所述泵浦光纤为多模光纤。

进一步地，若干根所述泵浦光纤排列成光纤束；所述光纤束在与所述输出光纤连接处的横切面积不大于所述输出光纤的横切面面积。

进一步地，所述泵浦光纤的数值孔径为NA1，所述光纤束在与所述输出光纤连接处的外径为D1;所述输出光纤的数值孔径为NA2，与所述光纤束连接处的外径为D2;在所述光纤束与所述输出光纤连接处满足NA1×D1<NA2×D2。

进一步地，所述泵浦光纤与所述输出光纤之间为胶粘连接、超声熔接、热熔接或直接施压连接。

（三）本发明光纤耦合器的有益效果：

第一：本发明光纤耦合器，通过在传统的泵浦光纤的纤芯内增加折射率高于原始纤芯的第二纤芯，光线通过多重纤芯的泵浦光纤的传导后，向泵浦光纤的第二纤芯集中，从而提高了泵浦光纤的传导的光线的集中性，从而降低了光纤耦合器的耦合难度，从而制作高耦合度的光纤耦合器的难度降低了，从而降低了工艺成本，提高了经济效益。

第二：本发明光纤耦合器，通过实验反复验证，由于泵浦光纤的光传导的集中性高、从而弯折、拉锥等形变导致的光分散、传输角度改变的变化率减小了，从而泵浦光纤的形变造成的耦合度降低的影响小，再一次的降低了制作工艺的难度，便于批量化生产，且提高了光纤耦合器耦合度的稳定性，保证同批次产品的质量稳定性。

第三：本发明光纤耦合器，由于形变对耦合度的影响小，从而抗干扰性强，对应用和安装的环境要求也降低了。

第四：本发明光纤耦合器，由于耦合度高，泄露的能量小，从而烧毁泵浦光纤耦合器本身的几率小，从而光纤耦合器可传输的功率更高，从而所述光纤耦合器的耐受功率高，从而制作耐受功率高的耦合器的难度降低了。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的光纤耦合器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为本发明实施例4所述的光纤耦合器的结构示意图；

图5为传统的光纤耦合器拉泵中泵浦光纤拉锥后内部能量的变化图；

图6为图4所述的光纤耦合器中泵浦光纤拉锥后内部能量的变化图。

具体实施方式

下面结合说明说附图以及实施例对本发明光纤耦合器做进一步的说明。

实施例1：

本实施例光纤耦合器，包括若干根泵浦光纤以及一根与所述泵浦光纤连接的输出光纤；所述泵浦光纤包括第一纤芯以及位于所述第一纤芯内且折射率高于所述第一纤芯的第二纤芯。

其中，泵浦光纤从激光器或其他设备中接受激光，并传输至与其连接的输出光纤。在本实施例中，激光以满足第一光纤与其外部的包层等保护层的全反射的入射角摄入第一纤芯与第二纤芯；

一方面，射入第一纤芯的激光在包层等保护层与第一纤芯之间发生全反射，并在第一纤芯与第二纤芯之间发生折射；

另一方面，射入第二纤芯的激光在第二纤芯与第一纤芯之间发生全反射保留在第二纤芯中或折射入第一纤芯再通过第一纤芯与保护层之间的反复反射和折射，或者部分在第二纤芯中发生全反射，部分在第一纤芯与第二纤芯之间发生折射。

首先，由于第二纤芯的折射率大，在其内部传输的光纤的传输角度较小，光线的传输角度越小在耦合到输出光纤时难度就越小；

其次，当激光射入泵浦光纤时，满足一定的角度关系则与输出光纤耦合时，第二纤芯中激光能量密度大于第一纤芯中激光能量密度，故光线更加的集中，再一次的降低了耦合的难度；

再次，当泵浦光纤发生形变的时候，由于第二纤芯位于第一纤芯的内部可以有效的缓和因形变造成光线的泄露，从而进一步的降低了耦合的难度。

故本实施例以具有第二纤芯的泵浦光纤代替传统的光纤耦合器中的普通的泵浦光纤，降低了耦合难度，对于制作高耦合度的耦合器更加简便了。此外，制作、搬运过程中发生的形变对耦合器的耦合度的改变影响更小了，从而能保证耦合度的稳定性，从而能适用于更为恶劣的安装环境。此外，由于所述的光纤耦合器的耦合度高，从而泄露的能量就少，从而提高了光纤所传输的功率，从而所述光纤耦合器的耐受功率也提高了，从而制作高耐受功率的耦合器的难度也降低了，工艺难度降低了，从而制作成本也降低了，经济效益更好了。

实施例2：

如图1-图3所示，本实施例是光纤耦合器，包括七根泵浦光纤1以及一根连接在所述泵浦光纤1后端的输出光纤2；

其中，

所述泵浦光纤从外至内依次包括涂覆层3、包层4、第一纤芯5以及第二纤芯6，且第二纤芯6的折射率高于第一纤芯5；第一纤芯5的折射率高于包层4的折射率；

所述输出光纤2从外至内依次包括涂覆层8、包层9、纤芯10；纤芯10的折射率高于包层9的折射率；

图1中的标号7表示的为泵浦光纤1与输出光纤2之间的连接端面。

所述泵浦光纤1内的第二纤芯6可以是一根纤芯也可以是若干根纤芯，在本实施例中优选一根。

本实施例中所述的光纤耦合器，相对于传统的光纤耦合器，泵浦光纤1内增设了高折射率的第二纤芯6，使得激光在传导过程中，向第二纤芯6方向集中，从而输出的光线更加集中，从而光束传输的角度小，在与输出光纤2的纤芯10耦合时，耦合难度低，从而制作工艺难度低，耦合度高从而可以用于传输更大的功率，从而提高了所述的光纤耦合器的耐受功率。

实施例3：

如图1-图2所示，本实施例光纤耦合器，包括七根泵浦光纤1以及与所述泵浦光纤1连接的输出光纤2；所述泵浦光纤包括第一纤芯5以及位于所述第一纤芯5内且折射率高于所述第一纤芯5的第二纤芯6；所述第二纤芯6为一根且位于所述第一纤芯1的中央；

具体地，在本实施例中，所述泵浦光纤还包括覆涂层3以及包层4；第二纤芯、第一纤芯以及包层的直径为40um、105um以及125um；第二纤芯的数值孔径与第一纤芯的数值孔径的比值为0.1/0.22。输出光纤2的参数为：纤芯直径分别为400um，包层的直径为440um；数值孔径NA=0.22。

如图3所示，7根泵浦光纤排列成圆对称结构的光纤束，再与输出光纤2连接。

其中，所述光纤束的外径为125×3=375um小于所述输出光纤2的外径440um；所述输出光纤2为圆光纤；所述光纤束的面积小于其内切圆的面积，从而保证了所述光纤束在与所述输出光纤连接处的横切面积不大于所述输出光纤的横切面面积，从而保证了泵浦光纤与输出光纤的耦合时两者的连接端面完全贴合，保证了光纤之间的完全耦合，从而保证了高耦合度以及高耐受功率。

在具体的实施过程中，所述泵浦光纤的数据可以根据需要进行选择，如可以是3根、4根、5根以及6根等。

实施例4：

如图4所示，本实施例光纤耦合器，包括7根泵浦光纤1以及一与所述泵浦光纤连接的输出光纤2；所述泵浦光纤1包括第一纤芯5以及位于所述第一纤芯5内且折射率高于所述第一纤芯5的第二纤芯6；所述第二纤芯6为一根折射率高于第一纤芯5的纤芯，且位于所述第一纤芯5的中央；

七根所述泵浦光纤排列成光纤束；在本实施例中，泵浦光纤排列成光纤束之后，光纤束的横截面积大于输出光纤的横截面，为了保证所述光纤束在与所述输出光纤连接处的横切面积不大于所述输出光纤的横切面面积，在泵浦光纤1与输出光纤2的连接端进行拉锥处理，从而形成了如图示中所说的锥11；从而保证了泵浦光纤1与输出光纤2的连接端面7处的横截面积的光纤束的小于或等于输出光纤；此外，为了保证高耦合度通常需要满足以下要求：

所述泵浦光纤1的数值孔径为NA1，所述光纤束在与所述输出光纤连接处的外径为D1;所述输出光纤2的数值孔径为NA2，与所述光纤束连接处的外径为D2;在所述光纤束与所述输出光纤2连接处满足NA1×D1<NA2×D2

光纤在拉锥后，改变了包层4与第一纤芯5之间的接触，也改变了第二纤芯6与第一纤芯5之间的接触，从而改变了光线从第一纤芯5到包层4的入射角以及第二纤芯6到第一纤芯5的入射角。当光纤从第一纤芯5入射到包层4之间的缩小到一定程度时将造成光线的泄露，从而造成耦合度的降低以及耐受功率的降低的问题。但是在本实施例中，位于第一纤芯5中的第二纤芯6也发生了相应的形变，且能缓和第一纤芯5与包层4之间的形变带来的光能泄露的影响。

下面将本实施例所述的光纤耦合器与传统的光纤耦合器进行拉锥处理后分别进行测量：

传统的光纤耦合器：

纤芯数值孔径为0.12；

泵浦光纤进行了拉锥处理后形成的锥的宽端直径为105um，与输出光纤连接的窄端直径为48.02um，从而锥度为2.186；

图5表示的为激光在泵浦光纤内从宽端到窄端的光能变化图；如图5所示，在宽端的能量为1.0，由于拉锥处理导致其内部传输的所有光线的传输角度均大于0.12NA，故均从包层向外泄露了，从而到了最窄端泵浦光纤内部的能量为0；

本实施例所述的光纤耦合器：

第一纤芯的数值孔径为0.12；

第二纤芯的数值孔径大于0.12；

泵浦光纤进行了拉锥处理后形成的锥的宽端直径为105um，与输出光纤连接的窄端直径为48.02um，从而锥度为2.186；

泵浦光纤接受的激光的能量与上述传统的光纤耦合器的能量一样多。

图6表示的为激光在泵浦光纤内从宽端到窄端的光能变化图；如图6所示，宽端的能量为1.0，由于拉锥处理导致其内部传输的光线仍有部分传输角度小于0.12NA，从而到了最窄端泵浦光纤内部仍然保有部分光能，即能量不为0。

总结上述对比可知，拉锥形变对于传统的光纤耦合器来说影响很大，导致光能完全泄露的几率很大，从而制作出光纤束直径大、输出光纤直径相对较小的高耦合度的高耐受功率的光纤耦合器的难度大；而本实施例所述的光纤耦合器在同等锥度的情况下，耦合度高，从而耐受功率也高，故本实施例所述的光纤耦合器的在制作、搬运、安装过程中造成的形变以及一些微小的缺陷对耦合度效率影响小，从而具有良好的环境适应能力以及抗干扰能力，在批量制作生产过程中，耦合度和耐受功率的稳定性强。

在进行光纤耦合时，一般的泵浦光纤为多模光纤，本实施例中的泵浦光纤均为多芯的多模光纤。

在具体的实施过程中，所述泵浦光纤1与所述输出光纤2之间的连接方式有多种，可以是胶粘连接、超声熔接、热熔接或直接施压连接。此外，根据具体的应用环境，可以选择不同的类型的泵浦光纤和输出光纤；如输出光纤2可以根据是否需要良好的偏振性选择保偏光纤或非保偏光纤，是否需要保持光纤的传输角度不变选择圆光纤或非圆光纤等。如在本实施例中，所述输出光纤可以为光子晶体光纤。

总结实施例1至实施例4可知，本发明所述的光纤耦合器，具有制作简单、制作成本低、稳定性强、应用范围广等多方面有点，尤其适于制作高耦合效率的高耐受功率的光纤耦合器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤耦合器，包括至少一根泵浦光纤以及与所述泵浦光纤连接的输出光纤；其特征在于，所述泵浦光纤包括第一纤芯以及位于所述第一纤芯内且折射率高于所述第一纤芯的第二纤芯。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二纤芯为一根或多根，且位于所述第一纤芯的中央。

3.根据权利要求1或2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤为多模光纤。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合器，其特征在于，若干根所述泵浦光纤排列成光纤束；所述光纤束在与所述输出光纤连接处的横切面积不大于所述输出光纤的横切面面积。

5.根据权利要求4所述的光纤耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤的数值孔径为NA1，所述光纤束在与所述输出光纤连接处的外径为D1;所述输出光纤的数值孔径为NA2，与所述光纤束连接处的外径为D2;在所述光纤束与所述输出光纤连接处满足NA1×D1<NA2×D2。

6.根据权利要求4所述的光纤耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤与所述输出光纤之间为胶粘连接、超声熔接、热熔接或直接施压连接。

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