CN103185919A - 带有包层的多模光纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有包层的多模光纤耦合装置，包括具有包层的多模光纤以及待耦合光纤，所述多模光纤的包层与所述待耦合光纤在耦合区处并排紧密贴合设置，其中所述多模光纤位于耦合区的部分包括由端部向内逐渐变宽的锥形部分、以及与锥形部分的锥形底部平滑相连的一段直光纤部分，所述多模光纤锥形部分的包层由锥形底部向锥形顶部逐渐变薄设置；其中，所述待耦合光纤与多模光纤包层紧密贴合部分的折射率与所述多模光纤纤芯的折射率相近或相等并都大于所述多模光纤包层的折射率，形成折射率沟槽。本发明泵浦光纤中的光波经过耦合区的三个耦合部分高效的传播进入到待耦合光纤中，实现了从泵浦光纤到待耦合光纤的高效率耦合。

Description

带有包层的多模光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种带有包层的多模光纤耦合装置。

背景技术

光纤激光器由于其高功率、高效率和高亮度等优点，在工业、医学等领域有着广泛的应用。更高的功率输出是光纤激光器的一个发展方向。然而，决定光纤激光器输出功率水平的一个重要因素是进入增益光纤的泵浦功率水平。泵浦耦合的方法有端面泵浦耦合和侧面泵浦耦合。对于端面泵浦耦合通常需要对待耦合光纤进行截断处理，可以实现泵浦光高效耦合，但是直接影响信号光的耦合效率。对于侧面泵浦耦合，现在较为成熟的技术有SPI公司的GT-Wave技术(美国专利US7,660,034 B2)，以及与之类似的中国专利：《双包层激光光纤及其激光耦合方法》(申请号：201010585503.1)和《放大器或光纤激光器的光纤耦合器》(申请号：200980152731.5)。均将去除包层的泵浦光纤与待耦合紧密接触，利用倏逝波，将泵浦光从泵浦光纤耦合进入待耦合光纤，但是方法需要将泵浦光纤包层去除。此外，光纤熔锥侧面耦合方式(熔锥型侧面泵浦耦合器的研究，应用光学，Vol 32 No.3)，将泵浦光纤和待耦合光纤紧密接触并高温熔锥，通过锥区实现耦合，但是此方法需要对待耦合光纤拉锥，将会破坏待耦合光纤纤芯。

中国专利《一种双包层光纤激光器的泵浦耦合结构》(申请号：200810072098.6)，《双包层光纤侧面泵浦合束器》(申请号：200920132578.7)，《一种高功率侧面泵浦光纤耦合器》(申请号：201110093796.6)以及《一种大功率光纤激光器的侧面耦合器及制作方法》(申请号：201010537142.3)，在耦合器制作过程中，均需要对泵浦的多模光纤端面进行角度磨抛处理，在耦合部分多模光纤纤芯直接与待耦合光纤接触，无保护层，导致双包层光纤的纤芯中产生的小角度激光容易反向耦合进入泵浦光纤，可能造成与泵浦光纤连接的激光二极管泵浦源毁坏。并且这些耦合器，制作过程较为复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种带有包层的多模光纤耦合装置。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种带有包层的多模光纤耦合装置，包括具有包层的多模光纤以及待耦合光纤，所述多模光纤的包层与所述待耦合光纤在耦合区处并排紧密贴合设置，其中所述多模光纤位于耦合区的部分包括由端部向内逐渐变宽的锥形部分、以及与锥形部分的锥形底部平滑相连的一段直光纤部分，所述多模光纤锥形部分的包层由锥形底部向锥形顶部逐渐变薄设置；其中，所述待耦合光纤与多模光纤包层紧密贴合部分的折射率与所述多模光纤纤芯的折射率相近或相等并都大于所述多模光纤包层的折射率，形成折射率沟槽。

优选地，所述待耦合光纤具有包层或没有包层。

优选地，所述待耦合光纤具有纤芯或没有纤芯。

优选地，所述待耦合光纤具有纤芯，所述待耦合光纤为可以产生激光的光纤，所述待耦合光纤的纤芯为掺有产生激光离子的纤芯。

优选地，所述待耦合光纤具有纤芯，所述待耦合光纤的纤芯掺有不产生激光的高折射率材料物质。

优选地，所述待耦合光纤为具有微结构的光子晶体光纤。

优选地，所述待耦合光纤为保偏光纤或非保偏光纤。

优选地，所述多模光纤的包层与待耦合光纤紧密贴合的方式包括胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接、或直接施加压力。

(三)有益效果

本发明采用带包层的多模光纤作为耦合光纤实现光波耦合的方法，通过三个耦合部分实现光波的高效耦合，无需对待耦合光纤进行处理，不破坏待耦合光纤结构，可以应用于大模场光纤、保偏光纤和光子晶体光纤。此外，在耦合区有折射率沟槽可以防止待耦合光纤中传输的低价模式反向耦合进入多模光纤。另外，带包层的多模光纤在非耦合区有包层保护，使采用此方法制作的耦合器具有很高的可靠性和稳定性。

附图说明

图1a和1b分别为本发明实施例一多模光纤和耦合装置的结构原理图；

图2为本发明光纤角度与穿透深度之间的关系曲线图；

图3为本发明多模光纤与待耦合光纤之间形成的折射率沟槽示意图；

图4a和4b为本发明不同的折射率沟槽深度对传输的影响示意图；

图5a和5b分别为本发明实施例二多模光纤和耦合装置的结构原理图；

图6a为本发明采用保偏光纤作为待耦合光纤的实施例三的结构图；

图6b为图6a中A-A处的剖视图；

图7a为本发明采用多根多模光纤耦合的实施例四的结构图；

图7b为图7a中B-B处的剖视图；

其中，1：包层；2：多模光纤，3：光波，4：锥形部分；5：待耦合光纤；6：耦合区；7：第一段耦合区；8：第二段耦合区；9：第三段耦合区；14：应力结构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

实施例一：

如图1a和1b所示，一种带有包层的多模光纤耦合装置，包括具有包层1的多模光纤2以及待耦合光纤5，所述多模光纤2的包层1与所述待耦合光纤5在耦合区6处并排紧密贴合设置，其中所述多模光纤2位于耦合区6的部分包括由端部向内逐渐变宽的锥形部分4、以及与锥形部分4的锥形底部平滑相连的一段直光纤部分，所述多模光纤2锥形部分4的包层1由锥形底部向锥形顶部逐渐变薄设置；其中，所述待耦合光纤5与多模光纤2包层1紧密贴合部分的折射率与所述多模光纤2纤芯的折射率相近或相等并都大于所述多模光纤2包层1的折射率，形成折射率沟槽。由于折射率沟槽的存在，使待耦合光纤中传输的小角度激光无法反向耦合进入泵浦光纤，对泵浦LD起到保护作用。

由于多模光纤2和待耦合光纤5中存在一个折射率沟槽，因此本实施例耦合装置的特性是光波穿透折射率沟槽，由作为泵浦光纤的多模光纤2耦合进入待耦合光纤5，其本质基于倏逝波穿透效应。

其中，倏逝波波动方程为：

$E_2=A_2{e}^{-k_{1}z-\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1-1}}\·e^{i[k_{1}x\sin {\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\ωt}]}$

通常定义振幅衰减到1/e的深度为倏逝波穿透深度，则倏逝波穿透深度为：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-n_{21}^2}}$

其中，n₂₁＝n₂/n₁，n₁为光线入射方向介质折射率，n₂为倏逝波穿透方向介质折射率。

如果定义振幅衰减到T的深度为倏逝波穿透深度，则倏逝波穿透深度为：

$d=-\lg \left(T\right)/\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}-{(n_2/n_1)}^2}\right)$

以数值孔径为0.12的光纤为例，计算T＝0.1时，倏逝波能够穿透包层的深度如图2所示，可以看出随着光线传播角度的增大，倏逝波穿透深度也随之加深。由于大角度的光纤代表着光纤中的高阶模式，也就是说，模式阶数越高的光波，能够穿透更深的深度。

所以，当两个紧密接触，并且存在一个折射率沟槽。如图3所示，计算两个105un直径光纤光波耦合。两根光纤之间存在折射率沟槽深度为d。折射率n1＝1.45，n2＝1.445，对应数值孔径NA＝0.12。

模式LP的光波，从上面光纤经过5mm传输，耦合到下面光纤示意如图4所示。

在耦合时，耦合区6分为三段耦合部分：

第一段耦合部分7是由多模光纤2的所述一段直光纤部分与待耦合光纤5构成，多模光纤2中的光波3之中的高阶模3-1由于高阶模穿透包层1的而进入待耦合光纤5。

第二段耦合部分8是由多模光纤2锥形部分4中靠近直光纤的部分与待耦合光纤5构成，此部分有两个耦合作用，第一，多模光纤2的包层1由于锥形部分4的作用而逐渐薄，使光波3的高阶模3-2高阶模穿透包层1的而进入待耦合光纤5；第二，该部分光纤由于锥形部分4的作用而逐渐变成与多模光纤2主轴的夹角越来越大的模式，以至于光波3的高阶模3-3进入到包层1后再进入到待耦合光纤5。

第三段耦合部分9则由锥形部分4靠近锥顶并且包层1很薄的部分与待耦合光纤5构成，由于包层1很薄不再起到对于光波3的约束作用，光波3的低阶模3-4、3-5进入待耦合光纤5。

这样，多模光纤2中的光波3经过耦合区6的三段耦合部分高效的传播进入到待耦合光纤5中，实现了从多模光纤2到待耦合光纤5的高效率耦合。

所述待耦合光纤5具有包层或没有包层。

所述待耦合光纤5具有纤芯或没有纤芯。

所述待耦合光纤5具有纤芯，所述待耦合光纤5为可以产生激光的光纤，所述待耦合光纤5的纤芯为掺有产生激光离子的纤芯。

所述待耦合光纤5具有纤芯，所述待耦合光纤5的纤芯掺有不产生激光的高折射率材料物质。

所述待耦合光纤5为具有微结构的光子晶体光纤。

所述待耦合光纤5为保偏光纤或非保偏光纤。

对于第一段耦合区7，所述多模光纤2的包层1与待耦合光纤5紧密贴合的方式包括胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接、或直接施加压力。

下面以更为具体的实施例对本发明进行说明：

实施例二：

如图5a-5b所示，本例是采用双包层阶跃折射率光纤作为待耦合光纤的实施例。一根多模光纤2纤芯直径为200um，纤芯数值孔径0.22，包层1直径为220um，包层厚度为10um。采用火焰加热熔融拉锥的方法将器靠近端面出拉锥成锥形部分4。然后，拉锥后的多模光纤与作为待耦合光纤5的双包层掺锗光纤的内包层贴合到一起。双包层掺锗光纤纤芯直径20um，内包层直径400um，，内包层数值孔径0.46。多模光纤2与待耦合光纤5的贴合方式采用胶粘。

实施例三：

如图6a-6b所示，本例是采用保偏光纤作为待耦合光纤的实施例。一根多模光纤2纤芯直径为220um，纤芯数值孔径0.22，包层1直径为242um，包层厚度为10um。采用火焰加热熔融拉锥的方法将器靠近端面出拉锥成锥形部分4。然后，拉锥后的多模光纤与作为待耦合光纤5的双包层掺镱保偏光纤的内包层贴合到一起。双包层掺镱光纤纤芯直径30um，内包层直径400um，，内包层数值孔径0.46。双包层掺镱保偏光纤5具有应力结构14。多模光纤2与待耦合光纤5的贴合方式采用激光熔接。

实施例四：

如图7a-7b所示，本例是采用多根多模光纤耦合的实施例。2根多模光纤2纤芯直径为105um，纤芯数值孔径0.22，包层1直径为125um，包层厚度为6.25um。采用火焰加热熔融拉锥的方法将器靠近端面出拉锥成锥形部分4。然后，拉锥后的多模光纤与作为待耦合光纤5的双包层掺镱光纤的内包层贴合到一起。双包层掺镱光纤纤芯直径50um，内包层直径250um，，内包层数值孔径0.46。多模光纤2与待耦合光纤5的贴合方式采用火焰加热熔接。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种带有包层的多模光纤耦合装置，包括具有包层(1)的多模光纤(2)以及待耦合光纤(5)，其特征在于，所述多模光纤(2)的包层(1)与所述待耦合光纤(5)在耦合区(6)处并排紧密贴合设置，其中所述多模光纤(2)位于耦合区(6)的部分包括由端部向内逐渐变宽的锥形部分(4)、以及与锥形部分(4)的锥形底部平滑相连的一段直光纤部分，所述多模光纤(2)锥形部分(4)的包层(1)由锥形底部向锥形顶部逐渐变薄设置；其中，所述待耦合光纤(5)与多模光纤(2)包层(1)紧密贴合部分的折射率与所述多模光纤(2)纤芯的折射率相近或相等并都大于所述多模光纤(2)包层(1)的折射率，形成折射率沟槽。

2.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)具有包层或没有包层。

3.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)具有纤芯或没有纤芯。

4.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)具有纤芯，所述待耦合光纤(5)为可以产生激光的光纤，所述待耦合光纤(5)的纤芯为掺有产生激光离子的纤芯。

5.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)具有纤芯，所述待耦合光纤(5)的纤芯掺有不产生激光的高折射率材料物质。

6.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)为具有微结构的光子晶体光纤。

7.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述待耦合光纤(5)为保偏光纤或非保偏光纤。

8.如权利要求1所述的带有包层的多模光纤耦合装置，其特征在于，所述多模光纤(2)的包层(1)与待耦合光纤(5)紧密贴合的方式包括胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接、或直接施加压力。

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