CN103811985A - 一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源 - Google Patents

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本发明公开了一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，包括制冷器、热沉、过渡热沉、热敏电阻、980nm激光管芯、楔形透镜、双透镜耦合系统、高反射率薄膜、铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤、石英玻璃管、光纤连接器和光隔离器。利用本发明，使用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐光纤，提高了单位长度光纤的吸收增益，缩短了增益光纤长度，从而实现了ASE宽带光源的小型化、集成化。

Description

一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源
技术领域
本发明属于半导体技术领域，是一种在光纤通信和光纤传感等领域中有重要作用的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源。
背景技术
超荧光光纤光源(SFS)较传统的宽带光源-超辐射发光二极管(SLD)有优异的输出性能，包括输出光功率高、光源的低相干性、输出谱线宽和较高的温度稳定性等特点，因此成为光纤通信和光纤传感领域的重要光源器件，对其展开进一步的研究是很有必要的。
在光波分复用器(WDM)应用方面，SFS光源主要是提供高功率、窄带、高稳定光信号以适应大容量、长距离信号传输。在光谱测量方面，一方面是为光谱仪测量提供测试所用的光信号，另外主要为光纤光栅传感系统提供光信号，通过光纤传感器的反射将所接收的光信号进行解调。光源如能提供高性能的信号，则有助于提高整个传感器系统的性能。
在研制超荧光光纤光源(SFS)方面，国内外已经取得重大突破并形成了成熟的技术方案，目前主要以掺铒光纤光源(ED-SFS)为主，光源结构从单程到双程结构，再到双极泵浦结构，不断地优化设计使的ED-SFS的输出性能有很大提高，输出功率高达数十毫瓦，谱线宽度达到30～80nm，温度稳定性达到十几个ppm/℃。
但对于普通的掺铒超荧光光纤光源(ED-SFS)而言，由于光纤的掺铒浓度较低，导致单位长度的光纤增益较低，为了保证输出功率，必须使用较长的铒纤(SFS)，往往都在几米甚至几十米。这些传统的EDF器件造价相对较贵，并且光纤中非线性效应很强，会影响到SFS的性能。而且由于光纤最小弯曲半径的限制，不利于实现器件的小型化，而光器件低成本、小型化、集成化是当前器件发展的一个重要趋势。
因此，如何提高光纤单位长度增益、缩小SFS光源体积成为了当前国内外研究的热点之一。同时，从980nm的泵浦激光器尾纤出来的光需要高效地耦合进增益光纤中，传统采用光纤熔接耦合的方法在工艺上较为复杂，耦合效率低。另外，由于SFS光源中980nm的泵浦光经过掺铒光纤实现放大自发辐射(ASE)之后产生1550nm附近的光会在光纤中双向传输，因此需要在光源的光路中加入反射镜，形成双程结构，使得光单向输出，保持光源的稳定性。
目前普遍的光源中都是通过在光纤端面镀反射膜，但是由于光纤的直径太小，一般纤芯直径为几个微米，使得端面镀膜工艺的难度加大，若端面不平或镀膜表面不平会影响到输出功率和光源的稳定性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提出了一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源(EYD-SFS)，主要利用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤(EYPF)作为增益光纤，大大提高了单位光纤长度的吸收增益，使增益介质光纤长度缩短到了1～1.2cm，从而缩小了ASE光源的体积。另外，光源结构中采用双透镜耦合系统将泵浦光耦合进增益光纤中，制作工艺简单化的同时也提高了光的耦合效率。最后，光源中采用了即在双透镜耦合系统的准直透镜的后镜面上镀反射膜(对1550nm附近的光有较高的反射，对980nm附近的光有很高的透射率)来实现双程前向(DPF)光源结构。
(二)技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，包括：
制冷器1，焊接在该光源的管壳内，用于对该光源的980nm激光器管芯5和铒镱共掺光纤9进行控温；
热沉2，焊接在制冷器1上，起到散热的作用；
过渡热沉3，焊接在热沉2的一部分上；
热敏电阻4，焊接在过渡热沉3上，用于控制制冷电流，进而实现对制冷器1温度的精确控制；
980nm激光管芯5，焊接在过渡热沉3上，用于提供980nm的泵浦光；
楔形透镜6，制作在光纤靠近激光管芯5的一端上；
双透镜耦合系统7，焊接在热沉2上，用于将从泵浦激光器尾纤出来的光有效地耦合进单模光纤9；
高反射率薄膜8，在双透镜耦合系统7中的准直透镜上镀制，用于将自发放大辐射的1550nm附近的后向输出光反射后，与前向输出光一起输出；
铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤9，采用石英玻璃将其保护起来，然后焊接在过渡热沉3上；
石英玻璃管10，包在单模光纤9的外面用于保护单模光纤9，将单模光纤9的温度通过传热反馈给热敏电阻4；
光纤连接器11，位于单模光纤9的右端，用于连接单模光纤9和普通石英玻璃光纤，使得1550nm的光能够高效输出。
光隔离器12，设置于该光源管壳的外部，通过光纤连接器11将其与整个光源的输出尾纤连接，用于消除整个光路中反馈光对光源的影响。
上述方案中，所述制冷器1采用铟锡焊工艺焊接在该光源的管壳内，其控温精度在0.2℃以内。
上述方案中，所述热沉2采用的材料为镍，采用铟锡焊工艺焊接在制冷器1上，其上焊接有过渡热沉3。
上述方案中，所述过渡热沉3采用的材料为氮化铝，采用金锡焊工艺焊接在热沉2的一部分上，该过渡热沉3上焊接热敏电阻4、980nm激光管芯5和用石英玻璃管10保护的单模光纤9，并用于980nm激光管芯5和单模光纤9的散热。
上述方案中，所述热敏电阻4采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉3上。
上述方案中，所述980nm激光管芯5采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉3上。
上述方案中，所述楔形透镜6采用光纤研磨工艺制作在光纤靠近激光管芯5的一端上，通过将光纤头磨成楔形，减小端面的反射，降低光损耗，提高耦合效率。
上述方案中，所述双透镜耦合系统7由一个准直透镜L1和一个聚焦透镜L2组成，采用焊锡工艺焊接在热沉2上。
上述方案中，所述高反射率薄膜8采用离子束溅射沉积(IBS)法在双透镜耦合系统7中的准直透镜上镀制，由Si和SiO2薄膜层交替生长而成。
上述方案中，所述铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤9是增益介质光纤，利用其中掺杂的Yb3+的能级对980nm的光具有强烈的吸收，然后Yb3+通过能量转移将吸收的能量转移给Er3+，最后经过Er3+的自发放大辐射的产生1550nm附近的光。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，具有以下有益效果：
1、本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，使用铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤(EYDF)作为增益光纤，其铒离子的掺杂浓度提高了2～3个数量级，所以能够很大幅度地提高单位光纤长度的吸收增益，缩短光纤长度的同时还可以保证很好的输出特性，从而可以将整个器件集成在一个很小的管壳中，实现ASE宽带光源的小型化、集成化。
2、本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，使用了热敏电阻对铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤(EYDF)进行温度监测，并及时地将温度变化反馈给制冷器，再通过制冷器对增益光纤进行温度调整和控制，以减小增益光纤的温度变化，从而降低增益光本征温度的变化对其光学参数的影响，提高光源的输出稳定性。
3、本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，利用双透镜耦合系统将泵浦光耦合进增益光纤，其耦合效率比普通的光纤熔接的耦合效率更高，工艺上更容易实现。
4、本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，利用在双透镜耦合系统中准直透镜的后镜面上镀反射膜的方法来实现光的双程前向输出，提高了泵浦效率和输出功率。该方法较传统的光纤端面镀反射膜的方法更加简单实用，工艺上更加容易实现。
附图说明
图1是本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源的侧视结构图。
图2是本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源中双透镜耦合系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示出了本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源的侧视结构图，该光源包括制冷器1、热沉2、过渡热沉3、热敏电阻4、980nm激光管芯5、楔形透镜6、双透镜耦合系统7、高反射率薄膜8、铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤9、石英玻璃管10、光纤连接器11和光隔离器(ISO)12，其中：
制冷器1采用铟锡焊工艺焊接在该光源的管壳内，用于对980nm激光器管芯5和铒镱共掺光纤9进行控温，控温精度可以达到0.2℃以内。
热沉2采用的材料为镍，采用铟锡焊工艺焊接在制冷器1上，起到散热的作用，其上焊接有过渡热沉3；
过渡热沉3采用的材料为氮化铝，采用金锡焊工艺焊接在热沉2的一部分上，该过渡热沉3上焊接热敏电阻4、980nm激光管芯5和用石英玻璃管10保护的单模光纤9，并用于980nm激光管芯5和单模光纤9的散热；
热敏电阻4，采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉3上，用于控制制冷电流，进而实现对制冷器1温度的精确控制；图1中，两块热敏电阻4分别焊接在激光管芯5和适应玻璃管10的后边，三者均焊接在过度热沉上，处于同一水平面上，图1中所示是为了突出显示热敏电阻4；
980nm激光管芯5，采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉3上，用于提供980nm的泵浦光；
楔形透镜6，采用光纤研磨工艺制作在光纤靠近激光管芯5的一端上，通过将光纤头磨成楔形，减小端面的反射，降低光损耗，提高耦合效率；
双透镜耦合系统7，由一个准直透镜L1和一个聚焦透镜L2组成，如图2所示，采用焊锡工艺焊接在热沉2上，用于将从泵浦激光器尾纤出来的光有效地耦合进单模光纤9；
高反射率薄膜8，采用离子束溅射沉积(IBS)法在双透镜耦合系统7中的准直透镜上镀制，由Si和SiO2薄膜层交替生长而成，用于将自发放大辐射的1550nm附近的后向输出光反射后，与前向输出光一起输出；
铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤9，由于其裸纤很脆，需要用石英玻璃将其保护起来，然后焊接在过渡热沉上。该单模光纤9是增益介质光纤，利用其中掺杂的Yb3+的能级对980nm的光具有强烈的吸收，然后Yb3+通过能量转移将吸收的能量转移给Er3+，最后经过Er3+的自发放大辐射的产生1550nm附近的光；
石英玻璃管10，用于包在单模光纤9的外面保护单模光纤9，将单模光纤9的温度通过传热反馈给热敏电阻4；
光纤连接器11，位于单模光纤9的右端，用于连接单模光纤9和普通石英玻璃光纤，使得1550nm的光能够高效输出。
光隔离器(ISO)12，设置于该光源管壳的外部，通过光纤连接器11将其与整个光源的输出尾纤连接，用于消除整个光路中反馈光对光源的影响(包括引入噪声、频率漂移及激光振荡)。
在本发明—优选实例中，所述铒镱共掺光纤9的参数为：Er3+掺杂浓度3.0mol％，Yb3+掺杂浓度5.0mol％，传播损耗0.04dB/cm，在1535nm处的净增益5.2dB/cm，荧光寿命8.1ms，光纤包层直径125μm，纤芯直径7.4μm。
综上所述，本实例提出的一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源(SFS)，使用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐光纤(EYPF)，大大提高了单位长度光纤的吸收增益，缩短了光纤长度的同时还可以保证很好的输出特性。从而实现了ASE宽带光源的小型化、集成化。
同时，将增益光纤固定在热沉上，并用制冷器对其进行控温，从而避免了光纤的吸收截面和发射截面随温度的变化而变化，进而影响到光源输出中心波长的稳定性，实现很好的全温范围内输出波形稳定的超荧光光纤光源(SFS)。
另外，在本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源中，采用双透镜耦合系统对泵浦光进行耦合，提高了泵浦效率。该透镜系统结构简单，加工方便，也便于封装。
最后，在本发明提供的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源中，采用实现双程前向(DPF)结构的ASE光源的方法，即在双透镜耦合系统中的准直透镜上镀反射膜的方法来实现光的双程前向输出，该反射膜对一次自发放大的1550nm附近的后向传播光反射后沿原路返回，实现二次放大利用，最后和前向输出光一起输出。该方法较普通的镀反射膜法在工艺上更加容易实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，包括：
制冷器(1)，焊接在该光源的管壳内，用于对该光源的980nm激光器管芯(5)和铒镱共掺光纤(9)进行控温；
热沉(2)，焊接在制冷器(1)上，起到散热的作用；
过渡热沉(3)，焊接在热沉(2)的一部分上；
热敏电阻(4)，焊接在过渡热沉(3)上，用于控制制冷电流，进而实现对制冷器(1)温度的精确控制；
980nm激光管芯(5)，焊接在过渡热沉(3)上，用于提供980nm的泵浦光；
楔形透镜(6)，制作在光纤靠近激光管芯(5)的一端上；
双透镜耦合系统(7)，焊接在热沉(2)上，用于将从泵浦激光器尾纤出来的光有效地耦合进单模光纤(9)；
高反射率薄膜(8)，在双透镜耦合系统(7)中的准直透镜上镀制，用于将自发放大辐射的1550nm附近的后向输出光反射后，与前向输出光一起输出；
铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤(9)，采用石英玻璃将其保护起来，然后焊接在过渡热沉(3)上；
石英玻璃管10，包在单模光纤(9)的外面用于保护单模光纤(9)，将单模光纤(9)的温度通过传热反馈给热敏电阻(4)；
光纤连接器(11)，位于单模光纤(9)的右端，用于连接单模光纤(9)和普通石英玻璃光纤，使得1550nm的光能够高效输出。
光隔离器(12)，设置于该光源管壳的外部，通过光纤连接器(11)将其与整个光源的输出尾纤连接，用于消除整个光路中反馈光对光源的影响。
2.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述制冷器(1)采用铟锡焊工艺焊接在该光源的管壳内，其控温精度在0.2℃以内。
3.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述热沉(2)采用的材料为镍，采用铟锡焊工艺焊接在制冷器(1)上，其上焊接有过渡热沉(3)。
4.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述过渡热沉(3)采用的材料为氮化铝，采用金锡焊工艺焊接在热沉(2)的一部分上，该过渡热沉(3)上焊接热敏电阻(4)、980nm激光管芯(5)和用石英玻璃管10保护的单模光纤(9)，并用于980nm激光管芯(5)和单模光纤(9)的散热。
5.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述热敏电阻(4)采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉(3)上。
6.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述980nm激光管芯(5)采用金锡焊工艺焊接在过渡热沉(3)上。
7.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述楔形透镜(6)采用光纤研磨工艺制作在光纤靠近激光管芯(5)的一端上，通过将光纤头磨成楔形，减小端面的反射，降低光损耗，提高耦合效率。
8.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述双透镜耦合系统(7)由一个准直透镜L1和一个聚焦透镜L2组成，采用焊锡工艺焊接在热沉(2)上。
9.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述高反射率薄膜(8)采用离子束溅射沉积(IBS)法在双透镜耦合系统(7)中的准直透镜上镀制，由Si和SiO2薄膜层交替生长而成。
10.根据权利要求1所述的小型化的铒镱共掺超荧光光纤光源，其特征在于，所述铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤(9)是增益介质光纤，利用其中掺杂的Yb3+的能级对980nm的光具有强烈的吸收，然后Yb3+通过能量转移将吸收的能量转移给Er3+，最后经过Er3+的自发放大辐射的产生1550nm附近的光。
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