CN104749715A - 一种多横模激光的单模光纤耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种多横模激光的单模光纤耦合结构，包括依次设于多横模激光源后面的准直单元、聚焦单元和多光纤耦合阵列；所述多光纤耦合阵列包括多根单模耦合光纤，各单模耦合光纤的输入端沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列。该耦合结构将多横模激光光斑沿其多横模方向分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，并由各单模耦合光纤的另一端输出，如此一组单模耦合光纤输出总激光之和可大幅提高，总的单模耦合光纤耦合效率也大大提高。

Description

一种多横模激光的单模光纤耦合结构

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种多横模激光的单模光纤耦合结构及耦合方法。

背景技术

在半导体激光器中，单横模芯片输出功率通常在几毫瓦和几万毫瓦之间，很难在单管获得更高输出功率。

单模半导体激光器耦合到单模光纤效率自然很高，但由于功率的限制最终耦合进入单模光纤之中获得的功率似乎很有限，如作为泵浦光980nm功率多在200mw~600mw，而且价格很贵。

另一方面，多模半导体激光器通常很容易获得1W,2W输出，现在可达10W，有些单管可能达几百瓦，他们通常发光点多为1*100μm，1*200μm，或1*400μm，他们块轴为基横轴，而100μm，200μm，400μm方向为多横模，只是发散角NA多在0.1。

正常情况下，多模LD耦合到单模光纤效率很低，如对1*100μm??约980nmLD其耦合效率约3％～5％其原因可以现解，他们在100μm方向NA＝0.1与通常980μm单模光纤2.6μm的NA相差无几，而1μm方向是基模。耦合效率可以很高，所以1*100μm光中只有1*5.6μm??光可以进入单模光纤，则其效率约为1*5.6/1*100=～3％～5％。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种多横模激光的单模光纤耦合结构，可大幅度提高多模激光输入单模光纤的耦合效率。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种多横模激光的单模光纤耦合结构，包括依次设于多横模激光源后面的准直单元、聚焦单元和多光纤耦合阵列；所述多光纤耦合阵列包括多根单模耦合光纤，各单模耦合光纤的输入端沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；多横模激光源发射的多横模激光经准直单元准直之后，由聚焦单元耦合到多光纤耦合阵列的各单模耦合光纤内，该多光纤耦合阵列将多横模激光光斑分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，并由各单模耦合光纤另一端输出。

进一步的，所述聚焦单元为一聚焦透镜；所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯。

进一步的，所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径。

进一步的，所述聚焦单元为一微透镜阵列；所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或者，所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯；或者，所述多光纤耦合阵列的多根单模耦合光纤输入端紧密排列，并由一固定件固定。

进一步的，所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径；所述固定件为阵列V型槽，各单模耦合光纤输入端固定于各V型槽上。

进一步的，还包括一光分路器，设于聚焦单元与多光纤耦合阵列之间；所述聚焦单元为一聚焦透镜，将多横模激光会聚到分光器上，由所述光分路器将多横模激光分为多路子光束，分别输入到多光纤耦合阵列的各单模耦合光纤内。

进一步的，所述光分路器为平面光波导分路器（PLC分路器）。

进一步的，所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或者，所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯；或者，所述多光纤耦合阵列的多根单模耦合光纤输入端紧密排列，并由一固定件固定。

进一步的，所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径；所述固定件为阵列V型槽，各单模耦合光纤输入端固定于各V型槽上。

进一步的，所述多横模激光源为单个多横模半导体激光器，或包括LD芯片阵列和阵列光束压缩系统；所述多横模激光为一个方向近单横模，另一个方向为多横模的激光束，或者是两个方向都为多横模的激光束；所述准直单元包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜。

本发明的有益效果为：将多横模激光光斑沿其多横模方向分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，再将各光束单元分别耦合到单模耦合光纤内，如此一组单模耦合光纤输出总激光之和可大幅提高，总的单模耦合光纤耦合效率也大大提高。

附图说明

图1为本发明耦合结构实施例一示意图；

图2为本发明耦合结构实施例二示意图；

图3为本发明耦合结构实施例三示意图；

图4为本发明多光纤耦合阵列输入端端面结构一示意图；

图5为本发明多光纤耦合阵列输入端端面结构二示意图；

图6为本发明多光纤耦合阵列输入端端面结构三示意图。

附图标示：10、多横模激光源；20、准直单元；21、快轴准直透镜；22、慢轴准直透镜；31、聚焦透镜；32、微透镜阵列；40、多光纤耦合阵列；41、类矩形结构；42、纤芯；43、光纤包层；44、单模耦合光纤；45、V型槽；50、PLC分路器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明的多横模激光的单模光纤耦合结构，将多横模激光光斑沿其多横模方向分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，再将各光束单元分别耦合到单模耦合光纤内，如此一组单模耦合光纤输出总激光之和可大幅提高，总的单模耦合光纤耦合效率也大大提高。具体的，该耦合结构包括依次设于多横模激光源后面的准直单元、聚焦单元和多光纤耦合阵列。其中，多光纤耦合阵列包括多根单模耦合光纤，各单模耦合光纤的输入端沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列，多横模激光源发出的多横模激光经准直单元准直之后，由聚焦单元耦合到多光纤耦合阵列的各单模耦合光纤内，多光纤耦合阵列将多横模激光光斑分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，并由各单模耦合光纤另一端输出。最后将该组单模耦合光纤的输出激光累加一起，其输出总激光之和可大幅提高，总的单模耦合光纤耦合效率也大大提高。

如图1所示的实施例一，该实施例中，准直单元20包括快轴准直透镜21和慢轴准直透镜22，聚焦单元采用的是一聚焦透镜31。多光纤耦合阵列40，多光纤耦合阵列40的输入端如图4所示，输入端的光纤包层抛光为类矩形结构41，类矩形结构41的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列。多横模激光源10发出的多横模激光经快轴准直透镜21和慢轴准直透镜22准直为平行光，再经聚焦透镜31变换为与原多横模激光芯片发射光斑相近似的会聚光，会聚到多光纤耦合阵列40的输入端端面上，分别耦合到各单模耦合光纤内，从而被分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，进入各个单模耦合光纤，并从各个单模耦合光纤的另一端面输出。

该实施例的多光纤耦合阵列40的入射端面采用如图4所示的结构，将各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构41，且类矩形结构41的短边尺寸与单模耦合光纤纤芯42尺寸为同一数量级，且大于该纤芯42直径。再将各单模耦合光纤的输入端紧靠排列粘接起来，组成一个间距很近的光纤头阵列，端面如图4所示。其中类矩形结构41的短边尺寸尽量接近纤芯42的直径，以尽量缩小各单模耦合光纤纤芯42之间的间距，以便尽量多的光耦合到多光纤耦合阵列40内。

如图5所示，该实施例中，多光纤耦合阵列40也可以采用多芯光纤，该多芯光纤的光纤包层43内输入端的各纤芯42沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；各纤芯42为单模耦合光纤纤芯。该结构中各纤芯42的中心间距近似等于纤芯42直径，各纤芯42之间部分的光更少，也就是耦合进多光纤耦合阵列40内的光更多，耦合效率更高。

如图2所示的实施例二，与实施例一不同的是，聚焦单元采用的是微透镜阵列32，经过快轴准直透镜21和慢轴准直透镜22之后的准直光聚焦为多个分离焦点，即将多横模激光分割为多个分离的聚焦光束单元，各光束单元分别会聚到多光纤耦合阵列40的各纤芯42端面上，从而避免了光功率的浪费。该微透镜阵列32将光束分离，并聚焦，而且各聚焦焦点之间具有一定的间距，故采用如图4和5所示结构的多光纤耦合阵列40时，将准直的多横模激光耦合到多光纤耦合阵列40时，可以避免了光功率的浪费。

如果微透镜阵列32分离的聚焦焦点间距较大，则也可以采用如图6所示的多光纤耦合阵列40，即将各单模耦合光纤44固定于一V型槽阵列上对应的V型槽45中，或是其他的固定件上，加工更方便，成本更低。

如图3所示的实施例三，在聚焦单元与多光纤耦合阵列40之间增加一光分路器，该实施例采用的是平面光波导分路器（PLC分路器50），经快轴准直透镜21和慢轴准直透镜22之后的准直光由聚焦透镜31会聚到PLC分路器50输入端的端面上，经该PLC分路器50分成多个分离的光束单元，各光束单元之间可以具有较大的间距，从而不需要将多光纤耦合阵列40各单模耦合光纤44的间距做得很小，大大减小了多光纤耦合阵列40的加工难度。如可以采用如图6所示，由V型槽45等固定件来固定各耦合光纤。

当然，该实施例的多光纤耦合阵列40也可以采用如图4和5所示的结构。

上述各实施例中，所述多横模激光源10为单个多横模半导体激光器，或包括LD芯片阵列和阵列光束压缩系统；所述多横模激光为一个方向近单横模，另一个方向为多横模的激光束。或者是两个方向都为多横模的激光束，此时上述结构需变为二维结构。其中，多横模激光源采用LD芯片阵列时，通过阵列光束压缩系统对其进行压缩整形的方式提高功率密度及提高单光纤输出功率。阵列光束压缩系统可以是包括依光路设置光学变换单元和合束单元，先利用光学变换单元将横向分布的LD芯片阵列输出光光斑阵列变换为纵向分布的光斑阵列，再对纵向分布的光斑阵列进行光学合束。

以光斑为1*100μm的多模激光源为例说明本发明耦合结构的效果，利用本发明的耦合结构将1*100μm的多模激光耦合到纤芯直径为7μm的980nm单模光纤中。其中多横模激光1μm方向近似为单模，100μm方向为多模，而且发散角NA≈0.1，与单模光纤出光NA大致相同。利用本发明的耦合结构将该多横模激光光斑分割成100/7≈15个光点，再将这15个光点分别耦合到15根单模光纤中，则耦合到整组单模光纤中的激光为原来的100/7倍。假设分割的每个光束单元耦合到单模光纤的功率为总功率的3%，则总的耦合功率将为总功率的（100/7）×3%≈42%，即利用本发明的耦合结构的总耦合效率约为42%。可见，本发明的耦合结构大大提高了多横模激光的单模光纤耦合效率。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：包括依次设于多横模激光源后面的准直单元、聚焦单元和多光纤耦合阵列；所述多光纤耦合阵列包括多根单模耦合光纤，各单模耦合光纤的输入端沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；多横模激光源发射的多横模激光经准直单元准直之后，由聚焦单元耦合到多光纤耦合阵列的各单模耦合光纤内，该多光纤耦合阵列将多横模激光光斑分割为多个与单横模激光具有相同直径和方向角乘积的光束单元，并由各单模耦合光纤另一端输出。

2.如权利要求1所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述聚焦单元为一聚焦透镜；所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯。

3.如权利要求2所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径。

4.如权利要求1所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述聚焦单元为一微透镜阵列；所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或者，所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯；或者，所述多光纤耦合阵列的多根单模耦合光纤输入端紧密排列，并由一固定件固定。

5.如权利要求4所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径；所述固定件为阵列V型槽，各单模耦合光纤输入端固定于各V型槽上。

6.如权利要求1所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：还包括一光分路器，设于聚焦单元与多光纤耦合阵列之间；所述聚焦单元为一聚焦透镜，将多横模激光会聚到分光器上，由所述光分路器将多横模激光分为多路子光束，分别输入到多光纤耦合阵列的各单模耦合光纤内。

7.如权利要求6所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述光分路器为平面光波导分路器。

8.如权利要求6所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述多光纤耦合阵列各单模耦合光纤输入端的光纤包层抛光为类矩形结构，各单模耦合光纤输入端类矩形结构的长边依次紧靠在一起，沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；或者，所述多光纤耦合阵列由一多芯光纤替代，所述多芯光纤输入端的纤芯沿多横模激光光斑的多横模方向紧密排列；所述纤芯为单模耦合光纤纤芯；或者，所述多光纤耦合阵列的多根单模耦合光纤输入端紧密排列，并由一固定件固定。

9.如权利要求8所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述类矩形结构的短边尺寸与所述单模耦合光纤纤芯尺寸为同一数量级，且大于所述纤芯直径；所述固定件为阵列V型槽，各单模耦合光纤输入端固定于各V型槽上。

10.如权利要求1-9任一项所述多横模激光的单模光纤耦合结构，其特征在于：所述多横模激光源为单个多横模半导体激光器，或包括LD芯片阵列和阵列光束压缩系统；所述多横模激光为一个方向近单横模，另一个方向为多横模的激光束，或者是两个方向都为多横模的激光束；所述准直单元包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜。