CN105811228A - 高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置 - Google Patents

高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置 Download PDF

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Abstract

一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，包括：一管壳，为一方形体结构；一制冷器，其制作在管壳内部的底面；一热沉，其制作在制冷器上面的表面；一980nm激光器管芯、一自聚焦透镜、一高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和一拉锥透镜光纤，其依序制作在热沉的上面，该980nm激光器管芯、自聚焦透镜、高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和拉锥透镜光纤位于同一光路上，该980nm激光器管芯用于提供泵浦光。本发明采用自聚焦透镜实现对发散光束的准直和聚焦，达到提高泵浦激光器与高掺杂光纤的耦合效率的目的。

Description

高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置
技术领域
本发明所属半导体领域，是一种在光纤通信和光纤传感等领域中有重要作用的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源(简称EYD-SFS)集成装置。
背景技术
掺铒光纤超荧光光源(ErDopedSuperfluorescentFiberSource，EDF-SFS)是近年来发展起来的新型宽带光源，其基于半导体激光器泵浦掺铒光纤产生自发辐射光原理，利用局部光反馈控制技术实现高输出功率、宽谱线、低偏振度的超荧光输出。它的谱宽较宽，可达数十个纳米，且温度稳定性好，相干度低，在光纤陀螺、EDFA、光纤传感、光谱测试以及低成本接入网等很多领域有广泛应用。特别是其作为高精度光纤陀螺用光源，在航天、航空及船舶制导领域具有十分重要的战略意义。
掺铒超荧光光纤光源的性能直接影响到陀螺的精度及稳定性，在惯性导航系统中缺乏外界反馈的修正，任何小的误差积累都会导致最终积分运算结果出现大的偏移，系统要长时间保持高精度和无漂移，对光源提出了很高的要求。在研制超荧光光纤光源方面，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，温度稳定性也达到十几个ppm/℃。与此同时，这种结构的宽带光源存在一个最大的问题就是铒纤过长，无法实现小型化、集成化。由于光纤的掺杂浓度较低，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(数十米左右)，无法将整个系统集成化，从而导致器件的稳定性和可靠性较低。
发明内容
传统的掺铒光纤超荧光光源中铒离子的掺杂浓度不能过高，导致铒纤的长度达到几十米，不利于超荧光光源的小型化和集成化的发展趋势。导致铒离子掺杂浓度低的主要原因是铒离子掺杂浓度过高会产生大量铒离子对，称之为浓度淬灭效应，此时再增加铒离子浓度会严重降低光纤对泵浦光的吸收效率。为了有效增加铒离子的浓度，在纤芯中掺入一定量的镱离子，通过镱离子先对泵浦光进行吸收，再通过能量传递效应传给铒离子，可以有效地降低浓度淬灭效应。
因而，本发明的目的在于提供一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光源集成装置。通过采用高掺杂的铒镱共掺光纤替代传统的铒纤，使得铒离子的掺杂浓度得到大幅度提高，并缩短了铒纤的长度(由原来的数十米缩短到几厘米)，满足了光纤陀螺用超荧光光源对小型化和集成化的发展要求。同时，本发明还对高掺杂光纤的前端面进行镀膜处理，通过膜系设计使薄膜在1550nm波长处高反，980nm处增透，实现双程前向结构。最终，采用自聚焦透镜实现对发散光束的准直和聚焦，达到提高泵浦激光器与高掺杂光纤的耦合效率的目的。
本发明提供一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，包括：
一管壳，为一方形体结构；
一制冷器，其制作在管壳内部的底面；
一热沉，其制作在制冷器上面的表面；
一980nm激光器管芯、一自聚焦透镜、一高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和一拉锥透镜光纤，其依序制作在热沉的上面，该980nm激光器管芯、自聚焦透镜、高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和拉锥透镜光纤位于同一光路上，该980nm激光器管芯用于提供泵浦光。
本发明的有益效果是：
a、该光源集成装置选用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤替代传统的低掺杂浓度铒纤，其铒离子掺杂浓度提高了3个数量级，提高单位光纤长度的吸收增益，在保证输出功率的情况下，铒纤长度由原来的十几米缩短至几厘米，使光源与铒纤的集成得以实现，能够实现掺铒光纤超荧光光源的小型化和集成化；
b、对高掺杂铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的前端面进行镀膜，通过合理的膜系设计使其在1550nm的反射率达95％以上，在980nm的反射率为1％以下。980nm处的低反射率能够保证自980nm泵浦激光器出射的光进入高掺杂增益光纤实现一次泵浦，1550nm处的高反射率又能够将产生的1550nm超荧光发射回增益光纤实现二次泵浦，从而形成双程前向的结构；
c、采用自聚焦透镜对发散光束进行准直和聚焦，再与光纤耦合，提高了耦合效率。
附图说明
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，其中：
图1是本发明中高掺杂宽光谱的EYD-SFS光源集成装置侧视图；
图2是本发明中自聚焦透镜的尺寸图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，包括：
一管壳1，为一方形体结构，其材质为可伐合金，采用8引脚蝶形管壳或14引线标准蝶形管壳；
一制冷器2，其制作在管壳1内部的底面，其用于对980nm激光器管芯4进行控温，控温精度可达±0.2℃；
一热沉3，其制作在制冷器2上面的表面，其材料为导热性能良好的金属材料镍或铜；
一980nm激光器管芯4、一自聚焦透镜5、一高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6和一拉锥透镜光纤7，其依序制作在热沉3的上面，该980nm激光器管芯4、自聚焦透镜5、高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6和拉锥透镜光纤7位于同一光路上，该980nm激光器管芯4用于提供泵浦光。
其中，自聚焦透镜5的前端面进行斜八度处理，即角度θ为8°，有效减小端面反射。该自聚焦透镜5的芯径d为1.8mm，焦距为1.4mm，长度Z为5-7mm，该自聚焦透镜5的两端镀增透膜，对980nm波长的反射率小于0.5％。
其中，高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6用石英玻璃保护层封装，并采用双拱桥将其焊接固定在热沉3上。
其中，高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的前端面进行镀膜处理，通过合理的膜系设计使其在1550nm的反射率达95％以上，在980nm的反射率为1％以下。980nm处的低反射率能够保证自980nm泵浦激光器出射的光进入高掺杂增益光纤实现一次泵浦，1550nm处的高反射率又能够将产生的1550nm超荧光发射回增益光纤实现二次泵浦，从而形成双程前向的结构；
其中，高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6中铒离子掺杂浓度3％，镱离子掺杂浓度5％，纤芯直径7.4μm，包层直径125μm，数值孔径0.43，平均增益5.2dB/cm，传播损耗0.04dB/cm，荧光寿命8.1ms。
其中，拉锥透镜光纤7的端面磨成楔角以减小端面反射，该拉锥透镜光纤7是采用双拱桥将其焊接固定在热沉3上。
综上所述，本实施例提出了一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光源集成装置，采用高掺杂的铒镱共掺光纤替代传统的铒纤，使光纤长度由原来的数十米缩短到几厘米，有利于小型化和集成化。对高掺杂光纤的前端面镀膜，通过膜系设计使薄膜在1550nm波长处高反，980nm处增透，实现双程前向结构。采用自聚焦透镜实现对发散光束的准直和聚焦，提高泵浦激光器与高掺杂光纤的耦合效率。
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 (8)

1.一种高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，包括：
一管壳，为一方形体结构；
一制冷器，其制作在管壳内部的底面；
一热沉，其制作在制冷器上面的表面；
一980nm激光器管芯、一自聚焦透镜、一高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和一拉锥透镜光纤，其依序制作在热沉的上面，该980nm激光器管芯、自聚焦透镜、高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤和拉锥透镜光纤位于同一光路上，该980nm激光器管芯用于提供泵浦光。
2.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中管壳的材质为可伐合金，采用引脚蝶形管壳或14引线标准蝶形管壳。
3.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中制冷器用于对980nm激光器管芯进行控温，控温精度达±0.2℃。
4.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中热沉的材料为具有良好导热性能的金属材料镍或铜。
5.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中自聚焦透镜的前端面进行斜八度处理，即角度θ为8°，有效减小端面反射；该自聚焦透镜的芯径d为1.8mm，焦距为1.4mm，长度Z为5-7mm，该自聚焦透镜的两端镀增透膜，对980nm波长的反射率小于0.5％。
6.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤用石英玻璃保护层封装，其前端面进行镀膜处理，通过膜系设计使该薄膜在1550nm处高反，在980nm处增透；该高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤是采用双拱桥将其焊接固定在热沉上。
7.根据权利要求6所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤中铒离子掺杂浓度3％，镱离子掺杂浓度5％，纤芯直径7.4μm，包层直径125μm，数值孔径0.43，平均增益5.2dB/cm，传播损耗0.04dB/cm，荧光寿命8.1ms。
8.根据权利要求1所述的高掺杂宽光谱的铒镱共掺超荧光光纤光源集成装置，其中拉锥透镜光纤的端面磨成楔角以减小端面反射，该拉锥透镜光纤是采用双拱桥将其焊接固定在热沉上。
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