CN110707514A - 一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法，该组件包括泵浦光纤、信号光纤、合波光纤、插芯及合波装置，信号光纤设置在合波装置的第一侧，合波装置的第二侧设置有插芯，插芯的第一端面靠近合波装置，泵浦光纤及合波光纤贴合在插芯的第二端面；泵浦光纤正对插芯的第一光纤，合波光纤正对插芯的第二光纤；一光学薄片固定于插芯的第一端面，且光学薄片覆盖第一光纤和/或第二光纤在第一端面所在的区域；光学薄片的折射率自靠近插芯的一侧向远离插芯的一侧逐渐增大。其制备方法主要为在插芯的第一端面固定光学薄片。本发明可有效解决泵浦光纤、信号光纤及合波光纤之间存在的模场匹配问题，降低耦合损耗。

Description

一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体是涉及一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法。
背景技术
通常，光纤放大器需要一种用于将泵浦光信号和待放大光信号合波到同一根光纤内的装置或器件。该器件包含有一根用于输入泵浦光信号的光纤，一根用于输入待放大光信号的光纤，和一根用于合波后传输用的光纤，中间为合波装置。目前，较为经济和适用的泵浦激光器的波长一般为980nm，若要保持其在光纤传输为单模模式，使用的是纤芯物理尺寸较小的光纤，按照OFS公司所生产的980－16光纤的规格，可得知1550nm光纤的模场直径(MFD)为7.5um，980nm光纤的 MFD为5.0um。待放大光信号输入端的光纤一般为普通单模光纤，例如 G.675A或G.652D光纤，1550nm光纤的MFD通常为10um左右。因此，泵浦光信号与待放大光信号在同一种光纤内的MFD存在较大差异，三者之间存在模场匹配问题。如果不做特殊的技术处理，将造成待放大光信号或者泵浦光信号的能量损失。
针对现有扩束光纤的应用，具体分为以下两种：
(1)在合波装置一侧，其中一根是用于输入泵浦光信号的光纤，另一根是用于合波后传输用的光纤，均采用相同的980单模光纤，此时980单模光纤出光头部的纤芯物理尺寸是被“扩大”化的，即扩束光纤。扩束后的980单模光纤1550nmMFD与输入端单模光纤的MFD相匹配，比如都为10um。由于均采用扩束光纤，双线光纤对于980nm光纤的光维持了相同的MFD，比如均是7um。因此泵浦光信号和待放大光信号同时获得比较低的耦合和传输损耗。
(2)在合波装置一侧，其中一根是用于输入泵浦光信号的光纤，采用980单模光纤，另一根是用于合波后传输用的光纤，采用普通单模光纤。此时，980单模光纤的头部采用扩束工艺处理。输入端一侧则维持普通单模光纤。因此，只要980扩束光纤的1550nmMFD与输入端和合波端的MFD匹配，比如都为10um，即可获得待放大光信号的低耦合损耗。
鉴于现有技术中扩束光纤的应用，其中一种常规制备方法为：在高温火焰持续加热下，纤芯高折射率材料将向光纤包层扩散，使得纤芯变大，最终使得该980单模光纤的1550nm的MFD接近普通单模光纤的尺寸，从而降低模场失匹，提高耦合效率；另一种制备方法则通过在980nm光纤端面熔接一小段梯度折射率光纤，使得出光后的1550nm 的MFD与普通光纤相同。该梯度折射率光纤需要被精确控制和选择，以便调节出光的MFD。
为了解决现有扩束工艺的参数匹配、制作成本高、扩束区域有限、制备过程繁杂等方面，本技术方案特提出一种可替代可扩束光纤的组件及其制备方法，可解决现有技术问题，降低耦合损耗，提高耦合效率，并提升工艺处理能力。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种可替代扩束光纤的组件。
本发明的第二目的是提供一种可替代扩束光纤的组件的制备方法。
为实现本发明的第一目的，本发明提供的可替代扩束光纤的组件包括泵浦光纤、信号光纤、合波光纤、插芯及合波装置，信号光纤设置在合波装置的第一侧，合波装置的第二侧设置有插芯，插芯的第一端面靠近合波装置，泵浦光纤及合波光纤贴合在插芯的第二端面；泵浦光纤正对插芯的第一光纤，合波光纤正对插芯的第二光纤；一光学薄片固定于插芯的第一端面，且光学薄片覆盖第一光纤和/或第二光纤在第一端面所在的区域；光学薄片的折射率自靠近插芯的一侧向远离插芯的一侧逐渐增大。
由上述方案可见，本发明通过在合波装置的第二侧设置插芯，并将泵浦光纤及合波光纤贴合于插芯，同时通过光学薄片的折射率自靠近插芯的一侧向远离插芯的一侧逐渐增大，并覆盖第一光纤和/或第二光纤在第一端面所在的区域，可有效解决泵浦光纤、信号光纤及合波光纤之前存在的模场匹配问题，可令泵浦光信号和待放大光信号同时获得比较低的耦合和传输损耗。
进一步的方案是，光学薄片由二个以上渐变折射率透镜的叠合而成。
更进一步的方案是，多个渐变折射率透镜包括二种以上类型的渐变折射率透镜。
更进一步的方案是，光学薄片的横截面形状为圆形、半圆形或者方形。
更进一步的方案是，光学薄片采用无胶粘接或者有胶粘接的方式固定在插芯的第一端面。
更进一步的方案是，光学薄片靠近插芯的端面经过研磨抛光处理。
由上可见，本发明中光学薄片通过渐变折射率透镜叠合而成，具备梯度折射率，粘接固定于插芯端面并经研磨抛光处理，可实现良好的扩束作用。
为实现上述的第二目的，本发明提供一种可替代扩束光纤的组件的制备方法包括将泵浦光纤与合波光纤粘接在插芯的第二端面上，使泵浦光纤正对插芯的第一光纤，合波光纤正对插芯的第二光纤；在插芯的第一端面外侧设置合波装置，合波装置的第一侧设置信号光纤；在插芯的第一端面固定一光学薄片，光学薄片覆盖第一光纤和/或第二光纤在第一端面所在的区域；光学薄片的折射率自靠近插芯的一侧向远离插芯的一侧逐渐增大。
由上述方案可见，本发明通过在合波装置的第二侧设置插芯，并将泵浦光纤及合波光纤贴合于插芯，同时通过光学薄片的折射率自靠近插芯的一侧向远离插芯的一侧逐渐增大，并覆盖第一光纤和/或第二光纤在第一端面所在的区域，通过该组件的制作设计，可有效解决泵浦光纤、信号光纤及合波光纤之前存在的模场匹配问题，可令泵浦光信号和待放大光信号同时获得比较低的耦合和传输损耗。
进一步的方案是，在插芯的第一端面固定光学薄片包括：
将渐变折射率透镜切削至预设厚度，并对切削后的一段渐变折射率透镜进行粗磨加工；将粗磨加工后的渐变折射率透镜上蜡上盘；将切削后的渐变折射率透镜外露一面进行细磨抛光并镀上第一镀膜；反转切削后的渐变折射率透镜，重新上蜡上盘，研磨抛光至目标厚度并进行镀上第二镀膜；将镀上第二镀膜的渐变折射率透镜固定在插芯的第一端面。
更进一步的方案是，在插芯的第一端面固定光学薄片包括：将二段以上镀上第二镀膜的渐变折射率透镜叠合后，固定在插芯的第一端面。
由上可见，通过进行一系列加工，得到预设厚度尺寸的光学薄片，并在插芯的第一端面固定光学薄片，可使该组件实现扩束光纤的作用。同时，增加了扩束区域，提升了工艺处理能力，降低了制作难度和制作成本。
附图说明
图1是本发明一种可替代扩束光纤的组件第一实施例的结构示意图。
图2是本发明一种可替代扩束光纤的组件第二实施例的结构示意图。
图3是本发明一种可替代扩束光纤的组件第一实施例的扩束结构示意图。
图4是本发明一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法实施例的制备方法流程图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
一种可替代扩束光纤的组件第一实施例：
参见图1、图3，图1是本发明一种可替代扩束光纤的组件第一实施例的结构示意图，图3是本发明一种可替代扩束光纤的组件实施例的扩束结构示意图。该组件包括泵浦光纤2、信号光纤4、合波光纤1、插芯5及合波装置3，信号光纤4设置在合波装置3的第一侧，合波装置3的第二侧设置有插芯5，插芯5的第一端面靠近合波装置3，泵浦光纤2及合波光纤1贴合在插芯的第二端面；泵浦光纤2正对插芯5的第一光纤12，合波光纤1正对插芯的第二光纤11。具体地，本实施例中泵浦光纤2和合波光纤1所采用的光纤均为980单模光纤，信号光纤4所采用的光纤为普通单模光纤。
光学薄片6固定于插芯5的第一端面，且光学薄片6覆盖第一光纤12和第二光纤11在第一端面所在的区域。光学薄片6的折射率自靠近插芯5的一侧向远离插芯5的一侧逐渐增大。本实施例中需要通过光学薄片6覆盖泵浦光纤2及合波光纤1进行扩束以解决泵浦光纤 2、信号光纤4、合波光纤1三者之间存在的模场匹配问题。具体地，基于光学薄片6形成的扩束结构如图3所示，其中71为非扩束区域， 72为扩束区域。
进一步地，光学薄片6由二个以上渐变折射率透镜的叠合而成。多个渐变折射率透镜包括二种以上类型的渐变折射率透镜。光学薄片 6的横截面形状为圆形、半圆形或者方形。光学薄片6采用无胶粘接或者有胶粘接的方式固定在插芯5的第一端面。光学薄片6靠近插芯 5的端面经过研磨抛光处理。
由上述方案可见，本发明通过在合波装置3的第二侧设置插芯5，并将泵浦光纤2及合波光纤1贴合于插芯5，光学薄片6固定于插芯5 端面，其折射率自靠近插芯5的一侧向远离插芯5的一侧逐渐增大，可有效解决泵浦光纤2、信号光纤4及合波光纤1之间存在的模场匹配问题。光学薄片6通过渐变折射率透镜叠合而成，具备梯度折射率，粘接固定于插芯5端面并经研磨抛光处理，可实现良好的扩束作用。同时，由于本实施例中泵浦光纤2和合波光纤1所采用的光纤均为980 单模光纤，则通过覆盖第一光纤12和第二光纤11在第一端面所在的区域，可针对泵浦光纤2和合波光纤1实现扩束作用，可令泵浦光信号和待放大光信号同时获得比较低的耦合和传输损耗。
一种可替代扩束光纤的组件第二实施例：
参见图2，图2是本发明一种可替代扩束光纤的组件第二实施例的结构示意图。该组件包括泵浦光纤2＇、信号光纤4＇、合波光纤1＇、插芯5＇及合波装置3＇，信号光纤4＇设置在合波装置3＇的第一侧，合波装置3＇的第二侧设置有插芯5＇，插芯5＇的第一端面靠近合波装置3＇，泵浦光纤2＇及合波光纤1＇贴合在插芯5＇的第二端面；泵浦光纤2＇正对插芯5＇的第一光纤12＇，合波光纤1＇正对插芯5＇的第二光纤11＇。具体地，本实施例中泵浦光纤2＇所采用的光纤为 980单模光纤，合波光纤1＇所采用的光纤为普通单模光纤，信号光纤 4＇所采用的光纤为普通单模光纤。
光学薄片6＇固定于插芯5＇的第一端面，且光学薄片6＇覆盖第一光纤12＇在第一端面所在的区域。光学薄片6＇的折射率自靠近插芯5＇的一侧向远离插芯5＇的一侧逐渐增大。本实施例中需要通过光学薄片6＇覆盖泵浦光纤2＇进行扩束以解决泵浦光纤2＇、信号光纤4＇、合波光纤1＇三者之间存在的模场匹配问题。具体地，基于光学薄片6＇形成的扩束结构与第一实施例相同，不再赘述。
进一步地，光学薄片6＇由二个以上渐变折射率透镜的叠合而成。多个渐变折射率透镜包括二种以上类型的渐变折射率透镜。光学薄片 6＇的横截面形状为圆形、半圆形或者方形。光学薄片6＇采用无胶粘接或者有胶粘接的方式固定在插芯的第一端面。光学薄片6＇靠近插芯5＇的端面经过研磨抛光处理。
由上述方案可见，本发明通过在合波装置3＇的第二侧设置插芯5＇，并将泵浦光纤2＇及合波光纤1＇贴合于插芯，光学薄片6＇固定于插芯5＇端面，其折射率自靠近插芯5＇的一侧向远离插芯5＇的一侧逐渐增大，可有效解决泵浦光纤2＇、信号光纤4＇及合波光纤1＇之间存在的模场匹配问题。光学薄片6＇通过渐变折射率透镜叠合而成，具备梯度折射率，粘接固定于插芯5＇端面并经研磨抛光处理，可实现良好的扩束作用。同时，由于本实施例中泵浦光纤2＇所采用的光纤为980单模光纤，合波光纤1＇所采用的光纤为普通单模光纤，则通过覆盖第一光纤12＇在第一端面所在的区域，可针对泵浦光纤2＇实现扩束作用，可令待放大光信号获得比较低的耦合和传输损耗。
一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法实施例：
参见图4，图4是本发明一种可替代扩束光纤的组件及其制备方法实施例的制备方法流程图。
在插芯的第一端面固定光学薄片包括：首先，执行步骤S1，将渐变折射率透镜切削至预设厚度，并对切削后的一段渐变折射率透镜进行粗磨加工。接着，执行步骤S2，将粗磨加工后的渐变折射率透镜上蜡上盘；然后，执行步骤S3，将切削后的渐变折射率透镜外露一面进行细磨抛光并镀上第一镀膜；接着，执行步骤S4，反转切削后的渐变折射率透镜，重新上蜡上盘，研磨抛光至目标厚度并进行镀上第二镀膜；最后，执行步骤S5，将镀上第二镀膜的渐变折射率透镜固定在插芯的第一端面。
具体地，光学薄片的厚度可根据渐变折射率透镜(G-lens)的传输方程建立数学模型及实际工艺条件进行确定，数学模型中ABCD传输矩阵各系数如下所示：
Figure RE-GDA0002272776590000071
Figure RE-GDA0002272776590000072
Figure RE-GDA0002272776590000073
Figure RE-GDA0002272776590000074
其中ω为目标束腰半径，其中，束腰半径是高斯光绝对平行传输方向的地方的半径，L为G-lens距光纤端面距离，A为G-lens根号参数，Z为G-lens长度，n0为G-lens中心折射率，Zω为出射光的束腰距 G-lens的距离。同时，已知光纤端面的出射光的Q参数为：
又根据束腰半径与q3参数的关系，得
Figure RE-GDA0002272776590000076
具体地，Z为未知量，A、n0、ω0、λ0为已知量，L设为0，Zω设为一靠近透镜端面的值，如±0.02mm，0.03mm，0.04mm，或可根据实际应用环境方便组装所需决定。本实施例中取Zω＝-0.02mm，可得Z 的近似解约等于0.06mm。
由上述方案可见，本发明通过根据数学模型及实际工艺确定光学薄片厚度，并在插芯的第一端面固定光学薄片，实现制备一种可替代扩束光纤的组件。通过光学薄片实现扩束作用，增加了扩束区域，解决了工艺处理需匹配设备参数的问题、降低了工艺处理难度，同时不需要处理危险可燃气体、熔接设备，降低了制作成本。

Claims (9)

1.一种可替代扩束光纤的组件，包括：
泵浦光纤、信号光纤、合波光纤、插芯及合波装置，所述信号光纤设置在所述合波装置的第一侧，所述合波装置的第二侧设置有插芯，所述插芯的第一端面靠近所述合波装置，所述泵浦光纤及所述合波光纤贴合在所述插芯的第二端面；
所述泵浦光纤正对所述插芯的第一光纤，所述合波光纤正对所述插芯的第二光纤；
其特征在于：
一光学薄片固定于所述插芯的第一端面，且所述光学薄片覆盖所述第一光纤和/或所述第二光纤在所述第一端面所在的区域；
所述光学薄片的折射率自靠近所述插芯的一侧向远离所述插芯的一侧逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的可替代扩束光纤的组件，其特征在于：
所述光学薄片由二个以上渐变折射率透镜的叠合而成。
3.根据权利要求2所述的可替代扩束光纤的组件，其特征在于：
多个所述渐变折射率透镜包括二种以上类型的渐变折射率透镜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的可替代扩束光纤的组件，其特征在于：
所述光学薄片的横截面形状为圆形、半圆形或者方形。
5.根据权利要求1至3任一项所述的可替代扩束光纤的组件，其特征在于：
所述光学薄片采用无胶粘接或者有胶粘接的方式固定在所述插芯的第一端面。
6.根据权利要求1至3任一项所述的可替代扩束光纤的组件，其特征在于：
所述光学薄片靠近所述插芯的端面经过研磨抛光处理。
7.一种可替代扩束光纤的组件的制备方法，包括：
将泵浦光纤与合波光纤粘接在插芯的第二端面上，使所述泵浦光纤正对所述插芯的第一光纤，所述合波光纤正对所述插芯的第二光纤；
在插芯的第一端面外侧设置合波装置，所述合波装置的第一侧设置信号光纤；
其特征在于：
在所述插芯的第一端面固定一光学薄片，所述光学薄片覆盖所述第一光纤和/或所述第二光纤在所述第一端面所在的区域；
所述光学薄片的折射率自靠近所述插芯的一侧向远离所述插芯的一侧逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的可替代扩束光纤的组件的制备方法，其特征在于：
在所述插芯的第一端面固定所述光学薄片包括：
将渐变折射率透镜切削至预设厚度，并对切削后的一段渐变折射率透镜进行粗磨加工；
将粗磨加工后的所述渐变折射率透镜上蜡上盘；
将切削后的所述渐变折射率透镜外露一面进行细磨抛光并镀上第一镀膜；
反转切削后的所述渐变折射率透镜，重新上蜡上盘，研磨抛光至目标厚度并进行镀上第二镀膜；
将镀上第二镀膜的所述渐变折射率透镜固定在所述插芯的第一端面。
9.根据权利要求8所述的可替代扩束光纤的组件的制备方法，其特征在于：
在所述插芯的第一端面固定所述光学薄片包括：
将二段以上镀上第二镀膜的所述渐变折射率透镜叠合后，固定在所述插芯的第一端面。
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