CN111934175B - 基于无芯光纤的泵浦与信号合束器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无芯光纤的泵浦与信号合束器的制备方法，包括信号光纤(32)、若干根泵浦注入光纤(31)和输出光纤(35)，其具体操作步骤如下：S1：将原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成泵浦注入光纤；S2：对信号光纤的包层进行处理，形成一段等直径区域；S3：将若干根泵浦注入光纤围绕信号光纤均匀排列组成光纤束，通过定位夹具进行扭转，然后对光纤束进行熔融拉锥处理；S4：将熔融拉锥后的光纤束在锥腰处截断，再与输出光纤进行熔接形成合束器。本发明有效地解决了泵浦光纤与信号光纤直径不满足约束关系时，无法均匀排列的问题。

Description

基于无芯光纤的泵浦与信号合束器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电子学器件领域，更具体地涉及一种基于无芯光纤的泵浦与信号合束器及其制备方法。

背景技术

泵浦与信号合束器是全光纤化激光器系统的核心部件之一，主要用于泵浦光的合束和信号光的耦合传输，其性能优劣将直接决定光纤激光器的输出功率和光束质量的大小。目前合束器的泵浦光耦合方式主要有两种：端面泵浦与侧面泵浦。端面泵浦指的是将多束泵浦光合束后从端面耦合到双包层光纤的包层中。目前多采用熔融拉锥合束的方法，即将多根泵浦光纤均匀紧密排布在信号光纤周围组成光纤束进行熔融拉锥，再将其在锥腰处截断与双包层输出光纤熔接。侧面泵浦指的是将泵浦光从双包层光纤的侧面耦合进去。通常做法为：将泵浦光纤进行预拉锥后再将锥区熔合在输出光纤表面，并形成一定长度的熔合区，以保证其耦合效率与粘合强度。随着泵浦光在泵浦注入光纤锥区中的发散角逐渐增大，其包层将无法约束其传播，泵浦光将溢出泵浦注入光纤并耦合进入输出光纤，其耦合机制遵循全反射原理。由于侧面泵浦制备夹具机构复杂，很难实现大于4个臂以上的侧面泵浦合束器的研制。现有的泵浦臂大于4个的泵浦与信号合束器大多采用端面泵浦的耦合方式。目前，已报道的光纤端面泵浦与信号合束器制作方案中，泵浦光纤与信号光纤的包层直径尺寸通常满足尺寸约束关系，不存在均匀排列的问题。当二者包层直径不满足约束关系时，如果不进行特别处理将无法均匀排列，在后续熔融拉锥过程中信号光纤纤芯将不处于光纤束中心，很难实现信号光的高效率传输。同时信号光的纤芯受到压力挤压会导致变形，光束质量将会产生一定程度的退化，从而降低了激光器的性能。

本发明中提出了一种基于无芯光纤对泵浦光纤进行预处理的方式可以有效地解决当泵浦光纤与信号光纤包层直径不匹配时，光纤束不能均匀排列的问题。在本发明中，也考虑了信号光的模场匹配问题，信号光纤的包层直径通过一定方式进行处理后与无芯光纤直径相匹配，但不改变信号光纤的纤芯直径。

发明内容

本发明主要解决的问题为：在泵浦与信号合束器的制备过程中，当泵浦注入光纤与信号光纤的包层尺寸不满足约束关系时，将会遇到光纤束无法均匀排列的问题，导致泵浦光与信号光很难实现高效率的传输。本发明中所提出的一种基于无芯光纤的泵浦与信号合束器的制备方法可以解决上述问题。其采用的具体技术方案如下：

一种基于无芯光纤的泵浦与信号合束器，包括信号光纤、n根均匀围绕在该信号光纤周围的泵浦注入光纤以及泵浦输出光纤，其特点在于：所述泵浦注入光纤由原始泵浦光纤和无芯光纤熔接组成，且原始泵浦光纤包层直径d₁，无芯光纤包层直径d₂：

当d₁≤d₂时，所述的原始泵浦光纤与无芯光纤直接熔接形成泵浦注入光纤；

当d₁>d₂时，先将原始泵浦光纤拉锥形成有原始区、锥形区和锥腰区的锥形光纤，其中，锥形区位于原始区和锥腰区之间，锥腰区的直径d₁₁＝d₂±2μm，再将锥形化后的原始泵浦光纤在锥腰区截断与无芯光纤进行熔接形成泵浦注入光纤；

所述信号光纤的包层经处理后形成一段等直径区域，该等直径区域的包层直径d₃＝d₂(1-sin a)/sin a±2μm，其中a＝180°/n。

所述的泵浦输出光纤为双包层大模场光纤。

所述的信号光纤原始直径区域与缩小直径的区域连接处为锥形平滑过渡区域，处理后的包层表面为光学平滑表面。

所述泵浦输出光纤，可以将其进行拉锥处理形成上锥区、锥腰区与下锥区，其中，输出光纤锥腰处的信号光模场直径与光纤束锥腰区的信号光模场直径匹配，以提升信号光耦合效率；同时，输出光纤锥腰处的直径与光纤束锥区中锥腰的直径近似相等且相差少于5μm。

基于无芯光纤的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

S1：制备n根泵浦注入光纤，即将原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成泵浦注入光纤，具体是

当原始泵浦光纤的包层直径d₁≤无芯光纤包层直径d₂时，将原始泵浦光纤与无芯光纤直接进行熔接处理；

当原始泵浦光纤的包层直径d₁>无芯光纤包层直径d₂时，将原始泵浦光纤进行预拉锥后形成有原始区、锥形区和锥腰区的锥形光纤，其中，锥形区位于原始区和锥腰区之间，锥腰区的直径d₁₁＝d₂±2μm，在锥腰区截断，并与无芯光纤进行熔接形成泵浦注入光纤；

S2：对信号光纤的包层进行处理，形成一段等直径区域，且该等直径区域的包层直径d₃＝d₂(1-sin a)/sin a±2μm其中a＝180°/n，n为泵浦注入光纤的数量；

S3：将n根泵浦注入光纤围绕信号光纤均匀排列组成光纤束，通过定位夹具进行扭转，然后对光纤束进行熔融拉锥处理，形成上锥区、锥腰区和下锥区；

S4：将熔融拉锥后的光纤束在锥腰处截断，采用纤芯对准模式与输出光纤进行熔接形成合束器，锥腰处的轮廓直径与输出光纤的直径近似相等且相差少于5μm。

所述S3：具体是

将所述光纤束进行熔融拉锥处理后，其锥腰截面轮廓为圆形，信号光纤纤芯处于正中心，周围均匀紧密环绕着n根无芯光纤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、无芯光纤具有更大的数值孔径，其数值一般为0.46，可以更高效地接收由于拉锥导致发散角逐渐增大的泵浦光。

2、无芯光纤作为新的泵浦光纤，可以对其尺寸进行选择。其好处在于：一是可以选择合适的包层尺寸与信号光纤相匹配；二是制备完成后未改变原始泵浦注入光纤尺寸，从用户角度来讲，具有更高的适用性与匹配度。

3.信号光纤通过一定方式改变包层直径尺寸，然而纤芯尺寸不会被改变，不影响其光束质量传输。更容易与泵浦注入光纤形成均匀排列的光纤束，保证两者均匀紧密排布，使得信号光纤纤芯在熔融拉锥后始终处于整个光纤束的中心位置；

4、采用无芯光纤作为新的泵浦光纤，在熔融拉锥后的光纤束与输出光纤熔接的处理过程中，可清晰看到信号光纤纤芯位置，从而有助于输入输出纤芯对准，提高信号光耦合效率；

5、输出光纤可进行预拉锥处理，可以较好的与光纤束锥区中信号光模场匹配以及泵浦光传输的包层直径匹配，从而提升了信号光光束质量，同时也避免了因面积失配造成的泵浦光耦合效率下降。

附图说明：

图1为泵浦光纤与经过处理后的信号光纤均匀排列的端面结构示意图(以n＝6为例)；

图2为多模原始泵浦光纤与无芯光纤熔接的结构示意图；

图3(a)～(e)是本发明实施例1中(无芯光纤直径大于等于原始泵浦光纤时)6根泵浦注入光纤围绕信号光纤均匀排列、扭转、熔融拉锥、切割及与输出光纤熔接的制作过程示意图；

图4(a)为等直径区(图3中的341)的端面实物图；

图4(b)为锥区(图3中的33)的端面实物图；

图5为锥形化的原始泵浦光纤与无芯光纤的熔接结构示意图；

图6为采用化学试剂腐蚀后的信号光纤的示意图；

图7(a)～(e)为本发明实施例2(无芯光纤直径小于原始泵浦光纤时)中6根泵浦注入光纤围绕信号光纤均匀排列、扭转、熔融拉锥、切割及与输出光纤熔接的制作过程示意图；

图8为本发明实施例3(无芯光纤直径小于原始泵浦光纤且泵浦输出光纤为锥形化时)中制成的泵浦与信号合束器的结构示意图。

具体实施方式

以下均以(6+1)×1型的泵浦与信号合束器(即泵浦光纤数量n＝6的情况)为例，结合3个具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

以下是本发明的三个具体实施例：

实施例1：

实施例1中泵浦与信号合束器为(6+1)×1型。其中，原始泵浦光纤为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。无芯光纤包层直径可以选择在242-250μm之间，数值孔径为0.46NA。信号光纤的纤芯/包层直径为30/250μm，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。泵浦输出光纤的纤芯/包层直径为20/400μm，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。具体的制作步骤如下：

S1：合束器制备中所用的6根泵浦注入光纤均由原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成。图2为原始泵浦光纤与无芯光纤的熔接结构示意图。其中，21为去除涂覆层的原始泵浦光纤的示意图，一般长度为10mm。22为去除涂覆层的无芯光纤的示意图，一般长度为35mm。23为两者的熔点。带有涂覆层的原始泵浦光纤长度通常取用1.5m，带有涂覆层的无芯光纤通常取用0.3m，将两者进行小角度切割并采用熔接机进行熔接处理，熔接损耗低于0.02dB；

S2：将1.5m长的信号光纤采用涂覆层窗口剥除50mm左右；

S3：将泵浦注入光纤和信号光纤进行均匀排列处理。参见图3(a)～(b)所示,将所述泵浦注入光纤31，围绕信号光纤32均匀排列，进行扭转处理。然后进行熔融拉锥处理对光纤束进行拉锥，使得拉锥后的光纤束锥腰直径在390-400μm，参见图3(c)所示，等直径区34长度约3mm，左右两侧的过渡区锥区33长度约5-8mm。

S4：将拉锥后的光纤束在等直径区的中间位置进行切割，参见图3(d)～(e)所示，切割后的等直径区341切割位置直径不超过400μm，切割端面参见图3(e)中的合束器端面示意图a，然后再与输出光纤35进行熔接处理形成光纤合束器。

参见图4(a)为图3(e)中的等直径区域341切割后得到的端面实物图，图4(a)中的十字叉线位置为光纤束切割端面的中心位置，与信号光纤纤芯中心位置基本接近。参见图4(b)为图3(e)中锥区33切割后得到的端面实物图。对信号光纤中心位置点与相邻两根无芯光纤的相切点之间的连线，相邻连线之间的夹角均接近60°。从而证明本发明中的这种基于无芯光纤对泵浦光纤进行预处理的方式可以有效地解决当泵浦光纤与信号光纤包层直径不匹配时，光纤束不能均匀排列而导致信号光纤在后续熔融拉锥及切割过程中出现偏离光纤束中心的问题。

实施例1中所制备的合束器也可以应用在反向泵浦结构中，则信号注入光纤为20/400μm(NA＝0.06/0.46),信号输出光纤为30/250μm(NA＝0.06/0.46)。

实施例2：

实施例2中泵浦与信号合束器为(6+1)×1型。其中，原始泵浦光纤为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。无芯光纤的包层直径为160μm，数值孔径为0.46NA。信号光纤的纤芯/包层直径为25/250μm，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。泵浦输出光纤的纤芯/包层直径为20/400μm，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。具体的制作步骤如下：

S1：合束器制备中所用的6根泵浦注入光纤均由锥形化的原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成。将原始泵浦光纤的涂覆层剥除20-30mm，对原始泵浦光纤进行拉锥，使得拉锥后的光纤锥腰直径在160μm左右，等直径区域的长度约2mm，左右两侧的过渡区长度约10mm。将拉锥好的泵浦光纤在等直径区的中间位置进行切割，切割位置直径不超过160μm，最终形成锥形化的原始泵浦光纤。图5为锥形化的原始泵浦光纤与无芯光纤的熔接结构示意图。其中，51为锥形化的去除涂覆层的原始泵浦光纤的示意图，一般长度为15mm。52为去除涂覆层的无芯光纤的示意图，一般长度为30mm。53为两者的熔点。带有涂覆层的原始泵浦光纤长度通常取用1.5m，带有涂层的无芯光纤长度通常取用0.3m；

S2：将信号光纤的涂覆层窗口剥除50-60mm，对光纤进行处理。图6为处理后的信号光纤的示意图。其中，63为信号光纤经过处理后与无芯光纤直径近似相等且相差少于5μm的区域，61为信号光纤的原始直径区域，62为处理后的等直径区域与原始直径区域中间的锥形平滑过渡区；

S3：将泵浦注入光纤和信号光纤进行均匀排列处理。参见图7(a)～(b)所示,将所述泵浦注入光纤31，围绕信号光纤32均匀排列，进行扭转处理。然后进行熔融拉锥处理，对光纤束进行拉锥，使得拉锥后的光纤束锥腰直径在390-400μm，参见图7(c)所示，等直径区34长度约3mm，左右两侧的过渡区锥区33长度约5-8mm；

S4：将拉锥后的光纤束在等直径区的中间位置进行切割，参见图7(d)～(e)所示，切割后的等直径区341切割位置直径不超过400μm，切割端面参见图7(e)中的合束器端面示意图a，然后再与输出光纤35进行熔接处理形成光纤合束器。

实施例2中所制备的合束器也可以应用在反向泵浦结构中，则信号注入光纤为20/400μm(NA＝0.06/0.46),信号输出光纤为25/250μm(NA＝0.06/0.46)。

实施例3：

实施例3中泵浦与信号合束器为(6+1)×1型。其中，原始泵浦光纤为220/242μm(NA＝0.22)的多模光纤。无芯光纤的包层直径为125μm，数值孔径为0.46NA。信号光纤的纤芯/包层直径为10/125μm，对应的数值孔径(NA)为0.08/0.46。泵浦输出光纤的纤芯/包层直径为20/400μm，对应的数值孔径(NA)为0.06/0.46。具体的制作步骤如下：

S1：合束器制备中所用的6根泵浦注入光纤均由锥形化的原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成。将原始泵浦光纤的涂覆层剥除20-30mm，对原始泵浦光纤进行拉锥，使得拉锥后的光纤锥腰直径在125μm左右，等直径区域的长度约2mm，左右两侧的过渡区长度约10mm。将拉锥好的泵浦光纤在等直径区的中间位置进行切割，切割位置直径不超过125μm，最终形成锥形化的原始泵浦光纤。带有涂覆层的原始泵浦光纤长度通常取用1.5m，带有涂覆层的无芯光纤长度通常取用0.3m，将无芯光纤进行小角度切割后与锥形化的原始泵浦光纤采用熔接机进行熔接处理；

S2：将信号光纤的涂覆层窗口剥除50-60mm，对光纤进行处理形成一段与无芯光纤直径近似相等且相差少于5μm的区域，信号光纤的原始直径区与处理后的等直径区为锥形平滑过渡区；

S3：将所述泵浦注入光纤31，围绕信号光纤32均匀排列，进行扭转处理。然后进行熔融拉锥处理，对光纤束进行拉锥，使得拉锥后的光纤束锥腰直径在280μm，等直径区长度约3mm，左右两侧的过渡区长度约5-8mm；

S4：将双包层输出光纤的涂覆层剥除30-40mm，对输出光纤进行拉锥，使得拉锥后的光纤锥腰直径在280μm左右，长度约2mm，左右两侧的过渡区长度约10mm。将拉锥好的输出光纤在等直径区的中间位置进行切割，切割位置直径不超过280μm。再将拉锥后的光纤束在等直径区的中间位置进行切割，切割位置直径不超过280μm，切割端面参见图8中的合束器端面示意图a，然后再与输出光纤35进行熔接形成如图8所示的光纤合束器。

实施例3中所制备的合束器也可以应用在反向泵浦结构中，信号注入光纤为20/400μm(NA＝0.06/0.46),信号输出光纤为10/125μm(NA＝0.08/0.46)。

以上所述的具体实施案例，是对本发明目的、技术方案和有益结果的进一步详细说明，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无芯光纤制备的泵浦与信号合束器，包括信号光纤、n根均匀围绕在该信号光纤周围的泵浦注入光纤以及泵浦输出光纤，其特征在于：所述泵浦注入光纤由具有纤芯的原始泵浦光纤和无芯光纤熔接组成，且原始泵浦光纤包层直径d₁，无芯光纤包层直径d₂：所述的信号光纤纤芯处于正中心，周围均匀紧密环绕着n根无芯光纤；

当d₁≤d₂时，所述原始泵浦光纤与无芯光纤直接熔接形成泵浦注入光纤；

当d₁>d₂时，先将原始泵浦光纤拉锥形成有原始区、锥形区和锥腰区的锥形光纤，其中，锥形区位于原始区和锥腰区之间，锥腰区的直径d₁₁＝d₂±5μm，再将锥形化后的原始泵浦光纤在锥腰区截断与无芯光纤进行熔接形成泵浦注入光纤；

所述信号光纤的包层经处理后形成一段等直径区域，该等直径区域的包层直径d₃＝d₂(1-sin a)/sin a±10％d₂(1-sin a)/sin a，其中a＝180°/n；

所述n根泵浦注入光纤与信号光纤经合束处理后形成的光纤束端面与泵浦输出光纤的端面熔接。

2.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述的泵浦输出光纤为双包层大模场光纤。

3.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述的信号光纤包层未经处理的原始直径区域与包层经处理后的缩小直径的区域连接处为锥形平滑过渡区域，处理后的包层表面为光学平滑表面。

4.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器，其特征在于：所述泵浦输出光纤，可以将其进行拉锥处理形成上锥区、锥腰区与下锥区，其中，输出光纤锥腰处的信号光模场直径与光纤束锥腰区的信号光模场直径匹配，以提升信号光耦合效率；同时，输出光纤锥腰处的包层直径与光纤束锥区中锥腰的直径近似相等且相差少于5μm。

5.如权利要求1所述的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

S1：制备n根泵浦注入光纤，即将原始泵浦光纤与无芯光纤熔接形成泵浦注入光纤，具体是，

当原始泵浦光纤的包层直径d₁≤无芯光纤包层直径d₂时，将原始泵浦光纤与无芯光纤直接进行熔接处理；

当原始泵浦光纤的包层直径d₁>无芯光纤包层直径d₂时，将原始泵浦光纤进行预拉锥后形成有原始区、锥形区和锥腰区的锥形光纤，其中，锥形区位于原始区和锥腰区之间，锥腰区的直径d₁₁＝d₂±5μm，在锥腰区截断，并与无芯光纤进行熔接形成泵浦注入光纤；

S2：对信号光纤的包层进行处理，形成一段等直径区域，且该等直径区域的包层直径d₃＝d₂(1-sin a)/sin a±10％d₂(1-sin a)/sin a，其中a＝180°/n，n为泵浦注入光纤的数量；

S3：将n根泵浦注入光纤围绕信号光纤均匀排列组成光纤束，通过定位夹具进行扭转，然后对光纤束进行熔融拉锥处理，形成上锥区、锥腰区和下锥区；

S4：将熔融拉锥后的光纤束在锥腰处截断，采用纤芯对准模式与输出光纤进行熔接形成合束器，锥腰处的轮廓直径与输出光纤的直径近似相等且相差少于5μm。

6.如权利要求5所述的泵浦与信号合束器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：所述S3：具体是，

将所述光纤束进行熔融拉锥处理后，其锥腰截面轮廓为圆形，信号光纤纤芯处于正中心，周围均匀紧密环绕着n根无芯光纤。

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