CN112666659A - 一种致密排列布置的光纤合束器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种致密排列布置的光纤合束器及其制作方法，包括N根光纤和第一套管，N根光纤熔融拉锥形成锥区，N根光纤包括一根中心光纤和多根第一外围光纤；多根第一外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在中心光纤的外周，相邻两根第一外围光纤相互邻接，第一套管套在多根第一外围光纤的外侧，每根第一外围光纤邻接在中心光纤和第一套管套之间。通过设计中心光纤和外围光纤的包层直径，以是相邻的外围光纤邻接的同时，并邻接在中心光纤和管套之间，或邻接在内外管套之间，从而实现致密排列布置，随后在进行熔融拉锥时其可易于操作，提高熔接品质，也提高合束器的结构稳定性和工作稳定性。

Description

一种致密排列布置的光纤合束器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤器件领域，尤其涉及一种致密排列布置的光纤合束器及其制作方法。

背景技术

光纤激光器因其具有光束质量好、转换效率高、热管理方便等优点，在通信、工业制造、科学研究、航空航天等领域具有广泛的应用，在高功率光纤激光器中，合束器由于泵浦光功率、热损伤、受激拉曼和受激布里渊等非线性效应等的制约，单根光纤输出的激光器功率已接近理论极限，为了进一步提高光纤激光功率，将多个单根光纤输出的激光器进行合束是一种行之有效的方法，其中关键的无源光器件就是光纤合束器。

现有的合束器制作过程中，一般将外围光纤包围在中心光纤的外周，继而外围光纤和中心光纤进行熔融拉锥形成锥区，在非特定数量的外围光纤下，继而难以形成规则且对称的致密排列，增加制作难度。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种任意数量光纤可实现致密排列布置的光纤合束器。

本发明的第二目的是提供一种上述光纤合束器的制作方法。

为了实现本发明第一目的，本发明提供一种致密排列布置的光纤合束器，包括N根光纤和第一套管，N根光纤熔融拉锥形成锥区，N≥4，N根光纤包括一根中心光纤和多根第一外围光纤；多根第一外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在中心光纤的外周，相邻两根第一外围光纤相互邻接，第一套管套在多根第一外围光纤的外侧，每根第一外围光纤邻接在中心光纤和第一套管套之间。

更进一步的方案是，中心光纤的光纤包层直径为D0，第一外围光纤的光纤包层直径为D1，D0和D1的关系如下公式：

更进一步的方案是，光纤合束器还包括第二套管，N根光纤还包括多根第二外围光纤；多根第二外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在第一套管的外周，相邻两根第二外围光纤相互邻接，第二套管套在多根第二外围光纤的外侧，每根第二外围光纤邻接在第一套管和第二套管套之间。

更进一步的方案是，第一外围光纤的数量为M1，第二外围光纤的数量为M2；N＝1+M1+M2(10≤N≤19，M1≤8，3≤M2)；第一套管的直径为D2，第二外围光纤的光纤包层直径为D3，D2和D3的关系如下公式：

更进一步的方案是，光纤合束器还包括第三套管，N根光纤还包括多根第三外围光纤，多根第三外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在第二套管的外周，相邻两根第三外围光纤相互邻接，第三套管套在多根第三外围光纤的外侧，每根第三外围光纤邻接在第二套管和第三套管套之间。

更进一步的方案是，第一外围光纤的数量为M1，第二外围光纤的数量为M2，第三外围光纤的数量为M3；N＝1+M1+M2+M3(20≤N≤29，M1≤8，3≤M2，3≤M3)；第二套管的直径为D4，第三外围光纤的光纤包层直径为D5，D4和D5的关系如下公式：

更进一步的方案是，光纤合束器还包括第四套管，N根光纤还包括多根第四外围光纤，多根第四外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在第三套管的外周，相邻两根第四外围光纤相互邻接，第四套管套在多根第四外围光纤的外侧，每根第四外围光纤邻接在第三套管和第四套管套之间。

更进一步的方案是，第三套管采用掺氟的石英套管，第二套管和第一套管采用纯石英套管。

更进一步的方案是，N根光纤分别包括纤芯和光纤包层，每根光纤的纤芯直径相等，同一周向上的光纤的光纤包层直径相等。

为了实现本发明第二目的，本发明提供一种致密排列布置的光纤合束器的制作方法，制作方法包括：

腐蚀一根中心光纤的光纤包层，使中心光纤的光纤包层直径为D0；

腐蚀M1根第一外围光纤的光纤包层，使第一外围光纤的光纤包层直径为D1，D0和D1的关系如下公式：

将M1根第一外围光纤以中心光纤为中心旋转对称地设置在中心光纤的外周，并使相邻两根第一外围光纤相互邻接；

将第一套管套在M1根第一外围光纤的外侧，每根第一外围光纤邻接在中心光纤和第一套管套之间；

将中心光纤和M1根第一外围光纤熔融拉锥形成锥区。

本发明的有益效果是，通过设置一根中心光纤，且在中心光纤的外周设置多圈外围光纤，通过设计中心光纤和外围光纤的包层直径，以是相邻的外围光纤邻接的同时，并邻接在中心光纤和管套之间，或邻接在内外管套之间，从而实现致密排列布置，随后在进行熔融拉锥时其可易于操作，提高熔接品质，也提高合束器的结构稳定性和工作稳定性，在匹配中心光纤和外围光纤的光纤包层直径时，可采用腐蚀方式进行准确定量，从而使纤芯直径均相同地布置，继而不太影响单根光纤的光功率输出，并在最外层的套管采用掺氟的石英套管，其能够显著降低折射率而不引起损耗增加。

附图说明

图1是本发明光纤合束器第一实施例的集束处的剖视图。

图2是本发明光纤合束器第二实施例的集束处的剖视图。

图3是本发明光纤合束器第三实施例的集束处的剖视图。

图4是本发明光纤合束器第四实施例的集束处的剖视图。

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

光纤合束器及其制作方法第一实施例：

参照图1，光纤合束器包括N根光纤和第一套管13，N根光纤包括一根中心光纤和多根第一外围光纤，在光纤的数量为4≤N≤9情况下，可采用一层外围光纤的布置方式，多根第一外围光纤12以中心光纤11为中心旋转对称地设置在中心光纤11的外周，相邻两根第一外围光纤12相互邻接，第一套管套在多根第一外围光纤12的外侧，每根第一外围光纤12邻接在中心光纤11和第一套管套之间。中心光纤11包括纤芯111和位于纤芯111外的光纤包层112，第一外围光纤12包括纤芯121和位于纤芯121外的光纤包层122。中心光纤11和每根第一外围光纤12的纤芯直径相等，同一周向上的第一外围光纤的光纤包层122直径相等。

本实施例以8根光纤为例说明，在制作光纤合束器时，腐蚀中心光纤的光纤包层112，使中心光纤112的光纤包层直径为D0。

腐蚀M1根第一外围光纤的光纤包层122，使第一外围光纤122的光纤包层直径为D1，D0和D1的关系如下公式：

而在本实施例中M1＝7。

继而将7根第一外围光纤12以中心光纤11为中心旋转对称地设置在中心光纤11的外周，并使相邻两根第一外围光纤12相互邻接。

将第一套管套13在7根第一外围光纤12的外侧，每根第一外围光纤12邻接在中心光纤11和第一套管套13之间。

最后将中心光纤11和7根第一外围光纤12熔融拉锥形成锥区，继而完成光纤合束器的制作。当然中心光纤和外围光纤的光纤包层直径任一或均符合预设尺寸要求，可不需要腐蚀光纤包层，包围布置套管后可进行熔融拉锥，即可实现致密排列布置。

光纤合束器及其制作方法第二实施例：

参照图2，光纤合束器包括N根光纤、第一套管23和第二套管25，N根光纤包括一根中心光纤21、多根第一外围光纤22和多根第二外围光纤24，在光纤的数量为10≤N≤19情况下，可采用两层外围光纤的布置方式，基于一根中心光纤的布置，第一外围光纤的数量为M1，第二外围光纤的数量为M2，其布置需要符合N＝1+M1+M2(10≤N≤19，M1≤8，3≤M2)。

多根第一外围光纤22以中心光纤21为中心旋转对称地设置在中心光纤21的外周，相邻两根第一外围光纤22相互邻接，第一套管23套在多根第一外围光纤22的外侧，每根第一外围光纤22邻接在中心光纤21和第一套管23套之间。多根第二外围光纤24以中心光纤21为中心旋转对称地设置在第一套管23的外周，相邻两根第二外围光纤24相互邻接，第二套管25套在多根第二外围光纤24的外侧，每根第二外围光纤24邻接在第一套管23和第二套管25套之间。

本实施例以15根光纤为例说明，其包括一根中心光纤21、6根第一外围光纤22和8根第二外围光纤24，在制作光纤合束器时，腐蚀中心光纤21的光纤包层，使中心光纤21的光纤包层直径为D0，腐蚀M1根第一外围光纤22的光纤包层，使第一外围光纤22的光纤包层直径为D1，使D0和D1的关系如下公式：

在本实施例中M1＝6。

继而将6根第一外围光纤22设置中心光纤21的外周，并用第一套管23套在第一外围光纤22外。

随后腐蚀M2根第二外围光纤24的光纤包层，使第二外围光纤24的光纤包层直径为D3，第一套管的直径为D2，D2和D3的关系如下公式：

在本实施例中M2＝8。

继而将8根第二外围光纤24以中心光纤11为中心旋转对称地设置在第一外围光纤22的外周，并使相邻两根第二外围光纤24相互邻接。

将第二套管套25在8根第二外围光纤24的外侧，每根第二外围光纤24邻接在第二套管套25和第一套管套23之间。

最后将中心光纤11、6根第一外围光纤22和8根第二外围光纤24熔融拉锥形成锥区，继而完成光纤合束器的制作。中心光纤11、第一外围光纤22和第二外围光纤24的纤芯直径相同，第二外围光纤24的光纤包层大于第一外围光纤22的光纤包层。

光纤合束器及其制作方法第三实施例：

参照图3，光纤合束器包括N根光纤、第一套管33和第二套管35和第三套管37，N根光纤包括一根中心光纤31、多根第一外围光纤32和多根第二外围光纤34和多根外围光纤36，在光纤的数量为10≤N≤19情况下，可采用三层外围光纤的布置方式，基于一根中心光纤的布置，第一外围光纤的数量为M1，第二外围光纤的数量为M2，第三外围光纤的数量为M3，其布置需要符合N＝1+M1+M2+M3(20≤N≤29，M1≤8，3≤M2，3≤M3)。

多根第一外围光纤32以中心光纤31为中心旋转对称地设置在中心光纤31的外周，相邻两根第一外围光纤32相互邻接，第一套管33套在多根第一外围光纤32的外侧，每根第一外围光纤32邻接在中心光纤31和第一套管33套之间。多根第二外围光纤34以中心光纤31为中心旋转对称地设置在第一套管33的外周，相邻两根第二外围光纤34相互邻接，第二套管35套在多根第二外围光纤34的外侧，每根第二外围光纤34邻接在第一套管33和第二套管35套之间。多根第三外围光纤36以中心光纤为中心旋转对称地设置在第二套管35的外周，相邻两根第三外围光纤36相互邻接，第三套管37套在多根第三外围光纤36的外侧，每根第三外围光纤36邻接在第二套管35和第三套管套37之间。

本实施例以25根光纤为例说明，其包括一根中心光纤31、8根第一外围光纤32、8根第二外围光纤34和8根第三外围光纤36，在制作光纤合束器时，分别腐蚀中心光纤31、第一外围光纤32、第二外围光纤34和第三外围光纤36的光纤包层直径，

中心光纤31的光纤包层直径为D0，第一外围光纤32的光纤包层直径为D1，第一套管33的直径为D2，第二外围光纤34的光纤包层直径为D3，第二套管35的光纤包层直径为D4，第三外围光纤36的光纤包层直径为D5。

使D0和D1的关系如下公式：

在本实施例中M1＝8。

D2和D3的关系如下公式：

在本实施例中M2＝8。

D4和D5的关系如下公式：

在本实施例中M3＝8。

将8根第一外围光纤32包围一根中心光纤31，第一套管33套在8根第一外围光纤32为，8根第二外围光纤34包围在第一套管33外，第二套管35套在8根第二外围光纤34，8根第三外围光纤36包围在第二套管35外，第三套管37套在8根第三外围光纤36外，最后将一根中心光纤31、8根第一外围光纤32、8根第二外围光纤34和8根第三外围光纤36，熔融拉锥形成锥区，继而完成光纤合束器的制作。

中心光纤31、第一外围光纤32、第二外围光纤34和第三外围光纤36的纤芯直径相同，第三外围光纤36的光纤包层大于第二外围光纤34的光纤包层，第二外围光纤34的光纤包层大于第一外围光纤32的光纤包层。

光纤合束器及其制作方法第三实施例：

参照图4，在光纤的数量为30≤N≤39情况下，可采用四层外围光纤的布置方式，本实施例以35根光纤为例说明，其包括一根中心光纤41、8根第一外围光纤42、8根第二外围光纤44、9根第三外围光纤46和9根第四外围光纤48。

多根第一外围光纤42以中心光纤41为中心旋转对称地设置在中心光纤41的外周，相邻两根第一外围光纤42相互邻接，第一套管43套在多根第一外围光纤42的外侧，每根第一外围光纤42邻接在中心光纤41和第一套管43套之间。多根第二外围光纤44以中心光纤41为中心旋转对称地设置在第一套管43的外周，相邻两根第二外围光纤44相互邻接，第二套管45套在多根第二外围光纤44的外侧，每根第二外围光纤44邻接在第一套管43和第二套管45套之间。多根第三外围光纤46以中心光纤为中心旋转对称地设置在第二套管45的外周，相邻两根第三外围光纤46相互邻接，第三套管47套在多根第三外围光纤46的外侧，每根第三外围光纤46邻接在第二套管45和第三套管套47之间。多根第四外围光纤48以中心光纤为中心旋转对称地设置在第三套管47的外周，相邻两根第四外围光纤48相互邻接，第四套管49套在多根第四外围光纤48的外侧，每根第四外围光纤48邻接在第三套管47和第四套管49套之间。一根中心光纤41、8根第一外围光纤42、8根第二外围光纤44、9根第三外围光纤46和9根第四外围光纤48熔融拉锥形成锥区，继而完成光纤合束器的制作。光纤包层的尺寸和各个管套的尺寸设计，可参照上述实施例，其原理是一致的。

另外，在具体设置上，可将各个实施例中的最外的套管采用掺氟的石英套管，内侧的套管采用纯石英套管，纯石英套管的壁厚小于100μm。且对纯石英套管还可进行尺寸设定，即采用氢氟酸或者浓硫酸对纯石英套管进行腐蚀。且可采用氢氟酸对光纤包层进行腐蚀。另外，可以扭转打结的方法对所有的光纤进行组束，继而再进行熔融拉锥。

本发明光纤数量N的上限取决于光纤的包层直径、纤芯直径和套管的壁厚以及每一层光纤的排列根数有关，按照本发明所述的方法对光纤进行腐蚀时一般不能腐蚀到只剩纤芯，或者不能将纤芯部分腐蚀掉，需要保留一定的光纤包层以使光纤正常使用。

由上可见，通过设置一根中心光纤，且在中心光纤的外周设置多圈外围光纤，通过设计中心光纤和外围光纤的包层直径，以是相邻的外围光纤邻接的同时，并邻接在中心光纤和管套之间，或邻接在内外管套之间，从而实现致密排列布置，随后在进行熔融拉锥时其可易于操作，提高熔接品质，也提高合束器的结构稳定性和工作稳定性，在匹配中心光纤和外围光纤的光纤包层直径时，可采用腐蚀方式进行准确定量，从而使纤芯直径均相同地布置，继而不太影响单根光纤的光功率输出，并在最外层的套管采用掺氟的石英套管，其能够显著降低折射率而不引起损耗增加。

Claims (10)

1.一种致密排列布置的光纤合束器，包括N根光纤和第一套管，N根所述光纤熔融拉锥形成锥区，N≥4，其特征在于：

N根所述光纤包括一根中心光纤和多根第一外围光纤；

多根所述第一外围光纤以所述中心光纤为中心旋转对称地设置在所述中心光纤的外周，相邻两根所述第一外围光纤相互邻接，所述第一套管套在多根所述第一外围光纤的外侧，每根所述第一外围光纤邻接在所述中心光纤和所述第一套管套之间。

2.根据权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于：

所述中心光纤的光纤包层直径为D0，所述第一外围光纤的光纤包层直径为D1，D0和D1的关系如下公式：

3.根据权利要求1所述的光纤合束器，其特征在于：

所述光纤合束器还包括第二套管，N根所述光纤还包括多根第二外围光纤；

多根所述第二外围光纤以所述中心光纤为中心旋转对称地设置在所述第一套管的外周，相邻两根所述第二外围光纤相互邻接，所述第二套管套在多根所述第二外围光纤的外侧，每根所述第二外围光纤邻接在所述第一套管和所述第二套管套之间。

4.根据权利要求3所述的光纤合束器，其特征在于：

所述第一外围光纤的数量为M1，所述第二外围光纤的数量为M2；

N＝1+M1+M2(10≤N≤19，M1≤8，3≤M2)；

所述第一套管的直径为D2，所述第二外围光纤的光纤包层直径为D3，D2和D3的关系如下公式：

5.根据权利要求3所述的光纤合束器，其特征在于：

所述光纤合束器还包括第三套管，N根所述光纤还包括多根第三外围光纤，多根所述第三外围光纤以所述中心光纤为中心旋转对称地设置在所述第二套管的外周，相邻两根所述第三外围光纤相互邻接，所述第三套管套在多根所述第三外围光纤的外侧，每根所述第三外围光纤邻接在所述第二套管和所述第三套管套之间。

6.根据权利要求5所述的光纤合束器，其特征在于：

所述第一外围光纤的数量为M1，所述第二外围光纤的数量为M2，所述第三外围光纤的数量为M3；

N＝1+M1+M2+M3(20≤N≤29，M1≤8，3≤M2，3≤M3)；

所述第二套管的直径为D4，所述第三外围光纤的光纤包层直径为D5，D4和D5的关系如下公式：

7.根据权利要求5所述的光纤合束器，其特征在于：

所述光纤合束器还包括第四套管，N根所述光纤还包括多根第四外围光纤，多根所述第四外围光纤以所述中心光纤为中心旋转对称地设置在所述第三套管的外周，相邻两根所述第四外围光纤相互邻接，所述第四套管套在多根所述第四外围光纤的外侧，每根所述第四外围光纤邻接在所述第三套管和所述第四套管套之间。

8.根据权利要求5所述的光纤合束器，其特征在于：

所述第三套管采用掺氟的石英套管，所述第二套管和所述第一套管采用纯石英套管。

9.根据权利要求1至7任一项所述的光纤合束器，其特征在于：

N根所述光纤分别包括纤芯和光纤包层，每根所述光纤的纤芯直径相等，同一周向上的所述光纤的光纤包层直径相等。

10.一种致密排列布置的光纤合束器的制作方法，其特征在于：

所述制作方法包括：

腐蚀一根中心光纤的光纤包层，使所述中心光纤的光纤包层直径为D0；

腐蚀M1根第一外围光纤的光纤包层，使所述第一外围光纤的光纤包层直径为D1，D0和D1的关系如下公式：

将M1根所述第一外围光纤以所述中心光纤为中心旋转对称地设置在所述中心光纤的外周，并使相邻两根所述第一外围光纤相互邻接；

将所述第一套管套在M1根所述第一外围光纤的外侧，每根所述第一外围光纤邻接在所述中心光纤和所述第一套管套之间；

将所述中心光纤和M1根所述第一外围光纤熔融拉锥形成锥区。

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