CN113933944A - 一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及相干光接收设备技术领域，尤其涉及一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器，所述高功率光纤耦合器包括第一输入准直器，设置有第一反射斜面和第二反射斜面的分束镜，设置有第一透射斜面的第一位移棱镜，用于移动第一位移棱镜使第一透射斜面贴合或离开第一反射斜面的第一压电陶瓷，以及第一接收准直器和第二接收准直器。通过第一压电陶瓷驱动第一位移棱镜移动，使第一位移棱镜上的第一透射斜面贴近分束镜上的第一反射斜面即可实现分光，且可通过调整第一透射斜面、第一反射斜面之间的间隙调节分光的比例；结构简单，便于小型化和集成化，且通用性高，有效的提高使用的便捷性。

Description

一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器
技术领域
本发明涉及光纤高功率传输和调制设备领域，尤其涉及一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器。
背景技术
近几年，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的发展，特别是在直接半导体激光加工应用以及大功率光纤激光器的需求推动了大功率光纤输出和高光束质量的激光器飞速发展。光纤耦合器可以用于将高功率光源按照比例分别耦合进入不同的输出通道，但常规耦合器采用定量耦合比、大尺寸的镜片结构进行耦合调制，难以实现高功率器件的小型化和集成化。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器，以解决现有的耦合器采用定量耦合比、大尺寸的镜片结构进行耦合调制，难以实现高功率器件的小型化和集成化的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高功率光纤耦合器，包括第一输入准直器，设置有第一反射斜面和第二反射斜面的分束镜，设置有第一透射斜面的第一位移棱镜，用于移动第一位移棱镜使第一透射斜面贴合或离开第一反射斜面的第一压电陶瓷，以及第一接收准直器和第二接收准直器；
其中，当第一透射斜面远离第一反射斜面时，第一输入准直器输出的光进入分束镜后，依次经第一反射斜面、第二反射斜面反射后离开分束镜并到达第一接收准直器；
当第一透射斜面与第一反射斜面贴合时，第一输入准直器输出的光进入分束镜并到达第一反射斜面进行分光，其中部分光穿过第一反射斜面经第一透射斜面进入第一位移棱镜，然后从第一位移棱镜离开到达第二接收准直器；另一部分光反射至第二反射斜面，经第二反射斜面反射后离开分束镜进入第一接收准直器。
本发明的更进一步优选方案是：所述高功率光纤耦合器还包括设置有第二透射斜面的第二位移棱镜，用于移动第二位移棱镜使第二透射斜面贴合或离开第二反射斜面的第二压电陶瓷，以及第三接收准直器；
其中，当第二透射斜面远离第二反射斜面时，经过第二反射斜面的光进行反射离开分束镜到达第一接收准直器；
当第二透射斜面与第二反射斜面贴合时，光到达第二斜面后进行分光，部分穿过第二反射斜面经第二透射斜面进入第二位移棱镜，然后从第二位移棱镜离开到达第三接收准直器，另一部分经第二透射斜面反射后离开分束镜到达第一接收准直器。
本发明的更进一步优选方案是：所述分束镜的横截面为平行四边形；其中分束镜的入射面和出射面分别位于分束镜的左右两侧，所述分束镜的第一反射斜面和第二反射斜面分别位于分束镜的下侧和上侧。
本发明的更进一步优选方案是：所述分束镜的横截面为直角等腰三角形，其中，分束镜的入射面和出射面均在分束镜的一侧，所述第一反射斜面和第二反射斜面分别位于分束镜另一侧的上部和下部。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一透射斜面与第一反射斜面平行设置；所述第一透射斜面与第一反射斜面上均设置有AR膜；和/或
所述第二透射斜面与第二反射斜面平行设置；所述第二透射斜面与第二反射斜面上均设置有AR膜。
本发明的更进一步优选方案是：所述镀AR膜的平整度＜63.28nm。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一压电陶瓷为单维度的轴向位移压电陶瓷片，轴向位移行程大于3um；所述第一压电陶瓷和第二压电陶瓷结构相同。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一接收准直器的光纤头采用耐高温低折射率的胶水固定。
本发明的更进一步优选方案是：所述第一接收准直器的光纤头熔接无心光纤，所述无心光纤的直径大于光纤头的直径，且无心光纤的出光面直径大于发散光束的光斑直径。
本发明还提供一种多通道光纤耦合器：包括输入准直器，设置有至少三个反射斜面的多通道分束镜，设置有透射斜面的位移棱镜，用于移动位移棱镜使透射斜面贴合或离开反射斜面的压电陶瓷，以及多个接收准直器，所述位移棱镜、压电陶瓷的数量与反射斜面的数量相对应，所述接收准直器的数量比反射斜面的数量多一个；
当所有的透射斜面均与对应的反射斜面远离时，所述输入准直器输出的光进入多通道分束镜后，依次经多个反射斜面反射后离开多通道分束镜并到达一个接收准直器；其中，可通过不同压电陶瓷调整不同透射斜面与反射斜面贴合实现分光，将光传送至不同的接收准直器上。
本发明的有益效果在于，通过第一压电陶瓷驱动第一位移棱镜移动，使第一位移棱镜上的第一透射斜面贴近分束镜上的第一反射斜面即可实现分光，且可通过调整第一透射斜面、第一反射斜面之间的间隙调节分光的比例；结构简单，便于小型化和集成化，且通用性高，有效的提高使用的便捷性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的高功率光纤耦合器(双通道)的结构示意图；
图2是图1另一分光状态的示意图；
图3是本发明的高功率光纤耦合器(三通道)的结构示意图；
图4是图1另一分光状态的示意图；
图5是本发明的高功率光纤耦合器(三通道)的另一结构示意图；
图6是本发明的高功率光纤耦合器(四通道)的结构示意图；
图7是图6另一分光状态的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种高功率光纤耦合器及多通道光纤耦合器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明较佳实施例的高功率光纤耦合器，一并参见图1至图5，其包括第一输入准直器1，设置有第一反射斜面21和第二反射斜面22的分束镜2，设置有第一透射斜面31的第一位移棱镜3，用于移动第一位移棱镜3使第一透射斜面31贴合或离开第一反射斜面21的第一压电陶瓷4，以及第一接收准直器5和第二接收准直器6；
其中，当第一透射斜面31远离第一反射斜面21时，第一输入准直器1输出的光进入分束镜2后，依次经第一反射斜面21、第二反射斜面22反射后离开分束镜2并到达第一接收准直器5；
当第一透射斜面31与第一反射斜面21贴合时，第一输入准直器1输出的光进入分束镜2并到达第一反射斜面21进行分光，其中部分光穿过第一反射斜面21经第一透射斜面31进入第一位移棱镜3，然后从第一位移棱镜3离开到达第二接收准直器6；另一部分光反射至第二反射斜面22，经第二反射斜面22反射后离开分束镜2进入第一接收准直器5。
通过第一压电陶瓷4驱动第一位移棱镜3移动，使第一位移棱镜3上的第一透射斜面31贴近分束镜2上的第一反射斜面21即可实现分光，且可通过调整第一透射斜面31、第一反射斜面21之间的间隙调节分光的比例；结构简单，稳定性高，便于小型化和集成化；且通用性高，可有效的提高使用的便捷性。
本实施例中，当第一位移棱镜3与分束镜2分离时，第一接收准直器5能够完全接第一输入准直器1的功率；当第一位移棱镜3逐渐靠近分束镜2时，第一接收准直器5接收的光强逐渐减小，第二接收准直器6逐渐开始接收输入的部分光强；当第一位移棱镜3与分束镜2紧密贴合时，第一接收准直器5接收光强最弱，第二接收准直器6接收光强最强。具体请参照图1、图2，随着空气间隙(第一位移棱镜3与分束镜2之间的距离)的增加，损耗以及损耗比不断下降。
具体的，本实施例采用本技术利用倏逝波原理，控制空气间隙实现两通道光功率调制，所述空气间隙式Z对应的衰减系数为e-Ω*Z；其中：
Figure BDA0003278082320000061
其中，所述θi为入射角，n1光密介质折射率，n2光疏介质折射率，λ为波长，此处n2为空气介质的光疏介质折射率，满足等于1，为减小衰减的敏感性，在入射角一定的情况下降低衰减系数，第一位移棱镜3采用折射率较低的材料，可以降低间隙调制的敏感性，使能量调节处于一个稳定的控制范围内。其中，所述空气间隙式Z与波长λ的单位均为nm。
更进一步的，依据第一输入准直器1的光斑半径，按照通光面积的80％实现透射斜面、和反射斜面的尺寸的定制，实现随第一输入准直器1的最小棱镜尺寸的设计。本实施例中，可根据第一输入准直器1的光斑尺寸，设置分束镜2、第一位移棱镜3，使高功率光纤耦合器尺寸达到最小。
其中，请参照图3、图4，所述高功率光纤耦合器还包括设置有第二透射斜面71的第二位移棱镜7，用于移动第二位移棱镜7使第二透射斜面71贴合或离开第二反射斜面22的第二压电陶瓷8，以及第三接收准直器9；
其中，当第二透射斜面71远离第二反射斜面22时，经过第二反射斜面22的光进行反射离开分束镜2到达第一接收准直器5；
当第二透射斜面71与第二反射斜面22贴合时，光到达第二斜面22后进行分光，部分穿过第二反射斜面22经第二透射斜面71进入第二位移棱镜7，然后从第二位移棱镜7离开到达第三接收准直器9，另一部分经第二透射斜面71反射后离开分束镜2到达第一接收准直器5。
本实施例中，所述第二位移棱镜7、第二压电陶瓷8的作用，与第一位移棱镜3、第一压电陶瓷4的作用相同，均是通过调整与分束镜2之间的间隙实现分光。通过第二位移棱镜7、第二压电陶瓷8、第一位移棱镜3、第一压电陶瓷4、以及分束镜2的配合，可将第一输入准直器1输入的光进行分光，最多分成三个光路传送至第一接收准直器5、第二接收准直器6、第三接收准直器9；其中，用户还可以根据实际需要选择分光的光路(可分成两条光路或不分光)，以及调节各个光路之间的效率比例，以满足用户的各种分光需求。
本实施例中，所述分束镜2的横截面为平行四边形；其中分束镜2的入射面23和出射面24分别位于分束镜2的左右两侧，所述分束镜2的第一反射斜面21和第二反射斜面22分别位于分束镜2的下侧和上侧。其中，所述第一输入准直器1位于入射面23的左侧；所述第一接收准直器5位于出射面24的右侧；所述第二位移棱镜7、第三接收准直器9设置在第二反射斜面22上侧，所述第二位移棱镜7的移动方向为左右运动；所述第一位移棱镜3设置在第一反射斜面21下侧，所述第二接收准直器6设置在第一接收准直器5下侧且与第一位移棱镜3位置相对应，所述第一位移棱镜3的移动方向为上下移动。
在另外的实施例中，请参照图5，所述分束镜2的横截面为直角等腰三角形，其中，分束镜2的入射面和出射面在同一个面上且位于分束镜2的一侧(左侧)，所述第一反射斜面和第二反射斜面分别位于分束镜2另一侧(右侧)的下部和上部。其中，所述第一输入准直器1、第一接收准直器5位于分束镜2的左侧，所述第一位移棱镜3设置在第一反射斜面下侧，移动方向为上下运动；所述第二接收准直器6位于分束镜2的右侧与第一位移棱镜3的位置相对应，所述第二位移棱镜7、第三接收准直器9设置在第二反射斜面上侧，所述第二位移棱镜7的运动方向为左右移动。
进一步的，请参照图1、图2，所述第一透射斜面31与第一反射斜面21平行设置；所述第一透射斜面31与第一反射斜面21上均设置有AR膜(图中未示出)。通过将第一透射斜面31与第一反射斜面21平行设置，可方便第一透射斜面31与第一反射斜面21贴合，保证贴合的面积；其中，所述AR膜为增透膜；通过增加AR膜，可进一步的提高分光的效率。
其中，所述第二透射斜面71与第二反射斜面22平行设置；所述第二透射斜面71与第二反射斜面22上均设置有AR膜。通过将第二透射斜面71与第二反射斜面22平行设置，可方便第二透射斜面71与第二反射斜面22贴合，保证贴合的面积；通过增加AR膜，可进一步的提高分光的效果。
进一步的，请参照图1、图2，所述镀AR膜的平整度＜63.28nm。通过限定镀AR膜的平整度＜63.28nm，可以用于实现两个配合面的无缝贴合，更进一步的提高分光的效果。其中，分束镜2、第一位移棱镜3、第二位移棱镜7的加工可以采用批次的生产方式，通过同机台的研磨和镀膜，保证分束镜2上的第一反射斜面21、第二反射斜面22分别跟第一位移棱镜3上的第一透射斜面31，以及第二位移棱镜7上的第二透射斜面71能够有相同的通光面质量。
进一步的，所述第一压电陶瓷4为单维度的轴向位移压电陶瓷片，轴向位移行程大于3um；所述第一压电陶瓷4和第二压电陶瓷8结构相同。其中，所述第一压电陶瓷4通过耐高温胶水与第一位移棱镜3固定连接；所述第二压电陶瓷8通过耐高温胶水与第二位移棱镜7固定连接。本实施例采用的是单层、小尺寸的压电陶瓷片作为微位移器件，具有器件小型化、驱动电压低、位移推力大、位移稳定、位移分辨率高等优点；所述压电陶瓷片通过外电压的驱动实现纳米级别的位移变化，带动小型化的位移棱镜；实现微米范围的短程驱动。
其中，所述第一接收准直器5的光纤头(Pigtail)采用耐高温低折射率的胶水固定。通过采用具有抗热老化且低折射率的胶水固定光纤头(Pigtail)，即可形成全反射保护层，防止漏光导致的热积累，提高高功率光纤耦合器的使用寿命。其中，所述第一接收准直器5、第二接收准直器6、第三接收准直器9的结构相同。
进一步的，所述第一接收准直器5的光纤头熔接无心光纤51，所述无心光纤51的直径大于第一接收准直器5的光纤头的直径，且无心光纤51的出光面直径大于发散光束的光斑直径。通过在光纤头上熔接无心光纤51，可实现模场直径的扩大，对偶能够实现长工作距离的模场匹配，实现准直器对耦的低损耗，以及降低高功率密度。例如在250um光纤头上熔接380um的无心光纤，可实现更低功率密度的接收，提高功率容限。其中，从第一接收准直器5的光纤头射出并进入无心光纤51的光束为发散光束，当无心光纤51的出光面直径小于发散光束的光斑直径时，会出现漏光，发热等情况，损耗大，且有烧损的风险；现通过限定无心光纤51的出光面直径大于发散光束的光斑直径，即可防止出现漏光，降低损耗。其中，所述第一接收准直器5、第二接收准直器6、第三接收准直器9的结构相同，光纤头上均熔接无心光纤51。
本发明实施例还提供一种多通道光纤耦合器：包括输入准直器a，设置有至少三个反射斜面b1的多通道分束镜b，设置有透射斜面c1的位移棱镜c，用于移动位移棱镜c使透射斜面c1贴合或离开反射斜面b1的压电陶瓷d，以及多个接收准直器e，所述位移棱镜c、压电陶瓷d的数量与反射斜面b1的数量相对应，所述接收准直器e的数量比反射斜面b1的数量多一个；
当所有的透射斜面c1均与对应的反射斜面b1远离时，所述输入准直器e输出的光进入多通道分束镜b后，依次经多个反射斜面b1反射后离开多通道分束镜b并到达一个接收准直器e；其中，可通过不同压电陶瓷d调整不同透射斜面c1与反射斜面b1贴合实现分光，将光传送至不同的接收准直器e上。
其中，通过位移棱镜c透射斜面c1和多通道分束镜b反射斜面b1进行配合即可实现分光，用户可根据实际需求选择光通道的数量设置反射斜面b1的数量以及位移棱镜c的数量；通过压电陶瓷d可用于调整位移棱镜c的位置，具有体积小，稳定性高等特点。
请参照图6、图7，以下提供一种四通道的多通道光纤耦合器进行说明：
所述多通道分束镜b包括入射面、出射面以及三个反射斜面b1，所述位移棱镜c设置有三个，所述压电陶瓷d设置有三个，所述接收准直器e设置有四个，所述输入准直器a设置一个。
其中，输入准直器a输出的光经入射面进入多通道分束镜b后，用户可根据分光需求驱动压电陶瓷d调整位移棱镜c的位置；当不需要分光时，可调整三个位移棱镜c均离开多通道分束镜b，此时光束从多通道分束镜b的出射面直接离开进入接收准直器e；当需要分光时，用户可根据需要分光的通道，调整对应光通道的压电陶瓷d和位移棱镜c，即可实现对应通道的分光，方便快捷。即本多通道光纤耦合器可最多实现四通道分光，用户还可以根据实际需求进行两通道或三通道分光。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率光纤耦合器，其特征在于，包括第一输入准直器，设置有第一反射斜面和第二反射斜面的分束镜，设置有第一透射斜面的第一位移棱镜，用于移动第一位移棱镜使第一透射斜面贴合或离开第一反射斜面的第一压电陶瓷，以及第一接收准直器和第二接收准直器；
其中，当第一透射斜面远离第一反射斜面时，第一输入准直器输出的光进入分束镜后，依次经第一反射斜面、第二反射斜面反射后离开分束镜并到达第一接收准直器；
当第一透射斜面与第一反射斜面贴合时，第一输入准直器输出的光进入分束镜并到达第一反射斜面进行分光，其中部分光穿过第一反射斜面经第一透射斜面进入第一位移棱镜，然后从第一位移棱镜离开到达第二接收准直器；另一部分光反射至第二反射斜面，经第二反射斜面反射后离开分束镜进入第一接收准直器。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述高功率光纤耦合器还包括设置有第二透射斜面的第二位移棱镜，用于移动第二位移棱镜使第二透射斜面贴合或离开第二反射斜面的第二压电陶瓷，以及第三接收准直器；
其中，当第二透射斜面远离第二反射斜面时，经过第二反射斜面的光进行反射离开分束镜到达第一接收准直器；
当第二透射斜面与第二反射斜面贴合时，光到达第二斜面后进行分光，部分穿过第二反射斜面经第二透射斜面进入第二位移棱镜，然后从第二位移棱镜离开到达第三接收准直器，另一部分经第二透射斜面反射后离开分束镜到达第一接收准直器。
3.根据权利要求1或2所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述分束镜的横截面为平行四边形；其中分束镜的入射面和出射面分别位于分束镜的左右两侧，所述分束镜的第一反射斜面和第二反射斜面分别位于分束镜的下侧和上侧。
4.根据权利要求1或2所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述分束镜的横截面为直角等腰三角形，其中，分束镜的入射面和出射面均在分束镜的一侧，所述第一反射斜面和第二反射斜面分别位于分束镜另一侧的上部和下部。
5.根据权利要求2所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述第一透射斜面与第一反射斜面平行设置；所述第一透射斜面与第一反射斜面上均设置有AR膜；和/或
所述第二透射斜面与第二反射斜面平行设置；所述第二透射斜面与第二反射斜面上均设置有AR膜。
6.根据权利要求5所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述AR膜的平整度＜63.28nm。
7.根据权利要求2所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述第一压电陶瓷为单维度的轴向位移压电陶瓷片，轴向位移行程大于3um；所述第一压电陶瓷和第二压电陶瓷结构相同。
8.根据权利要求1所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述第一接收准直器的光纤头采用耐高温低折射率的胶水固定。
9.根据权利要求1所述的高功率光纤耦合器，其特征在于，所述第一接收准直器的光纤头熔接无心光纤，所述无心光纤的直径大于光纤头的直径，且无心光纤的出光面直径大于发散光束的光斑直径。
10.一种多通道光纤耦合器，其特征在于，包括输入准直器，设置有至少三个反射斜面的多通道分束镜，设置有透射斜面的位移棱镜，用于移动位移棱镜使透射斜面贴合或离开反射斜面的压电陶瓷，以及多个接收准直器，所述位移棱镜、压电陶瓷的数量与反射斜面的数量相对应，所述接收准直器的数量比反射斜面的数量多一个；
当所有的透射斜面均与对应的反射斜面远离时，所述输入准直器输出的光进入多通道分束镜后，依次经多个反射斜面反射后离开多通道分束镜并到达一个接收准直器；其中，可通过不同压电陶瓷调整不同透射斜面与反射斜面贴合实现分光，将光传送至不同的接收准直器上。
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