CN114284840B - 一种基于光子灯笼的多光路级联式合束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，包括至少一个种子源激光器、1×M·N光分束器、N个第一光子灯笼、光放大器组、第二光子灯笼，通过两次合束操作输出目标合束激光，使用多芯少模形式的拉制的光子灯笼，对多个光子灯笼的少模端输出进行第二次合束，使得参与合束的光路数量大大提高，能够利用更多的高阶模式能量，从而获得更高功率的光纤激光输出。同时，采用的少模光纤相对于单模光纤具有更大的纤芯直径，使得纤芯截面功率密度下降，能降低受激布里渊散射和受激拉曼散射的发生阈值，抑制非线性效应的产生，获得更高的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及激光半导体领域，特别涉及一种基于光子灯笼的多光路级联式合束装置。
背景技术
上世纪80年代，天文领域诞生了可以将单模光纤中的光信号高效地传入多模光纤的光子灯笼。通过光子灯笼，光信号可从一个状态变化为另一个状态，从而实现了光信号从单模光纤向多模光纤的传输。进入数据时代后，光子灯笼在通信领域成为研究热点，其可以同时复用多个模式，作为全光纤器件易于与光纤通信系统集成。
从1988年发明双包层光纤以来，单束光纤激光的输出功率不断提升；与此同时，受限于非线性效应和模式不稳定效应等因素的影响，单束光纤激光的输出功率存在物理极限，对多束激光进行合成是构建高功率光纤激光系统的重要技术途径。同时，对高阶模式的功率进行利用也是实现高功率激光输出的重要途径之一。光子灯笼作为模式转换器件，既可以提高合束光路数量，又可以充分利用到高阶模式的功率，因而引起了人们的广泛关注。光子灯笼的基本结构：两端分别为一组小芯径单模光纤阵列和一根大芯径的多模光纤，中间为锥形过渡区。光子灯笼任何一端都可以作为输入。在制造光子灯笼时，先将单模光纤嵌入预制好的低折射率毛细玻璃管当中，再进行热拉锥。在拉锥的过程中，单模光纤的纤芯将逐步减小并直至消失，大部分光信号将从纤芯射出，射入包层并继续传输。此时，单模光纤的包层也开始与其他单模光纤的包层相熔合，并逐步收缩直到在锥形末端形成多模光纤的纤芯，而低折射率毛细玻璃管则成为了多模光纤的新包层。就这样，从单模光纤入射的多个基模发生了模式转换，成为了高阶模式。
以3×1光子灯笼为例，根据光子灯笼的模式匹配理论，三模光子灯笼支持LP01、LP11a、LP11b这三个模式的传输。目前，利用光子灯笼进行合束的装置一般是把种子源激光进行分束后，入射到光子灯笼的3个单模端，再从少模端输出，获得一定的功率输出。这种装置受到所使用的光子灯笼模式数的制约，光路数量与光子灯笼模式数相同，无法得到进一步提高。拉制光子灯笼时，要先将单模光纤嵌入预制好的低折射率毛细玻璃管当中，再进行热拉锥。此过程十分依赖熔融拉锥工艺技术，因此制约了可参与合束的激光光路数量。
发明内容
有鉴于此，为了克服上述现有缺陷之一，本发明实施例中提供了基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，能降低受激布里渊散射和受激拉曼散射的发生阈值，抑制非线性效应的产生，获得更高的输出功率。
本发明提供了一种基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，包括：
至少一个种子源激光器，用于产生种子激光；
1×M·N光分束器，与所述种子源激光器连接，用于将所述种子激光分成M×N束分束光，所述分束器具有M×N束输出光纤；
N个第一光子灯笼，用于对所述分束光进行第一次合束，每个所述第一光子灯笼为单模-少模结构，包括第一少模端和M×1第一单模端，所述输出光纤分别一一对应连接到所述第一单模端，对所述M×N束分束光进行合束后得到N束第一合束光由所述少模端输出；
光放大器组，用于对所述第一合束光进行功率放大，所述光放大器组包括输出端，所述第一合束光经过功率放大后由所述输出端输出；
第二光子灯笼，用于对经过功率放大处理的所述N束第一合束光进行耦合，所述第二光子灯笼为多芯少模结构，包括第二少模端和N个第二少模端，所述第二少模端与所述输出端连接，所述N束第一合束光经过所述第二光子灯笼合束后输出目标合束激光。
作为一种可选的方案，所述第一光子灯笼为采用M×1光子灯笼，由M根单模光纤套管拉锥拉制而成。
作为一种可选的方案，所述M根单模光纤排布在同一圆上，在所述第一少模端熔接一根少模光纤。
作为一种可选的方案，所述单模光纤的纤芯外层包裹着单模光纤的第一包层，在拉锥的尾端形成少模的纤芯，所述第一包层外面套着一层低折射率套管，在拉锥的尾端会形成第一少模端的第二包层。
作为一种可选的方案，每根所述单模光纤的纤芯直径、包层直径相同，相邻的所述单模光纤之间的距离相等。
作为一种可选的方案，所述M为3，所述第一光子灯笼为3×1光子灯笼。
作为一种可选的方案，所述第二光子灯笼为的N芯3模光子灯笼。
作为一种可选的方案，所述至少一个种子源激光器为一个单频半导体激光器。
作为一种可选的方案，所述输出光纤分别采用光纤跳线方式一一对应连接到所述第一单模端。
作为一种可选的方案，每根单模光纤的纤芯直径9μm，所述第一包层的直径为125μm，拉锥长度约为5cm，第一少模端的光纤纤芯直径为16μm，所述第二包层的直径为125μm。
本发明实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，包括至少一个种子源激光器、1×M·N光分束器、N个第一光子灯笼、光放大器组、第二光子灯笼，通过两次合束操作输出目标合束激光，使用多芯少模形式的拉制的光子灯笼，对多个光子灯笼的少模端输出进行第二次合束，使得参与合束的光路数量大大提高，能够利用更多的高阶模式能量，从而获得更高功率的光纤激光输出。同时，采用的少模光纤相对于单模光纤具有更大的纤芯直径，使得纤芯截面功率密度下降，能降低受激布里渊散射和受激拉曼散射的发生阈值，抑制非线性效应的产生，获得更高的输出功率。
附图说明
图1是本实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置的结构示意图；
图2是本实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置中第二光子灯笼的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1和2所示，本发明实施例中提供了一种基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，包括：
至少一个种子源激光器1，用于产生种子激光；
1×M·N光分束器2，与所述种子源激光器连接，用于将所述种子激光分成M×N束分束光，所述分束器具有M×N束输出光纤，分束器将种子源激光分成M·N束光路，全部耦合进第一光子灯笼的单模端；
N个第一光子灯笼3，用于对所述分束光进行第一次合束，每个所述第一光子灯笼为单模-少模结构，包括第一少模端和M×1第一单模端，所述输出光纤分别一一对应连接到所述第一单模端，对所述M×N束分束光进行合束后得到N束第一合束光由所述少模端输出；
光放大器组4，用于对所述第一合束光进行功率放大，所述光放大器组包括输出端，所述第一合束光经过功率放大后由所述输出端输出，光放大器组对经过M×1光子灯笼合束的N束光进行功率放大；
第二光子灯笼5，用于对经过功率放大处理的所述N束第一合束光进行耦合，所述第二光子灯笼为多芯少模结构，包括第二少模端51和N个第二少模端52，所述第二少模端52与所述输出端连接，所述N束第一合束光经过所述第二光子灯笼5合束后输出目标合束激光，多芯少模结构的第二光子灯笼5把经过功率放大的N束光耦合成一束目标合束激光输出，通过两次合束操作，目标合束激光的输出功率得到明显提升，非线性效应得到抑制。
种子激光器与放大器结合一起形成一个主振荡功率放大器，用来产生更高功率的输出光。与单个高功率激光器相比，采用低功率种子激光的特性包括：例如具有窄线宽的单频工作，很大的波长调谐范围，产生超短脉冲。单频的种子光束可以直接注入到另一个激光器（从属激光器）或者光学参量振荡器中通过注入种子注入过程达到窄带辐射。有时甚至能实现注入锁定，这时辐射的频域种子频率严格相等，并且激光器噪声大小与种子激光器噪声很接近。典型的种子激光器是小的激光二极管（单频或者增益开关），短腔光纤激光器，小型的固态激光器如非平面环形振荡器。
在一些实施例中，种子源激光器1为合束光路提供种子激光，可以为单模输出，且不局限于一台，可为多台种子源激光器，以保证输入功率的平均水平，本实施例中，所述至少一个种子源激光器1为一个单频半导体激光器。
本实施例中，所述第一光子灯笼3为采用M×1光子灯笼，由M根单模光纤套管拉锥拉制而成，所述M根单模光纤排布在同一圆上，在所述第一少模端熔接一根少模光纤，所述单模光纤的纤芯外层包裹着单模光纤的第一包层，在拉锥的尾端形成少模的纤芯，所述第一包层外面套着一层低折射率套管，在拉锥的尾端会形成第一少模端的第二包层。每根所述单模光纤的纤芯直径、包层直径相同，相邻的所述单模光纤之间的距离相等。根据光子灯笼的模式匹配理论，M模光子灯笼支持M个LP模式的传输。
在一些可能的实施例中，光放大器组4可以为多个并列的光放大器组成，光放大器的数量与第一光子灯笼的数量相同，即可以为N个，光放大器对经过第一组光子灯笼3合束的N束光进行功率放大。
相应地，第二光子灯笼5为了与前面的M×N第一光子灯笼相匹配，采用N根少模光纤套管拉锥，每根少模光纤纤芯直径、包层直径相同，同样且在锥区末端熔接同样规格的少模光纤输出端。
相比于现有技术，本发明存在以下优点：常规的单模-少模光子灯笼，在实际拉制过程中，受到工艺限制，实际能熔接的单模光纤数目是相当有限的。在光子灯笼的拉制过程中，先将单模光纤嵌入预制好的低折射率毛细玻璃管当中，再进行热拉锥。此过程十分依赖熔融拉锥工艺技术。除此之外，此过程还需考虑单模光纤的排布问题，每根光纤要间距相等且均匀分布。当单模光纤数量较少时，拉制光子灯笼还能顺利实现。而当单模光纤数量变多时，难以优化排列光纤分布，轻微的扰动便能造成分布的不合理性，造成了拉锥的困难，因此限制了可以参与合束的光路数量。本专利可使更多的光路合成以获得更大的功率输出。采用多芯少模光子灯笼进行激光合束，能够实现更多的光路参与合束；同时采用纤芯直径相对更大的少模光纤，抑制了受激布里渊散射阈值，减少了非线性效应的产生，使得输出功率得到有效的提高；并且采用全光纤化光路，提高了激光的传输效率，有效降低了传输损耗，提高了系统的稳定性。
本实施例中，本方案中涉及各部分元器件之间都采取光纤跳线输入输出，具体地，所述输出光纤分别采用光纤跳线方式一一对应连接到所述第一单模端，少模光纤为规格型号相同且支持传输模式数一致的光纤，以避免传输造成的损耗。
以采用二模少模光纤为例，支持模式分别为LP01模、LP11模的两种简并模式(LP11a模和LP11b模)，则对应选取支持三个模式传输的3×1光子灯笼。同样地，若采用四模少模光纤，传输模式分别为LP01模、LP02模、LP11模的两种简并模式(LP11a模和LP11b模)和LP21模的两种简并模式(LP21a模和LP21b模)，则对应选取支持六个模式传输的6×1光子灯笼。
本发明实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，使用二模少模光纤，下面加以介绍。
本实施例中，M为3，所述第一光子灯笼为3×1光子灯笼，所述第二光子灯笼5为的N芯3模光子灯笼，种子源激光器1采用一台单频半导体激光器，经过1×3N的分束器2分成3N路光束，分别输入到N个3×1第一光子灯笼3，第一光子灯笼3采用为3×1光子灯笼，由三根单模光纤套管拉锥拉制而成，三根单模光纤排布在同一圆上，每根单模光纤的纤芯直径9μm，光纤间的距离相等，纤芯外层包裹着单模光纤的第一包层，第一包层直径125μm，在拉锥的尾端将形成少模的纤芯。包层外面套着一层低折射率套管，在拉锥的尾端会形成少模的第二包层，拉锥长度约为5cm，少模端光纤纤芯直径16μm，第二包层直径125μm，需要说明的是，可以根据需要进行选择，在合理范围内且保持规格相同即可，对此不做限定。
N个第一光子灯笼3的少模端输出光束经光放大器4进行功率放大，然后同时耦合进一个多芯少模结构的第二光子灯笼5中，第二光子灯笼5为N芯3模光子灯笼，为了与前面的3×1光子灯笼总输出光路数N相匹配，采用N根少模光纤套管拉锥，每根少模光纤纤芯直径16μm，包层直径125μm，拉锥长度约为5cm，熔接同样的少模输出端，这样，经过N芯3模的第二光子灯笼之后，便得到由3N路光束合成的一束目标合束激光，该束目标合束激光的输出功率得到明显提升，非线性效应得到抑制。
本发明实施例中提供的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，包括至少一个种子源激光器1、1×M·N光分束器2、N个第一光子灯笼3、光放大器组4、第二光子灯笼5，通过两次合束操作输出目标合束激光，使用多芯少模形式的拉制的光子灯笼，对多个光子灯笼的少模端输出进行第二次合束，使得参与合束的光路数量大大提高，能够利用更多的高阶模式能量，从而获得更高功率的光纤激光输出。同时，采用的少模光纤相对于单模光纤具有更大的纤芯直径，使得纤芯截面功率密度下降，能降低受激布里渊散射和受激拉曼散射的发生阈值，抑制非线性效应的产生，获得更高的输出功率。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，包括：
至少一个种子源激光器，用于产生种子激光；
1×M·N光分束器，与所述种子源激光器连接，用于将所述种子激光分成M×N束分束光，所述分束器具有M×N束输出光纤；
N个第一光子灯笼，用于对所述分束光进行第一次合束，每个所述第一光子灯笼为单模-少模结构，包括第一少模端和M×1第一单模端，所述输出光纤分别一一对应连接到所述第一单模端，对所述M×N束分束光进行合束后得到N束第一合束光由所述少模端输出；
光放大器组，用于对所述第一合束光进行功率放大，所述光放大器组包括输出端，所述第一合束光经过功率放大后由所述输出端输出；
第二光子灯笼，用于对经过功率放大处理的所述N束第一合束光进行耦合，所述第二光子灯笼为多芯少模结构，包括第二少模端和N个第二少模端，所述第二少模端与所述输出端连接，所述N束第一合束光经过所述第二光子灯笼合束后输出目标合束激光。
2.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述第一光子灯笼为采用M×1光子灯笼，由M根单模光纤套管拉锥拉制而成。
3.根据权利要求2所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述M根单模光纤排布在同一圆上，在所述第一少模端熔接一根少模光纤。
4.根据权利要求3所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述单模光纤的纤芯外层包裹着单模光纤的第一包层，在拉锥的尾端形成少模的纤芯，所述第一包层外面套着一层低折射率套管，在拉锥的尾端会形成第一少模端的第二包层。
5.根据权利要求4所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，每根所述单模光纤的纤芯直径、包层直径相同，相邻的所述单模光纤之间的距离相等。
6.根据权利要求2所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述M为3，所述第一光子灯笼为3×1光子灯笼。
7.根据权利要求6所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述第二光子灯笼为的N芯3模光子灯笼。
8.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述至少一个种子源激光器为一个单频半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，所述输出光纤分别采用光纤跳线方式一一对应连接到所述第一单模端。
10.根据权利要求4所述的基于光子灯笼的多光路级联式合束装置，其特征在于，每根所述单模光纤的纤芯直径9μm，所述第一包层的直径为125μm，拉锥长度约为5cm，第一少模端的光纤纤芯直径为16μm，所述第二包层的直径为125μm。
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