CN115189213A - 桥连式大模场光纤结构以及光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种桥连式大模场光纤结构以及光纤放大器。其中，桥连式大模场光纤结构，其包括：沿着种子源信号光传输方向依次设置的多个增益光纤，相邻的两个增益光纤互相靠近的一端相连接；并且多个增益光纤的纤芯直径依次增大。本发明采用多个增益光纤实现对种子源信号光的放大，由于桥连式光纤结构的使用和无源器件的减少，提高了整个光纤单频激光放大器的SBS阈值，使信号光输出功率可以得到更大的提升。

Description

桥连式大模场光纤结构以及光纤放大器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种桥连式大模场光纤结构以及光纤放大器。

背景技术

单频光纤激光器因其低噪声、窄线宽和相干长度较长等特性，在测风雷达、高精度光谱测量、相干通信以及引力波探测等领域具有广泛的应用。目前，采用MOPA(主振荡功率放大)结构是实现高功率单频激光输出的一种理想技术方案。将低功率的单频光纤振荡器作为种子源，通过多级放大器结构实现功率放大。目前，基于MOPA结构的高功率单频光纤激光放大器，通常使用多级放大器级联，每一级放大器由增益光纤以及与增益光纤匹配的无源器件(一般包括波分复用器、合束器、隔离器、环形器)组成，而多级无源器件的使用增加了整个系统结构的复杂度和无源光纤的长度，从而降低了SBS(受激布里渊散射效应)的阈值。此外，由于单频激光极窄的线宽以及光纤相对有限的纤芯尺寸，使单频光纤激光功率的提升受到SBS的限制，从而使得单频光纤激光功率无法被放大到较高的功率。

由于单频激光极窄的线宽以及光纤相对有限的纤芯尺寸，使单频光纤激光功率的提升受到受激布里渊散射效应(SBS)的限制。目前，基于MOPA结构的高功率单频光纤放大器，通常使用多级放大器级联，多级无源器件的使用增加了整个系统无源光纤的长度，从而降低了SBS的阈值。另外，过多无源器件的设置也增加了放大器整体结构的复杂性，不利于放大器小型化和集成化设计。

发明内容

本发明提供一种桥连式大模场光纤结构以及光纤放大器，用以解决现有技术中基于MOPA结构的单频光纤激光放大器，由于受到SBS的限制而无法被放大到较高功率的技术问题。

一方面，本发明提供一种桥连式大模场光纤结构，包括：沿着种子源信号光传输方向依次设置的多个增益光纤，并且所述多个增益光纤的纤芯直径依次增大；其中，相邻的两个增益光纤互相靠近的一端相连接；

所述多个增益光纤用于依次对输入的种子源信号光进行功率放大处理，得到目标激光信号。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，任意相邻的两个增益光纤中，前一个增益光纤的输出端的纤芯与后一个增益光纤的输入端的纤芯熔接，前一个增益光纤的输出端的包层与后一个增益光纤输入端的包层熔接。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，所述增益光纤上设有至少一个泵浦光耦合部；

所述泵浦光耦合部用于接收泵浦光，并将所述泵浦光耦合进对应的增益光纤中。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，所述泵浦光耦合部包括由所述增益光纤的部分内包层的外表面区域形成的光纤耦合面；所述泵浦光通过所述光纤耦合面耦合进对应的增益光纤中。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，所述光纤耦合面位于对应内包层(32)靠近输入端的外表面。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，所述光纤耦合面贴合有直角棱镜；

所述直角棱镜用于对入射的泵浦光进行折射，使得经过折射的泵浦光从所述光纤耦合面耦合进增益光纤的内包层中，并且在所述内包层中全反射传播。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，包括沿着所述种子源信号光传输方向依次设置的三个增益光纤。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，所述三个增益光纤的直径分别为10μm、20μm和30μm。

根据本发明提供的一种桥连式大模场光纤结构，还包括泵浦源，所述泵浦源用于给所述增益光纤提供放大所需的泵浦光。

另一方面，本发明还提供一种桥连式大模场光纤放大器，其包括如上所述的桥连式大模场光纤结构。

本发明提供的桥连式大模场光纤结构，其包括：沿着种子源信号光传输方向依次设置的多个增益光纤，相邻的两个增益光纤互相靠近的一端相连接；并且多个增益光纤的纤芯直径依次增大。本发明的光纤结构采用多个增益光纤的直径依次增大实现对种子源信号光的放大，由于减少了无源器件的使用，提高了整个光纤结构的SBS阈值，使得输入的种子源信号光可以被放大到较高的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的桥连式大模场光纤结构的结构示意图之一；

图2是本发明提供的桥连式大模场光纤结构的结构示意图之二。

附图标记：

1、第一增益光纤；2、第二增益光纤；3、第三增益光纤；31、纤芯；32、内包层；33、外包层；34、涂覆层；35、直角棱镜；36、光纤耦合面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的光纤结构采用多个增益光纤实现对种子源信号光的放大，由于桥连式光纤结构的使用和无源器件的减少，提高了整个光纤单频激光放大器的SBS阈值，使信号光输出功率可以得到更大提升。

下面结合附图1-2对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一：

本实施例提供一种桥连式大模场光纤结构，其包括：沿着种子源信号光传输方向依次设置的多个增益光纤，并且多个增益光纤的纤芯直径依次增大；其中，相邻的两个增益光纤互相靠近的一端相连接。本实施例采用多个直径依次增大的增益光纤实现对种子源信号光的放大，由于桥连式光纤结构的使用和无源器件的减少，提高了整个光纤单频激光放大器的SBS阈值，使得输入的种子源信号光可以被放大到较高的功率，得到所需的目标激光信号。

进一步的，每个增益光纤上设有至少一个泵浦光耦合部；泵浦光耦合部用于接收泵浦光，并将泵浦光耦合进对应的增益光纤中。

具体的，本实施例的泵浦光耦合部包括由增益光纤的部分内包层的外表面区域形成的光纤耦合面；泵浦光通过光纤耦合面耦合进对应的增益光纤中。换言之，对增益光纤的部分区域的涂覆层和外包层进行剥除，露出部分内包层，该内包层外表面区域形成光纤耦合面。即可以理解的是，光纤耦合面只是增益光纤外表面的部分区域，如果将增益光纤的涂覆层和外包层沿着增益光纤的延伸方向切开，使得涂覆层和外包层为一个长方体状(考虑到涂覆层和外包层的厚度)的话，那么相当于在长方体上挖了一个矩形的方孔，以露出里面的内包层，从而使得泵浦光可以从内包层进入增益光纤中。将泵浦光以预设的角度注入光纤耦合面，可使得泵浦光在内包层中全反射传播，以实现激光信号功率的放大。在其他实施例中，为了提高泵浦功率，还可以在每个增益光纤上设置多个光纤耦合部，以实现高功率泵浦光的耦合。

一般的，为了使得输入的种子源信号光能在对应的增益光纤中有效提取反转粒子数，本实施例中将光纤耦合面设置在对应的增益光纤靠近输入端的部分上，换言之，光纤耦合面位于对应内包层靠近输入端的外表面。

在一种实施例中，光纤耦合面贴合有直角棱镜，直角棱镜的一个直角面通过光学胶固定于光纤耦合面上，光学胶的折射率与直角棱镜的折射率相同。直角棱镜用于对入射的泵浦光进行折射，使得经过折射的泵浦光从光纤耦合面耦合进增益光纤的内包层中，并且在内包层中全反射传播。换言之，把直角棱镜用光学胶固定在内包层的一侧平面上。直角棱镜由石英材料制成，光学胶折射率和石英材料的折射率相同，泵浦光经过棱镜的折射进入到内包层中。

在其他实施例中，泵浦光耦合部还可以设计为其他结构形式，例如泵浦光耦合部设置为V形槽侧面泵浦结构和嵌入反射镜侧面泵浦结构。

在一种实施例中，桥连式大模场光纤结构还多个包括泵浦源，每个泵浦源对应一个增益光纤，泵浦源用于给增益光纤提供放大所需的泵浦光。

本实施例提供的桥连式大模场光纤结构和现有的基于MOPA结构的高功率单频光纤激光放大器相比具有以下技术优势：

第一，由于本发明的桥连式大模场光纤结构中的增益光纤直径(横截面的直径)的逐级增大，并且和MOPA结构相比减少了无源器件的使用，可以进一步提高了放大系统的SBS阈值，使得输入的种子源信号光可以被放大到较高的功率。

第二，由于本发明采用各级大模场增益光纤直接相连的桥连式结构，有利于对放大器进行散热封装，从而改善由热效应带来的不利影响，实现系统的稳定高效输出。

第三，由于各级大模场增益光纤的纤芯直径的不同，各级放大器形成反谐振结构，避免自激振荡现象的产生，提高输出激光的信噪比。

第四，由于各级大模场增益光纤之间模式不匹配，使得由热激发产生的自发布里渊散射光和由强场导致的受激布里渊散射光在后向传输过程中，从各级大模场增益光纤的输入端泄漏出来，避免了后向散射光发生相干叠加，从而有效破坏声子积累过程，抑制SBS的产生，实现高功率单频激光的输出。

实施例二：

本实施例提供一种桥连式大模场光纤结构，如图1，本实施例光纤结构包括三个增益光纤，分别为第一增益光纤1、第二增益光纤2和第三增益光纤3；第一增益光纤1的输入端用于接收输入的种子源信号光，第一增益光纤的输出端1与第二增益光纤2的输入端连接，第二增益光纤2的输出端与第三增益光纤3的输入端连接，第三增益光纤3的输出端用于输出目标激光信号光；第一增益光纤1、第二增益光纤2和第三增益光纤3的纤芯直径依次增大。例如，本实施例的第一增益光纤1的纤芯直径为10μm，第二增益光纤2的纤芯直径为20μm，第三增益光纤3的纤芯直径为30μm。

其中，本实施例中相邻两个增益光纤通过熔接的方式实现连接，从而使得激光信号可在相邻的增益光纤之间传输。例如，第一增益光纤1输出端的纤芯与第二增益光纤2输入端的纤芯熔接，第一增益光纤1输出端的包层与第二增益光纤2输入端包层熔接；第二增益光纤2输出端的纤芯与第三增益光纤3输入端的纤芯熔接，第二增益光纤2输出端的包层与第三增益光纤3输入端包层熔接。由于通过熔接的技术手段实现光纤的熔接是本领域技术人员的常规技术手段，本实施例中不再赘述。

其中，在第一增益光纤1、第二增益光纤2和第三增益光纤3的输入端分别设有一个泵浦光耦合部。本实施例以第三增益光纤3为例，第三增益光纤3包括涂覆层34、外包层33、内包层32和纤芯31。如图1，泵浦光耦合部包括光纤耦合面36和设置在光纤耦合面36上的直角棱镜35，例如直角棱镜35通过光学胶固定于光纤耦合面36上。如图2，从直角棱镜35折射后的泵浦光在第三增益光纤3的内包层中全反射传播。

本实施例的第一增益光纤1、第二增益光纤2和第三增益光纤3均为大模场增益光纤。种子源信号光通过第一增益光纤1的输入端进入光纤结构，首先在大模场增益光纤1中通过受激辐射实现第一级放大，而后通过第一增益光纤1输出端直接进入第二增益光纤2中，实现第二级放大，最后通过第二增益光纤2输出端进入第三增益光纤3中，实现第三级放大后输出。

实施例三：

本实施例提供一种桥连式大模场光纤放大器，其包括如上述实施例一或二提供的桥连式大模场光纤结构。

具体地，由于光纤放大器包括如上所述的光纤结构，光纤结构的具体结构参照上述实施例，则本实施例所示的光纤放大器包括了上述实施例的全部技术方案，因此至少具有上述全部技术方案所取得的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种桥连式大模场光纤结构，其特征在于，包括：沿着种子源信号光传输方向依次设置的多个增益光纤，并且所述多个增益光纤的纤芯直径依次增大；其中，相邻的两个增益光纤互相靠近的一端相连接；

所述多个增益光纤用于依次对输入的种子源信号光进行功率放大处理，得到目标激光信号。

2.根据权利要求1所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，任意相邻的两个增益光纤中，前一个增益光纤的输出端的纤芯(31)与后一个增益光纤的输入端的纤芯(31)熔接，前一个增益光纤的输出端的包层与后一个增益光纤输入端的包层熔接。

3.根据权利要求1所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，所述增益光纤上设有至少一个泵浦光耦合部；

所述泵浦光耦合部用于接收泵浦光，并将所述泵浦光耦合进对应的增益光纤中。

4.根据权利要求3所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，所述泵浦光耦合部包括由所述增益光纤的部分内包层(32)的外表面区域形成的光纤耦合面(36)；所述泵浦光通过所述光纤耦合面(36)耦合进对应的增益光纤中。

5.根据权利要求4所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，所述光纤耦合面(36)位于对应内包层(32)靠近输入端的外表面。

6.根据权利要求4或5所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，所述光纤耦合面(36)贴合有直角棱镜(35)；

所述直角棱镜(35)用于对入射的泵浦光进行折射，使得经过折射的泵浦光从所述光纤耦合面(36)耦合进增益光纤的内包层(32)中，并且在所述内包层(32)中全反射传播。

7.根据权利要1-6任一项所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，包括沿着所述种子源信号光传输方向依次设置的三个增益光纤。

8.根据权利要7所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，所述三个增益光纤的直径分别为10μm、20μm和30μm。

9.根据权利要1-8任一项所述的桥连式大模场光纤结构，其特征在于，还包括泵浦源，所述泵浦源用于给所述增益光纤提供放大所需的泵浦光。

10.一种桥连式大模场光纤放大器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的桥连式大模场光纤结构。

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