CN1996071A - 激光功率集成器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于光纤激光器和放大器的激光功率集成器及其实现方法，该激光功率集成器有两部分组成，一部分由若干一定直径的光纤束(1)组成，另一部分由特定结构的双包层光纤(2)组成，光纤束(1)一端通过加热方式均匀拉锥成一定直径的紧密结合的整体。上述光纤束(1)处理过的一端和上述双包层光纤的一端熔接在一起。光纤束(1)拉锥区需要控制合适的长度。拉锥过程中光纤束旋转，光纤需要承受一定的张力。本发明涉及的另外一种结构是，双包层光纤外围通过拉锥均匀附着多模光纤束，多束泵浦光可以通过多模光纤传到双包层光纤中。

Description

激光功率集成器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种激光功率集成器，特别涉及应用于光纤激光器和放大器或激光多路传输的激光功率集成器的结构及其实现方法。

背景技术

光纤激光器是近几年激光领域人们关注的热点之一，特别是应用到光纤通信窗口的1.55μm波长的光纤激光器以及应用于军方和工业加工的1.08um波长高功率光纤激光器的发展更为迅猛。

当前，国内外业界对光纤到家庭(FTTH)技术的发展和应用热情日益高涨，FTTH是20年来人们不断追求的梦想和探索的技术方向，但由于成本、技术、需求等方面的障碍，至今还没有得到大规模推广与发展。但是FTTH网要想同目前大范围应用的DSL相抗衡，其价格成本是非常关键的。开发超大激光功率耦合组件以及配套的高功率光纤放大器在FTTH系统整体成本比采用市场普通的掺铒光纤放大器多级放大成本有大幅度下降。目前超大功率光纤放大器常用的技术方案是采用双包层铒镱共掺光纤加上激光功率耦合组件和双包层光纤光栅。

目前国内外作为光通信光纤无源器件应用的光纤定向耦合器主要用于光分路或者合路连接器，采用较为成熟的熔锥法生产，其工艺较为简单，制作周期短，适于实现微机控制的半自动化生产。但是，这种用于通信的单模光纤定向耦合器是将一路和一路以上输入光信号按一定比例要求分配到两路或多路输出的光信号中去。其原理决定其只能进行对输入信号光功率分配，因此输出的信号光功率必定小于输入最大信号的光功率，因而无法用于实现光功率的扩展。在双包层光纤侧面泵浦耦合技术中，在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去除露出纤芯，同时双包层光纤的外包层也要去除露出内包层，并且要使之能够融合在一起。因此，这种双包层熔锥侧面功率集成器的制作工艺与单模光纤耦合器有很大不同。如果双包层光纤的尺寸变大(例如直径为400和650微米)则其工艺将发生较大变化。拉锥后在锥区的截面要与双包层光纤匹配，从而保证较低的损耗。这种功率集成器的制作设备与常规单模光纤耦合器的制作设备相比也要进行改进。

中国专利1xN塑料光纤耦合器(申请号200510025264.3，上海大学)涉及一种1×N塑料光纤耦合器。它包括主塑料光纤和N个分支塑料光纤，N为大于2的自然数，主塑料光纤通过一个漏斗形波导件与N个分支塑料光纤相连接。该塑料光纤耦合器分光比均匀，插入损耗低，结构简单，制备成本低，适合作塑料光纤网络中的分波器或合波器。该专利产品由于采用塑料基质，在损耗和耐热性上都不及石英基质材料，对高功率光纤激光器和放大器应用有一定局限性。

美国朗讯公司在1999年授权的基本专利US5864644涉及的是包层泵浦耦合器件用熔锥光纤束，认为降低器件损耗主要通过控制熔锥拉锥过程。更新的相关专利是美国相干公司的专利US2005/0031266 A1，涉及的是模复用光耦合器件。但不易于在制备工艺中的有效控制，不利于实现高传输效率和低插入损耗。

发明内容

本发明目的在于提供一种激光功率集成器及其实现方法，该激光功率集成器具有高的传输效率，可应用于全光纤结构的光纤激光器和放大器中，作为多路泵浦功率收集。也可以用于激光波长在400nm到2000nm的各类激光器激光输出分路。

本发明主要涉及一种激光功率集成器，用于激光器光功率的传输，所述激光功率集成器是一种全光纤结构，由两部分组成：光纤束1，由若干根一定直径的光纤组成，其中一根在中间，其它几根均匀密排分布在其周围；双包层光纤2；其中光纤束1一端通过加热方式均匀拉锥成一定直径的紧密结合的整体，并和所述双包层光纤2的一端熔接在一起，熔接处的裸光纤部位用低折射率涂料涂覆。

本发明还涉及另一种激光功率集成器，用于激光器光功率的传输，其中该激光集成器由若干根光纤组成的光纤束1构成，光纤束中心一根光纤是双包层光纤，周围均匀密排分布多模光纤，光纤束1拉锥到一定直径后，形成光纤束中间紧密融合在一起并有锥区的结构，通过激光器熔化掉拉锥的直径稳定区和与该直径稳定区相连接的该光纤束未拉锥部分的交界处的多模光纤，保留光纤束中心部位的双包层光纤。

本发明还涉及一种实现上述两种激光功率集成器的方法，其中通过大直径拉锥机拉锥对光纤束1进行拉锥，所述拉锥过程可以通过可燃气体火焰、电极放电、等离子或激光器的加热方式来软化光纤束

本发明的有益效果有：

1.提供应用于全光纤结构的光纤激光器和放大器用的激光功率集成器；

2.激光功率集成器的结构有利于使得泵浦光在集成器中模式稳定，最低限度降低包层模式损耗，实现高的传输效率和低的插入损耗；

3.提供了实现激光功率集成器制作的相对简易的方法。

附图说明

图1为根据本发明的7×1激光功率集成器结构示意图；

图2为根据本发明的(6+1)×1激光功率集成器结构示意图；

图3为根据本发明的另外一种激光功率集成器结构示意图；

图4为根据本发明的全光纤结构脉冲激光器或放大器结构示意图；

图5为根据本发明的激光功率集成器应用于全光纤结构脉冲激光器或放大器示意图。

具体实施方式

首先详细描述一下本发明的基本原理：

全光纤型激光器采用低功率的长寿命低价格的单条宽发光区多模泵浦激光器替代高功率多模泵浦激光器，降低有源区光功率密度、电流密度和有源区工作温度对降低失效率有显著意义。通过激光功率集成器将多个低功率的泵浦激光器集成进有源双包层光纤中，用双包层光纤光栅替代体光学镜片在有源双包层光纤之间构成光学谐振腔。另外一种采用主振荡放大方式(MOPA)，即光纤放大器常用的放大原理，能严格将种子源光进行原形放大，却不改变激光波长、重复频率、脉宽和脉冲波形。一般脉冲激光器采用MOPA方式，既可得到优良的激光特性，又能大大提高输出激光的亮度。对高功率光纤激光器来说，以上两种技术都必须采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，有利于提高光源的输出模式，易于泵源的散热提高寿命以及便于维修更换，均会应用到本发明的激光功率集成器。

激光功率集成器最关键的技术是如何提高激光功率的传输效率，首先满足以下关系：

D′·NA_out≤∑D_i·NA_in

∑D_i≈N^1/2·D_i

式中，D′是功率集成器的输出光纤直径，NA_out为输出光纤的数值孔径，D_i为输入光纤直径，NA_in为输入光纤数值孔径，N为光纤束中光纤的数目。拉锥过程有效控制，使得拉锥过程受热均匀，避免出现不均匀结构波动，是提高激光功率集成器传输效率的重要手段，本发明采用拉锥过程中光纤束旋转，以及光纤束中的光纤承受一定的张力都是出于这个目的。

光纤束拉锥区分为直径变化区和直径稳定区。直径变化区太短，会导致泵浦光模式泄漏，造成插入损耗增加，并引起激光功率集成器的使用寿命减少，所以需要保证合适长度的直径变化区，尽量降低模式损耗到最低值。选择合适的直径稳定区，有利于进一步保持泵浦光模式稳定，并使得光纤束与输出光纤的熔接损耗降低。

为了更详细地说明本发明，下面将在附图的基础之上描述本发明的具体实施例。以下结合附图对本发明作进一步详细说明，其中附图的数字标识在所有附图中是统一的。

附图1所示是本发明激光功率集成器的第一个实施例，为功率集成器结构示意图。光纤束1有7根阶跃型多模光纤01组成，中间一根，周围均匀分布6根，附图4中4A为7根多模光纤束剖面图。多模光纤的芯径均为105um，包层直径均为125um，光纤束被拉锥后，和未掺杂稀土离子双包层光纤2(以下均简称未掺杂双包层光纤)熔接，未掺杂双包层光纤的芯径为10um，内包层直径均为200um，内包层数值孔径为0.46。

光纤束拉锥部分通过火焰加热方式均匀拉锥成200um直径的紧密结合的整体。直径变化区11的长度大约控制在5mm到10mm范围内，直径稳定区12长度大约控制在2mm到5mm范围内，在直径稳定区12合适长度截断并作端面处理，通过光纤熔接机，将其和上述规格未掺杂双包层光纤熔接在一起。光纤束和未掺杂双包层光纤熔接点3用折射率为1.37的光纤涂料涂覆，确保泵浦光被限制在光纤内包层。

拉锥过程中光纤束旋转，以保证光纤束受热均匀。拉锥前或拉锥过程中光纤束扭转，以保证光纤束紧密结合。同时光纤束中的光纤需要承受一定的张力来控制光纤束拉锥后直径，光纤在拉锥过程中避免不稳定拉锥造成集成器的附加损耗。

上述实施例得到的激光功率集成器的传输效率达到95％以上。

附图2所示是本发明激光功率集成器的第二个实施例，附图4中4B为实施例二光纤束剖面图。光纤束1有7根光纤组成，中间一根为单模光纤010，周围均匀分布6根阶跃型多模光纤01，多模光纤用于传输泵浦光，单模光纤用于传输种子光。其中多模光纤的芯径均为105um，包层直径均为125um，单模光纤的芯径为9um，包层直径均为125um，光纤束被拉锥后，和未掺杂双包层光纤熔接，未掺杂双包层光纤的芯径为10um，内包层直径均为200um，内包层数值孔径为0.46。

光纤束拉锥部分通过火焰加热方式均匀拉锥成200um直径的紧密结合的整体。直径变化区11的长度大约控制在5mm到10mm范围内，直径稳定区12长度大约控制在2mm到5mm范围内，在直径稳定区12合适长度截断并作端面处理，通过光纤熔接机，将其和上述规格未掺杂双包层光纤熔接在一起。光纤束和未掺杂双包层光纤熔接点用折射率为1.37的光纤涂料涂覆，确保泵浦光被限制在光纤内包层。

拉锥过程中光纤束旋转，以保证光纤束受热均匀。拉锥前或拉锥过程中光纤束扭转，以保证光纤束紧密结合。同时光纤束中的光纤需要承受一定的张力来控制光纤束拉锥后直径，光纤在拉锥过程中避免不稳定拉锥造成集成器的附加损耗。

上述实施例得到的激光功率集成器泵浦光的传输效率达到95％以上。种子光的传输效率达到85％以上。

附图3所示为本发明的激光功率集成器的第三个实施例，采用的方法是将多模光纤附着在双包层光纤内包层，泵浦光通过多模光纤从侧面耦合进双包层光纤，实现激光功率集成器无缝耦合，省略了光纤熔接损耗的影响，可极大地提高输出功率。附图4中的4C为实施例三光纤束剖面示意图，本实施例中，光纤束有9根光纤组成，中间一根为未掺杂双包层光纤2，周围均匀分布8根阶跃型多模光纤01，多模光纤用于传输泵浦光。其中多模光纤的芯径均为105um，包层直径均为125um，未掺杂双包层光纤的芯径为10um，内包层直径均为200um，内包层数值孔径为0.46。光纤束被拉锥后，拉锥的直径稳定区直径为300um，拉锥的直径稳定区长度控制在约20mm的位置。用准单模大功率激光器对准拉锥的直径稳定区的末端和与其相连接的该光纤束未拉锥部分的交界处，小心地熔化并去掉多模光纤，在多模光纤熔断处和双包层光纤完全融合在一起，该光纤束交界处以外的多模光纤保留，形成的光纤如图3所示。

拉锥部位用折射率为1.37的光纤涂料涂覆，确保泵浦光被限制在光纤内包层。

拉锥过程中光纤束旋转，以保证光纤束受热均匀。拉锥前或拉锥过程中光纤束扭转，以保证光纤束紧密结合。同时光纤束中的光纤需要承受一定的张力来控制光纤束拉锥后直径，光纤在拉锥过程中避免不稳定拉锥造成集成器的附加损耗。

上述实施例得到的激光功率集成器泵浦光的传输效率达到93％以上。

在这三个实施例中，未掺杂双包层光纤都可以替换为掺稀土双包层光纤。

上述实施例中，多模光纤的包层和芯层是石英材质或者塑料材质；掺稀土双包层光纤的芯层是掺杂铒、镱、铥、钕、镨等镧系金属离子；未掺杂双包层光纤的包层和芯层是石英材质或者塑料材质。光纤束通过大直径拉锥机拉锥进行拉锥，拉锥过程可以通过可燃气体火焰、电极放电、等离子或激光器等加热方式来软化光纤束。

附图5为根据本发明制作的激光功率集成器应用于脉冲光纤激光器中示意图，还可应用于连续光纤激光器和光纤放大器中。

虽然结合目前认为最为实用和最佳的实施例对本发明进行了描述，不过本发明不限于所公开的实施例，还包括了所附权利要求精神和范围所包括的引申含义和变化。

Claims (11)

1.一种激光功率集成器，用于激光器光功率的传输，所述激光功率集成器是一种全光纤结构，由两部分组成：

光纤束(1)，由若干根一定直径的光纤组成，其中一根在中间，其它几根均匀密排分布在其周围；

双包层光纤(2)；其中

光纤束(1)一端通过加热方式均匀拉锥成一定直径的紧密结合的整体，并和所述双包层光纤(2)的一端熔接在一起，熔接处的裸光纤部位用低折射率涂料涂覆。

2.如权利要求1所述的激光功率集成器，其中所述光纤束(1)中的中间一根光纤是多模光纤或者单模光纤。

3.如权利要求1所述的激光功率集成器，其中所述双包层光纤(2)是未掺杂双包层光纤或者掺稀土双包层光纤。

4.如权利要求2或3所述的激光功率集成器，其中所述光纤束(1)的拉锥区光纤间隙呈类三角形，直径变化区(11)的长度不小于光纤束最大内切圆直径的10倍，直径稳定区(12)长度不小于光纤束最大内切圆直径的5倍。

5.一种激光功率集成器，用于激光器光功率的传输，其中该激光集成器由若干根光纤组成的光纤束(1)构成，光纤束中心一根光纤是双包层光纤，周围均匀密排分布多模光纤，光纤束(1)拉锥到一定直径后，形成光纤束中间紧密融合在一起并有锥区的结构，通过激光器熔化掉拉锥的直径稳定区末端和与其相连接的该光纤束未拉锥部分的交界处的多模光纤，保留光纤束中心部位的双包层光纤。

6.如权利要求5所述的激光功率集成器，其中所述熔化的交界处不需要光纤熔接机熔接，拉锥区包裹在低折射率涂料中。

7.如权利要求6所述的激光功率集成器，其中所述双包层光纤是未掺杂双包层光纤或者掺稀土双包层光纤。

8.如权利要求3或6所述的激光功率集成器，其中所述多模光纤的包层和芯层是石英材质或者塑料材质；掺稀土双包层光纤的芯层是掺杂铒、镱、铥、钕、镨的镧系金属离子；未掺杂双包层光纤的包层和芯层是石英材质或者塑料材质。

9.一种实现如权利要求1或5所述的激光功率集成器的方法，其中通过大直径拉锥机拉锥对光纤束(1)进行拉锥，所述拉锥过程可以通过可燃气体火焰、电极放电、等离子或激光器的加热方式来软化光纤束。

10.如权利要求9所述的方法，其中还包括在所述拉锥过程中旋转光纤束(1)，以保证光纤束受热均匀，并且光纤束(1)中的光纤需要承受一定的张力。

11.如权利要求10所述的方法，其中还包括拉锥前或拉锥过程中扭转光纤束(1)，以保证光纤束紧密结合。

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