CN203250044U - 一种多端口高功率光纤波分复用器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：包括第一准直器、滤波片和第二准直器，其中，第一准直器和第二准直器均包括光纤构件和准直正透镜；所述光纤构件包括结构光纤、与结构光纤一端熔接的光纤；所述光纤与结构光纤具有不同的纤芯直径；所述滤波片设置在第一准直器的准直正透镜和第二准直器的准直正透镜之间；所述结构光纤的另一端靠近准直正透镜。本实用新型多端口高功率光纤波分复用器解决了光斑扩大后光束质量下降，光斑扩大后耦合效率不升反降的问题；解决了由于光纤光斑小而导致的耦合效率低下及功率承受能力不高的问题。

Description

一种多端口高功率光纤波分复用器

技术领域

本实用新型涉及信息技术领域，尤其是涉及一种多端口高功率光纤波分复用器。 

背景技术

目前提高单光纤输出端面的功率承载能力的技术方案有很多，在商用上有少数较专业的公司应用得很好，能达到令人满意的功率承受水平。但这种单光纤处理技术，通常称之为扩束技术，主要应用于高功率激光系统的输出端，如果一对一、一对多或多对多的耦合以达到多功能多样化的系统需求，则显露出其局限性。一是耦合效率不高，一般的扩束处理或多或少的影响光斑的光束质量，特别地，在光纤本身纤芯较小的情形之下，有效的光斑腰斑并无改变，从而耦合系统的像差极大的影响耦合效率；二是在一对多及多对多的情形下，器件的复杂程度增加、精度要求更高、体积大大增加、成本急剧上升、装配难度大大增加；三是在功率较高的情况下，较差的耦合效率意味着损失的能量将转化为热量，大大影响系统的可靠性；四是越复杂的结构，可靠性越低，失效机率也越大。 

针对以上问题，目前较好的解决方案是将光纤在一定范围的高温环境加热，促使纤芯中的掺杂离子向包层中扩散，从而扩大纤芯区域以获得较大尺寸的光斑。在加热扩散后，用切割装置将光纤从加热区中间切割，从而得到两根类似的光斑扩大的光纤。这种结构能一定程度上解决上述问题，但是在工艺实施过程，很难做到在较长的尺寸范围内掺杂离子扩散的情况均匀一致。因此，将切开的两根光纤装配在同一双纤毛细管之中，在 装配深度、研磨长度上都需限制，否则，这两根光纤在输出面上的光斑大小就会有差别，从而导致耦合效率降低。特别地，对于保偏光纤，由于应力区受热也要扩散，光纤的保偏特性有可能发生随机性的变化，加热扩散区越长，随机性越大。 

由此可见，现有技术中光纤波分复用器在结构、使用过程中存在明显的缺陷和不足，亟待进一步改进，因此，如何创设一种能够解决耦合效率不高、一对多及多对多时集成困难等问题，具有可靠性高、装配简单、效率高、性能优良的光纤构件以及应用该光纤构件的高功率光纤波分复用器，是我们面临解决的技术问题之一。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多端口高功率光纤波分复用器，解决了耦合效率不高、一对多及多对多集成困难的问题，具有装配简单、效率高的优点，从而克服现有技术的不足。 

为解决上述问题，本实用新型提供一种多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：包括第一准直器、滤波片和第二准直器，其中，第一准直器和第二准直器均包括光纤构件和准直正透镜； 

所述光纤构件包括结构光纤、与结构光纤一端熔接的光纤； 

所述光纤与结构光纤具有不同的纤芯直径； 

所述滤波片设置在第一准直器的准直正透镜和第二准直器的准直正透镜之间； 

所述结构光纤的另一端靠近准直正透镜。 

进一步的，所述第一准直器和第二准直器还包括双纤毛细管和固定圆管。 

所述光纤构件穿过双纤毛细管并固定在内部，所述双纤毛细管通过套 接在其上的固定管靠近准直正透镜。 

所述第一准直器包括由第一光纤、第一结构光纤熔接成的第一光纤构件和由第二光纤、第二结构光纤熔接成的第二光纤构件；所述第一光纤与第一结构光纤类型相同；所述第二光纤与第二结构光纤类型相同。 

所述第二准直器包括由第三光纤、第三结构光纤熔接成的第三光纤构件和由第四光纤、第四结构光纤熔接成的第四光纤构件。 

所述第三光纤与第三结构光纤类型相同；第四光纤与第四结构光纤类型相同。 

所述滤波片与第一准直正透镜固定连接；所述准直正透镜采用渐变折射率透镜。 

采用以上设计后，本实用新型与现有技术比较有以下优点： 

1、本实用新型的高功率光纤波分复用器解决了光斑扩大后光束质量下降，光斑扩大后耦合效率不升反降的问题；解决了由于耦合效率低下从而功率承受能力不高的问题； 

2、本实用新型的高功率光纤波分复用器解决了扩散区太短，从而后续切割、装配、研磨等工艺过程影响扩散区域有效长度，从而导致良率低下的问题以及扩散区形状不规则从而产品一致性差、产品匹配差的问题； 

3、本实用新型的高功率光纤波分复用器解决了特殊光纤，尤其是保偏光纤的光斑扩大、降低耦合损耗的问题；光纤1、光纤9、光纤10、光纤15可以根据具体需求选用不同光纤，特别具有灵活性，同时也降低了系统复杂程度，提高了系统可靠性和性能指标，相当于将光纤模式匹配的过程内化了进去，尺寸更小、成本更低、装配更简、良率更高、性能更优。 

4、本实用新型的高功率光纤波分复用器通过将结构光纤熔接在实际使用的光纤之上，并使用后续加热扩散技术，使两者之间以很低的损耗渐变的过渡，从而达到由使用光纤的模场直径转换成所需的由结构光纤确定的 模场直径的目的。而结构光纤的模场直径是稳定、一致、可重现的。本实用新型的光纤构件，是生产研制高功率多光纤集成器件的优良解决方案，广泛应用于很多种不同的结构和用途。 

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。 

图1是本实用新型的高功率光纤波分复用器结构组成示意图。 

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型的高功率光纤波分复用器结构组成，包括第一准直器、滤波片、第二准直器。 

其中，第一准直器包括由第一光纤1和第一结构光纤11熔接成的第一光纤构件、双纤毛细管3、由第二光纤10和第二结构光纤12熔接成的第二光纤构件、第一准直正透镜4、第一固定圆管2。第一光纤构件和第二光纤构件穿过双纤毛细管3并固定其内，第一准直正透镜4设置在双纤毛细管3右侧，第一准直正透镜4与双纤毛细管3套接在第一固定圆管2之内。滤波片5设置在第一准直正透镜4右侧。 

第二准直器包括第三光纤9和第三结构光纤13熔接成的第三光纤构件、双纤毛细管8、第四光纤15和第四结构光纤14熔接成的第四光纤构件、第二准直正透镜6、第二固定圆管7。第三光纤构件和第四光纤构件穿过双纤毛细管8并固定在其内，第二准直正透镜6设置在双纤毛细管8左侧，第二准直正透镜6与双纤毛细管8套接在第一固定圆管7之内。 

进一步的，光纤1可采用包括保偏光纤的任何种类的光纤，纤芯大小可指定。结构光纤11是与光纤1类型类似的光纤，例如，光纤1是保偏光 纤，结构光纤11也应是保偏光纤。但是与光纤1具有不同大小的纤芯。如果扩大输出端面的光斑达到提高功率承受能力及提高耦合效率的效果，则结构光纤选用比光纤1纤芯大的光纤，其功率承受能力提高倍数与光斑扩大倍数平方成正比，其耦合允许容差呈指数变大。如果使光斑远场发散角变大，则光纤11选用比光纤1纤芯小的结构光纤。光纤9、光纤10、光纤15都可采用任何种类的光纤，它们之间根据需求也可不同。 

此外，结构光纤12、结构光纤13、结构光纤14的类型分别与光纤10、光纤9、光纤15类似。如果结构光纤11、结构光纤12、结构光纤13、结构光纤14之间为有光路连通要求的结构光纤对，则要保持光纤种类和纤芯大小一致，以保持光纤特性及优化耦合效率。 

第一准直正透镜4将结构光纤11、结构光纤12发出的具有一定发散角的光进行准直的正透镜，若其焦距是F，结构光纤11、结构光纤12发出的光的远场发散角全角为A，则光斑直径＝F*A。 

本实用新型采用渐变折射率透镜，且该透镜的节距为四分之一，以方便滤波片5与其贴合安装。其中，滤波片5几乎无损的透过某些波长光而使另外一些波长的光几乎全部反射的光学元件，也可使某些波长范围内的光，入射时按一定比例分成两份，一份透过，一份反射。 

第二准直正透镜6将结构光纤13、结构光纤14发出的具有一定发散角的光进行准直的正透镜，若其焦距是f，结构光纤13、结构光纤14发出的光的远场发散角全角为a，则光斑直径＝f*a。一般而言，如果要求第一准直器和第二准直器之间光路连通，则要求F*A＝f*a，以保证良好的耦合效率。同时，若光路高度对称，为避免不必要的菲涅耳反射，第二准直正透镜6可采用与第一准直正透镜4不同类型的透镜。 

上述结构可通过合适结构的底座或桥接件通过用焊接、胶接以及机械固定等方法连接为稳定的整体。 

本实用新型多端口高功率光纤波分复用器具体制造过程如下： 

首先，将光纤1用剥皮工具剥除一定长度的涂敷层，清洗，并用光纤切割设备在一定长度处，切割光纤使其形成平整光洁的端面，用同样方法处理结构光纤11，并将制备好的光纤1和结构光纤11放于可后续扫描放电或加热的光纤熔接机中熔接。 

熔接时，光纤1的一端接一监控光源，另一端接结构光纤11，结构光纤11的另一端接功率计以在线监控熔接损耗。一般而言，如果光纤1的纤芯和结构光纤11的纤芯有较大的差异，普通的熔接条件将使经过熔接点的光功率大幅衰减。此时可用后续的加热程序，尤其是将加热区域在熔接点附近扫描以提供渐变而均匀的温度场。需要时，稍微拉伸熔接点，扫描的温度、时间、距离、拉伸长度都应根据不同光纤类型而定，但都可以通过上述监控系统来检测，达到目的为止。熔接后的加热也可用其他稳定可控的热源。当得到理想的熔接损耗后，截取足够长度的结构光纤11，以确保后续的装配、以致研磨过程不会影响到熔接后的加热扩散区域。因为结构光纤11可以任意长，由此结构得到的光斑质量、大小、一致性就由具有成熟工艺的结构光纤11来决定，当结构光纤11采用商用化的光纤，其结构完善性和一致性较好。熔接后用加热扩散的方法使不同纤芯直径的实际使用光纤与结构光纤纤芯大小由梯度变化变为渐变变化从而光斑大小在两者之间平滑转换。 

光纤10与结构光纤12、光纤9与结构光纤13、光纤15与结构光纤14之间的熔接及熔接后的处理与上述处理方法一样，都需要获得理想的熔接损耗。温度合适时，因为扩散容易实现，不同纤芯之间的掺杂区域梯度很容易变得平滑，所以降低损耗较容易。 

第一光纤构件和第二光纤构件穿入双纤毛细管3之内，为后续工序简便，结构光纤11与结构光纤12预留长度大于研磨所损耗掉的长度上限。如果结构光纤是保偏光纤且需要将其工作轴按一定规则对位时，对位须在 带有指示线的高倍CCD或显微镜下进行。用合适的胶粘剂固定并固化。这两组光纤组件的熔接点无需严格对齐。按合适角度研磨该组件并精密抛光和镀高功率增透膜。 

安装时，选用与双纤毛细管3外径一致的第一准直正透镜4套入内径与两者外径匹配的第一固定圆管2，在精密调节架上调节光纤与双纤毛细管组件和第一正透镜4之间的距离使达到良好准直，此时点胶固定并固化使形成第一准直器。根据工艺需要，上述第一准直器可套接合适的固定管以利于桥接。如果光纤1与光纤10之间是有光路连通的，则不论光纤1与光纤10纤芯大小是否相同，只需采用的结构光纤11与结构光纤12为同种光纤，就能得到满意的耦合效率。制备过程中，需要保证各通光面的清洁以保证性能。 

滤波片安装时，如果光纤1与光纤10光路不需连通，则直接将滤波片5用合适的胶粘剂与准直正透镜4居中贴合并固化胶粘剂。如果光纤1与光纤10光路需要连通，则用合适的夹具夹持滤波片5，并调节安放在精密调节架上的第一准直器，根据使用要求从光纤1或光纤10输入监控光，另一端接功率计以监控调节位置。监控光源处于滤波片5的反射波长范围之内时，获得稳定、明确的调试结果。当调试位置达到要求，微调滤波片5与第一准直正透镜4间的相对位置，用合适的胶粘剂粘结并固化。 

将第三光纤构件和第四光纤构件穿入双纤毛细管3之内，如前所述，为后续工序简便，结构光纤13与结构光纤14预留长度可以大于研磨所损耗掉的长度上限。如果是保偏光纤且需要将其工作轴按一定规则对位，对位须在带有指示线的高倍CCD或显微镜下进行。用合适的胶粘剂固定并固化。同第一准直器一样，这两组光纤组件的熔接点无需严格对齐。按合适角度研磨该组件并精密抛光和镀高功率增透膜。 

然后，选用与双纤毛细管8外径一致的第二准直正透镜6并套入内径与两者外径匹配的第二固定圆管7，在精密调节架上调节光纤与双纤毛细管 组件和第二正透镜6之间的距离使达到良好准直，此时点胶固定并固化使形成第二准直器。根据工艺需要，上述第二准直器可套接合适的固定管以利于桥接。如果光纤9与光纤15之间是有光路连通的，则不论光纤9与光纤15纤芯大小是否相同，只需选用同种结构光纤13与结构光纤14，则能得到满意的耦合效率。 

如果光纤9、光纤15与光纤1、光纤10需要光路连通，则第一准直器和第二准直器之间光路连通，要求F*A＝f*a，F*A＝f*a，可获得优化的耦合效率。这在设计上保证了实施过程的灵活性和多样性，实施过程中同样需要保证各通光面的清洁以保证性能。 

调试时，根据使用要求和光路关系连接监控光源和功率计，调试分别安放于精密调节架上的第一准直器与滤波片5的组件和第二准直器之间的位置。监控光源应处于滤波片5的透射波长范围之内，获得稳定、明确的调试结果。调好之后，使用合适的工艺加以合适的桥接件将二者固定。最后对上述组件进行密封封装和外封处理以确保不受环境影响。 

如果需要对称度很高的器件以获得特殊的使用效果，则双光纤毛细管3、双光纤毛细管8各自的光纤孔距应相等或接近，结构光纤11、结构光纤12、结构光纤13、结构光纤14应为同种光纤，第一准直正透镜4和第二准直正透镜6的焦距应相等或接近。以实现光纤1到光纤15、光纤1到光纤10、光纤9到光纤10、光纤9到光纤15、光纤10到光纤9、光纤10到光纤1、光纤15到光纤1、光纤15到光纤9的光路连通，也可根据需要在调试时使其中的某些光路不存在连通关系。 

该类多端口高功率器件各端口间可采用不同的光纤，各连通端口之间的光斑大小设计得相等或相近似，内化了不同光纤连接时的模式转换，解决目前多光纤高功率器件无法紧凑集成和有效量产的问题。 

以上所述的光纤构件还可用于隔离器和耦合器中。 

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。 

Claims (7)

1.一种多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：包括第一准直器、滤波片和第二准直器，其中，第一准直器和第二准直器均包括光纤构件和准直正透镜； 

所述光纤构件包括结构光纤、与结构光纤一端熔接的光纤； 

所述光纤与结构光纤具有不同的纤芯直径； 

所述滤波片设置在第一准直器的准直正透镜和第二准直器的准直正透镜之间； 

所述结构光纤的另一端靠近准直正透镜。 

2.根据权利要求1所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述第一准直器和第二准直器还包括双纤毛细管和固定圆管。 

3.根据权利要求1所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述光纤构件穿过双纤毛细管并固定在内部，所述双纤毛细管通过套接在其上的固定管靠近准直正透镜。 

4.根据权利要求1所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述第一准直器包括由第一光纤、第一结构光纤熔接成的第一光纤构件和由第二光纤、第二结构光纤熔接成的第二光纤构件； 

所述第一光纤与第一结构光纤类型相同； 

所述第二光纤与第二结构光纤类型相同。 

5.根据权利要求1所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述第二准直器包括由第三光纤、第三结构光纤熔接成的第三光纤构件和由第四光纤、第四结构光纤熔接成的第四光纤构件。 

6.根据权利要求5所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述第三光纤与第三结构光纤类型相同；第四光纤与第四结构光纤类型相同。 

7.根据权利要求1所述的多端口高功率光纤波分复用器，其特征在于：所述滤波片与第一准直正透镜固定连接；所述准直正透镜采用渐变折射率透镜。 

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