CN203480073U - 一种光纤合束器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤合束器，解决泵浦激光器保护的反向隔离性能差的技术问题。其由输入多模光纤、输入信号光纤、输出光纤组成，输入多模光纤的裸纤与输入信号光纤的裸纤熔融拉锥到一定程度后，从中间垂直切割，与输出光纤的裸纤熔接;其中输入信号光纤是具有小包层的光纤或者是由任意光纤熔接具有小包层的光纤构成的。此种结构的光纤合束器，具有极佳的反向隔离性能，极好的保护了泵浦激光器，特别适用于高功率光纤激光器和光纤放大器，且具有制作工艺简单、耦合效率高、性能稳定等优点。

Description

一种光纤合束器

技术领域

本实用新型属于光纤技术领域，具体涉及一种光纤合束器，尤其是应用于高功率光纤激光器和光纤放大器上的光纤合束器。

背景技术

双包层光纤的出现，使得高功率光纤激光器和光纤放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述采用双包层光纤的包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。双包层掺杂光纤与普通的单模光纤相比，除了纤芯和内包层之间满足单模条件外，还有一层低折射率的外包层，使内、外包层之间形成一个多模光波导层，这样就可以利用高功率多模半导体激光泵浦，泵浦光在内包层传输，不断穿越掺杂的纤芯而被介质吸收，产生的激光在纤芯中传输，这样可以获得大功率的单模激光输出。

光纤激光器的包层泵浦耦合技术对决定光纤激光器性能和水平具有不可估量的作用。用于大功率全光纤激光器的光纤泵浦耦合器件在很高的功率条件下使用，其耦合效率必须很高，损耗必须很小，承受的功率必须很大，并且，输入光的路数还需要尽可能的多。在如此众多的极限条件要求下，制作优质的泵浦耦合器件具有很高的难度，不过，实现的方式方法也多种多样，这是一项富有挑战性的技术。从大功率光纤激光器的发展趋势来看，还要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合到内包层的同时，尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯，因为只有这样才能在不影响信号激光的产生和传输的情况下实现级联泵浦，实现超大功率的输出。

目前，双包层高功率光纤激光器采用的泵浦方式主要有端面泵浦和侧向泵浦两种，其中，采用光纤合束器的端面泵浦方式，直接利用光纤熔接技术，耦合效率高，在将泵浦光耦合到内包层的同时，不影响和损害双包层光纤的纤芯，可实现结构紧凑的全光纤化结构，可实现级联泵浦，获得大功率激光输出，是目前最有效的泵浦耦合器件。

光纤合束器可以耦合几个多模激光二极管的功率，将多根多模光纤输入合并成一根多模光纤输出，产生一个高功率输出的光源。这种高亮度、高效率的光源可以在工业、医疗、军事领域中用于泵浦光纤激光器或光纤放大器。光纤合束器采用光纤熔融拉锥的办法，使用中，多个泵浦激光器的尾纤熔接光纤合束器的多束输入多模光纤，输出的双包层光纤与双包层掺杂光纤熔接，从而有效地将合成的高功率泵浦光耦合。采用此种光纤合束器，可制成体积小、重量轻、稳定性好的光纤激光器,且这种泵浦方式有利于泵浦光功率的扩展。

第89102461.1号中国实用新型专利介绍了一种光纤多端耦合器的制作方法。采用激光加热技术将N根光纤扭绞成的光纤熔融拉锥后切断，再用激光束加热将断头端烧熔成球端形状，构成球端聚焦型光纤多端耦合器。但是在构成N×1的光纤耦合器时，因为球透镜的发散作用，与其它光纤对接时耦合效率低，不能满足高功率光纤激光器和光纤放大器的特殊需要。

第90203369.7号中国实用新型专利介绍了一种多束激光光纤耦合装置。由将多路激光耦合到光纤的耦合器和将多束光纤组合在一起形成一束输出激光的输出头组成。这种装置体积大，耦合效率低，不能满足高功率光纤激光器和光纤放大器的需要。

第200420074890.2号中国实用新型专利介绍了一种用于光纤传感器或激光医疗系统的N×1光纤合束器，将进光光纤熔融拉锥后切断，研磨、抛光至适当尺寸，然后与输出光纤熔接在一起，再用套管封装，两端涂胶固定保护，使其连成一体。采用此方法，可以将N个进光光纤中的功率低损耗的耦合到一个适当直径的出光光纤中，但工艺较复杂，且反向光功率大，不能完全满足高功率光纤激光器和光纤放大器的需要。

上述传统工艺中，输入信号光纤一般为常规结构的双包层或单包层光纤，这里的常规结构的双包层，是指内包层和涂覆层内壁的一层低折射率涂覆层，这种结构制作成的光纤合束器反向传输的激光功率泄露出纤芯后，几乎均匀分布到输入端各根多模光纤，隔离度普遍较低，不能有效保护泵浦激光器，特别是在高功率光纤激光器与光纤放大器中，过大的反向激光会损坏泵浦激光器，带来巨大经济损失。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种光纤合束器，用于解决背景技术中激光器反向隔离性能差的技术问题。

本实用新型采用如下技术方案：

第一种结构的光纤合束器，包括输入多模光纤、输入信号光纤和输出光纤，其特殊之处在于，所述输入信号光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，所述输入信号光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤熔融拉锥后与输出光纤的裸纤熔接。

上述光纤合束器的制备方法，包括以下步骤：

1】剥去输入多模光纤的涂覆层，将输入多模光纤的裸纤擦洗干净；剥去输入信号光纤的涂覆层，将输入信号光纤的裸纤擦洗干净；

2】输入多模光纤的裸纤及输入信号光纤的裸纤两端对齐均匀排列在一起，进行熔融拉锥，在锥区中间部位垂直切割，得到切割端面光滑平整的光纤束；

3】将步骤2】中得到的光纤束与输出光纤的裸纤熔接到一起，光纤合束器的制备完成。

第二种结构的光纤合束器，包括输入多模光纤、输入信号光纤和输出光纤，其特殊之处在于，所述输入信号光纤是由任意光纤熔接过渡光纤构成的，所述过渡光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，过渡光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤熔融拉锥后与输出光纤的裸纤熔接。

上述任意光纤是双包层光纤或者单包层光纤。

上述的光纤合束器的制备方法，包括以下步骤：

1】剥去输入多模光纤的涂覆层，将输入多模光纤的裸纤擦洗干净；剥去任意光纤的涂覆层，将其裸纤擦洗干净；剥去过渡光纤的涂覆层，将其裸纤擦洗干净；

2】将任意光纤的裸纤与过渡光纤的裸纤熔接后作为新的输入信号光纤的裸纤；

3】新的输入信号光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤两端对齐均匀排列在一起，进行熔融拉锥，在锥区中间部位垂直切割，得到切割端面光滑平整的光纤束；

4】将步骤3】中得到的光纤束与输出光纤的裸纤熔接到一起，光纤合束器的制备完成。

本实用新型的优点是：

（1）由于输入信号光纤采用特殊的结构，在纤芯和距纤芯最近的包层之间增加了一更小的小包层，反向传输的激光大部分将通过其纤芯传输，剩余部分将泄露到小包层传输，最终达到的效果是传输到输入多模光纤的反向激光极少，也就是隔离度非常高。此种新型结构的光纤合束器，反向激光将重新分配，具有极佳的反向隔离性能，避免反向传输的高亮度激光损坏泵浦激光器，极好的保护了泵浦激光器，特别适用于高光束质量、高亮度的大功率光纤激光器和光纤放大器中。

（2）制作工艺简单、体积小、重量轻、稳定性好及耦合效率高。

附图说明

图1a是本实用新型实施例一的光纤合束器的结构图；

图1b是本实用新型实施例一中反向激光传输的示意图；

图1c-图1g分别是本实用新型实施例一输入多模光纤、具有小包层的输入信号光纤、熔接处的光纤束、输出双包层光纤的裸纤、输出双包层光纤的截面图；

图2a是本实用新型实施例二的光纤合束器的结构图；

图2b是本实用新型实施例二中反向激光传输的示意图；

图2c-图2h分别是本实用新型实施例二输入多模光纤、常规输入信号光纤、具有小包层的光纤、熔接处的光纤束、输出双包层光纤的裸纤、输出双包层光纤的截面图；

图3a是传统光纤合束器的结构图；

图3b是反向激光在传统光纤合束器中传输的示意图；

图3c-图3g分别是传统光纤合束器的输入多模光纤、常规输入信号光纤、熔接处光纤束、输出双包层光纤的裸纤、输出双包层光纤的截面图。

其中：11-输入多模光纤；12-内置小包层的输入信号光纤；13-过渡光纤的裸纤；14-常规输入光纤与过渡光纤的熔接处；15-输入多模光纤的裸纤；16-内置小包层的输入信号光纤的裸纤；17-常规输入信号光纤；21-光纤束与输出光纤的熔接处；22-输出双包层光纤的裸纤；23-输出双包层光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例一

如图1a-图1g所示，以(6+1)×1端面泵浦光纤合束器为例说明本实用新型的结构和方法，以下同样适用于(N+1)×1(1≤N≤18)等各种端面、侧面泵浦光纤合束器，具体输入输出光纤可以根据需要配置。

该光纤合束器，包括输入多模光纤11、输入信号光纤和输出双包层光纤23，输入信号光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，，内置小包层的输入信号光纤的裸纤16与输入多模光纤的裸纤15熔融拉锥后与输出双包层光纤的裸纤22熔接。

输入多模光纤11的参数为：纤芯/包层/涂覆层直径分别为105/125/250um，数值孔径为0.22；内置小包层的输入信号光纤12的参数为：纤芯/小包层/包层/涂覆层直径分别为20/60/125/250um，数值孔径为0.06/0.15；输出双包层光纤23的参数为：纤芯/包层/涂覆层直径分别为25/250/400um，纤芯/包层数值孔径分别为0.06/0.46。

该光纤合束器的制备方法，包括以下步骤：剥去输入多模光纤11的涂覆层，将输入多模光纤的裸纤15用酒精棉擦洗干净，剥去输入信号光纤的涂覆层，将输入信号光纤的裸纤16用酒精棉擦洗干净，输入多模光纤的裸纤15及输入信号光纤的裸纤16两端对齐均匀排列在一起，用夹具固定在光纤拉锥机的夹板上，调试好拉锥参数拉锥，熔融输入多模光纤的裸纤15及输入信号光纤的裸纤16到一定程度后结束拉锥，用切割刀在锥区中间部位垂直切割，得到切割端面光滑平整的光纤束；然后，将光纤束放入光纤熔接机与输出双包层光纤的裸纤22熔接。这样就制作成了新型高隔离性能的(6+1)×1光纤合束器。

该光纤合束器可以采用无源双包层光纤输出，输出光纤与掺铒、掺镱等各种有源掺杂双包层光纤熔接，也可以直接采用有源掺杂双包层光纤输出，泵浦光将在包层内传输，且不断穿越掺杂光纤的纤芯被介质吸收，产生的激光在纤芯中传输，实现高质量、高功率光纤激光输出。当激光反向传输时，由于光纤合束器的新型结构，反向激光将沿着纤芯传输至输入光纤的熔融切割端，此时，反向激光将重新分布，大部分激光功率沿着输入信号光纤11的纤芯传输，而泄露出纤芯的激光将通过小包层继续传输，传输至输入多模光纤以至于进入泵浦激光器的激光功率大大降低。实验测试，采用本新型结构制作的(6+1)×1光纤合束器，隔离度可达42dB，这样优异的隔离度指标，将为光纤激光器的制作带来极大便利。

实施例二

如图2a-图2h所示，该光纤合束器，包括输入多模光纤11、输入信号光纤和输出双包层光纤23，输入信号光纤是由常规输入信号光纤17的裸纤熔接过渡光纤的裸纤13构成的，过渡光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，过渡光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤熔融拉锥切割后与输出双包层光纤的裸纤熔接。

输入多模光纤11的参数为：纤芯/包层/涂覆层直径分别为105/125/250um，数值孔径为0.22；常规输入信号光纤17的参数为：纤芯/包层/涂覆层直径分别为20/125/250um，数值孔径为0.06；过渡光纤13的参数为：纤芯/小包层/包层/涂覆层直径分别为20/60/125/250um,数值孔径为0.06/0.15，输出双包层光纤23的参数为：纤芯/包层/外包层直径分别为25/250/400um，纤芯/包层数值孔径分别为0.06/0.46。

该光纤合束器的制备方法，包括以下步骤：剥去输入多模光纤11的涂覆层，将输入多模光纤的裸纤15用酒精棉擦洗干净，剥去常规输入信号光纤17的涂覆层，将其裸纤用酒精棉擦洗干净，将常规输入信号光纤17的裸纤与过渡光纤裸纤13在熔接处14熔接后作为新的输入信号光纤的裸纤，新的输入信号光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤两端对齐均匀排列在一起，用夹具固定光纤拉锥机的夹板上，调试好拉锥参数拉锥，熔融拉锥输入多模光纤的裸纤及新的输入信号光纤的裸纤到一定程度后结束拉锥，用切割刀在锥区中间部位垂直切割，得到切割端面光滑平整的光纤束；然后，将光纤束放入光纤熔接机与输出双包层光纤的裸纤熔接到一起。这样就制作成了新型高隔离性能的(6+1)×1光纤合束器。

从图1b、图2b中可以看出，相对传统光纤，本案例中的输入信号光纤在纤芯和包层之间增加了一直径比包层小的小包层，这样，反向传输过来的激光，在纤芯泄露后将进入小包层继续传输，最终传输到输入多模光纤11的反向激光将极其稀少，从而达到提高隔离度，保护泵浦激光器的目标，实际上这个较小的小包层就相当于一堵墙，阻止反向激光进入其它区域。

对于高功率光纤激光器或放大器来说，由于实现的激光功率可高达几千瓦以上、甚至脉冲光纤激光器峰值功率能达到万瓦以上级别，这将产生非常可观的反向激光，常规光纤合束器仅仅20dB左右的隔离度已经不能提供充分的保护性，采用本实用新型的光纤合束器，可以提供高达40dB以上的隔离度，从而充分有效的保护泵浦激光器。

图3a-图3g为传统的光纤合束器结构，由于没有所谓的“墙”的隔离，反向激光传输到光纤束与输出光纤的熔接处21后，有部分光无法继续在纤芯传输，直接向整个光纤锥区泄露，最终将以近似均匀分布的方式传输至各输入多模光纤，导致隔离度一般只能达到20dB左右，在牺牲制作效率的情况下，将熔接点优化，使得两端光纤纤芯尽量匹配，隔离度最高也只能做到近30dB。使用这种结构的光纤合束器，一旦反向激光偏大，泵浦激光器烧毁的风险非常高。

本实用新型的光纤合束器，可以是端面泵浦结构，也可以是侧面泵浦结构。

采用此工艺制作成功的光纤合束器，性能稳定，损耗低，反向激光小，很好的保护了泵浦激光器的稳定工作，特别适用于高功率光纤激光器和光纤放大器。

Claims (3)

1.一种光纤合束器，包括输入多模光纤、输入信号光纤和输出光纤，其特征在于，所述输入信号光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，所述输入信号光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤熔融拉锥后与输出光纤的裸纤熔接。

2.一种光纤合束器，包括输入多模光纤、输入信号光纤和输出光纤，其特征在于，所述输入信号光纤是由任意光纤熔接过渡光纤构成的，所述过渡光纤的纤芯和距纤芯最近的包层之间设置有小包层，过渡光纤的裸纤与输入多模光纤的裸纤熔融拉锥后与输出光纤的裸纤熔接。

3.根据权利要求2所述的光纤合束器，其特征在于，所述任意光纤是双包层光纤或者单包层光纤。

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