CN212963955U - 一种光纤模式增益测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种光纤模式增益测量装置，包括：带尾纤种子源，用于将基模种子光输入到第一定向耦合器；第一定向耦合器连接第二定向耦合器，第二定向耦合器连接第一光纤泵浦合束器，以使得基模种子光转化为预设高阶模式种子光；带尾纤泵浦源，用于将泵浦光输入到第一光纤泵浦合束器；第一光纤泵浦合束器连接待测光纤，以将预设高阶模式种子光进行放大；第二光纤泵浦合束器连接待测光纤另一端，用于将种子光和残余泵浦光分离；第三定向耦合器连接第二光纤泵浦合束器，用于确定目标种子光对应的高阶模式；第一、第二和第三收光块，用于吸收残余光；光功率计，用于对模式增益系数测量。本实用新型实施例有效检测光纤中不同模式的增益系数。

Description

一种光纤模式增益测量装置

技术领域

本实用新型涉及光纤测试技术领域，尤其涉及一种光纤模式增益测量装置。

背景技术

近年来，随着光纤激光器输出功率不断提高，光纤纤芯中的功率密度也随着增加，会产生一系列受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，简称SRS)等非线性效应，为了避免光纤中功率密度过高而产生非线性效应对光纤激光器性能的有害影响，大模场光纤应运而生，成为搭建高功率光纤激光器的不二之选。

然而，现有的大模场光纤由于模场较大，在增益过程中模式耦合较为严重，当掺杂区的高阶模增益高于基模时，导致输出光束质量大大降低；另一方面光纤在弯曲时，高阶模式损耗较高，导致光纤放大器输出功率降低，极大地制约了光纤放大器的应用需求。

为了实现高功率光纤放大器，就要控制光纤中各个模式的增益，如何测量光纤中支持的模式增益系数，成为设计光纤与光纤放大器的重要环节，但是目前对于光纤中模式增益的测试，尚无可靠的测量装置。因此，现在亟需一种光纤模式增益测量装置来解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型实施例提供一种光纤模式增益测量装置。

本实用新型实施例提供了一种光纤模式增益测量装置，包括带尾纤种子源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、带尾纤泵浦源、第一光纤泵浦合束器、待测光纤、第二光纤泵浦合束器、第三定向耦合器、第一收光块、第二收光块、第三收光块和光功率计，其中：

所述带尾纤种子源的输出端连接所述第一定向耦合器的输入端，用于产生基模种子光，并将所述基模种子光输入到所述第一定向耦合器；

所述第一定向耦合器的输出端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的第一输出端连接所述第一光纤泵浦合束器的信号端，以使得通过所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的基模种子光转化为预设高阶模式种子光；

所述带尾纤泵浦源的输出端连接所述第一光纤泵浦合束器的泵浦端，用于生成泵浦光，并将所述泵浦光输入到所述第一光纤泵浦合束器；

所述第一光纤泵浦合束器的输出端连接所述待测光纤的输入端，以对通过所述第一光纤泵浦合束器和所述待测光纤的所述预设高阶模式种子光进行放大处理，得到放大处理后的种子光；

所述第二光纤泵浦合束器的输入端连接所述待测光纤的输出端，用于将所述放大处理后的种子光和残余泵浦光进行分离，得到目标种子光；

所述第三定向耦合器的输入端连接所述第二光纤泵浦合束器的第一输出端，用于进行模式分离，确定所述目标种子光对应的高阶模式；

所述第一收光块连接所述第二定向耦合器的第二输出端，所述第二收光块连接所述第二光纤泵浦合束器的第二输出端，所述第三收光块连接所述第三定向耦合器的第二输出端，所述第一收光块、所述第二收光块和所述第三收光块用于吸收残余光；

所述光功率计连接所述第三定向耦合器的第一输出端，用于对所述目标种子光对应的高阶模式的模式增益系数进行测量。

进一步地，所述待测光纤为掺稀土元素光纤。

进一步地，所述带尾纤种子源和所述带尾纤泵浦源的输出波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1000nm至1100nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1950nm至2050nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为750nm至850nm；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1520nm至1620nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm。

进一步地，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1000nm至1100nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1950nm至2050nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1520nm至1620nm工作波长的定向耦合器，且插入损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB。

进一步地，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1000nm至1100nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1950nm至2050nm和750nm至850nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1520nm至1620nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器。

进一步地，所述第一收光块、所述第二收光块和所述第三收光块的材质为铝材质。

进一步地，所述光功率计的探头为热敏功率探头，探测波长范围为0.19μm至20μm，探测功率范围为-60dBm至+20dBm。

进一步地，所述第三定向耦合器的第一输出端通过裸纤适配器，与所述光功率计的探头连接。

本实用新型实施例提供的一种光纤模式增益测量装置，通过解决了目前缺少相关测量装置的局面，可有效检测光纤中不同模式下的增益系数，进一步为优化光纤放大器结构参数、优化纤芯结构以及控制不同模式增益，提供测量数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的光纤模式增益测量装置的结构示意图；

附图标记说明：101-带尾纤种子源；102-第一定向耦合器；103-第二定向耦合器；104-带尾纤泵浦源；105-第一光纤泵浦合束器；106-待测光纤；107-第二光纤泵浦合束器；108-第三定向耦合器；109-第一收光块；110-第二收光块；111-第三收光块；112-光功率计。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的光纤模式增益测量装置的结构示意图，如图1所示，本实用新型实施例提供了一种光纤模式增益测量装置，包括带尾纤种子源101、第一定向耦合器102、第二定向耦合器103、带尾纤泵浦源104、第一光纤泵浦合束器105、待测光纤106、第二光纤泵浦合束器107、第三定向耦合器108、第一收光块109、第二收光块110、第三收光块111和光功率计112，其中：

所述带尾纤种子源101的输出端连接所述第一定向耦合器102的输入端，用于产生基模种子光，并将所述基模种子光输入到所述第一定向耦合器102；

所述第一定向耦合器102的输出端连接所述第二定向耦合器103的输入端，所述第二定向耦合器102的第一输出端连接所述第一光纤泵浦合束器105的信号端，以使得通过所述第一定向耦合器102和所述第二定向耦合器103的基模种子光转化为预设高阶模式种子光。

在本实用新型实施例中，基模种子光通过第一定向耦合器102和第二定向耦合器103，从而转化为高纯度的特定高阶模式。需要说明的是，第一定向耦合器102、第二定向耦合器103以及第三定向耦合器108的型号可根据待测光纤的掺杂介质选取，且上述三种定向耦合器的型号相同，其中，由于第二定向耦合器103和第三定向耦合器108相对于第一定向耦合器101，属于反向连接，即第二定向耦合器103和第三定向耦合器108的两个输出端，当定向耦合器为第一定向耦合器101时，此时该定向耦合器的两个端口作为输入端的功能使用，在结构上和第二定向耦合器103以及第三定向耦合器108的两个输出端一样。本实用新型实施例采用多个定向耦合器结合的方式，实现基模向高阶模式的转换，使得模式产生的数量更加灵活，纯度高达99％以上。

所述带尾纤泵浦源104的输出端连接所述第一光纤泵浦合束器105的泵浦端，用于生成泵浦光，并将所述泵浦光输入到所述第一光纤泵浦合束器105；

所述第一光纤泵浦合束器105的输出端连接所述待测光纤106的输入端，以对通过所述第一光纤泵浦合束器105和所述待测光纤106的所述预设高阶模式种子光进行放大处理，得到放大处理后的种子光；

所述第二光纤泵浦合束器107的输入端连接所述待测光纤106的输出端，用于将所述放大处理后的种子光和残余泵浦光进行分离，得到目标种子光。

所述第三定向耦合器108的输入端连接所述第二光纤泵浦合束器107的第一输出端，用于进行模式分离，确定所述目标种子光对应的高阶模式；

所述第一收光块109连接所述第二定向耦合器103的第二输出端，所述第二收光块110连接所述第二光纤泵浦合束器107的第二输出端，所述第三收光块111连接所述第三定向耦合器108的第二输出端，所述第一收光块109、所述第二收光块110和所述第三收光块111用于吸收残余光；

所述光功率计112的输入端连接所述第三定向耦合器108的第一输出端，用于对所述目标种子光对应的高阶模式的模式增益系数进行测量。

在本实用新型实施例中，待测光纤106的掺杂介质可更加实际测试需求进行选取，在进行光纤模式增益测量时，首先需要获取相应模式下的初始功率值(请参考本实用新型后续实施例)，然后通过将待测光纤106接到第一光纤泵浦合束器105和第二光纤泵浦合束器在107之间，并通过光功率计进行测量，从而实现高阶模式下增益系数的测量。

本实用新型提供的光纤模式增益测量装置，解决了目前缺少相关测量装置的局面，可有效检测光纤中不同模式下的增益系数，进一步为优化光纤放大器结构参数、优化纤芯结构以及控制不同模式增益，提供测量数据支撑。

在上述实施例的基础上，所述待测光纤为掺稀土元素光纤。

在本实用新型实施例中，掺杂光纤中的稀土元素可以是镱、铥、铒和钬等元素的一种或多种元素掺杂。

在上述实施例的基础上，所述带尾纤种子源和所述带尾纤泵浦源的输出波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1000nm至1100nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1950nm至2050nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为750nm至850nm；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1520nm至1620nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm。

在上述实施例的基础上，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1000nm至1100nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1950nm至2050nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1520nm至1620nm工作波长的定向耦合器，且插入损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB。

在本实用新型实施例中，可参考图1所示，所使用的定向耦合器为N×1型耦合器，包括Port 11、Port 21和Port 12等N个定向选择输入端(根据使用功能，相应的作为输出端)，其中，第一定向耦合器102起到基模向高阶模转换功能；第二定向耦合器103和第三定向耦合器108起到模式分离功能，从而获取纯度更高的高阶模式，上述三个定向耦合器的工作波长取决于掺杂介质。

在上述实施例的基础上，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1000nm至1100nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1950nm至2050nm和750nm至850nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1520nm至1620nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器。

在上述实施例的基础上，所述第一收光块、所述第二收光块和所述第三收光块的材质为铝材质。

在本实用新型实施例中，第一收光块109、第二收光块110和第三收光块111的材质选用散热系数较大的6061铝材质，并且，第二定向耦合器103的第二输出端、第二光纤泵浦合束器107的第二输出端以及第三定向耦合器108的第二输出端的尾纤，通过光纤切割刀进行切平，再通过裸纤适配器与各对应的收光块连接，用于吸收残余光。

在上述实施例的基础上，所述光功率计的探头为热敏功率探头，探测波长范围为0.19μm至20μm，探测功率范围为-60dBm至+20dBm。

在上述实施例的基础上，所述第三定向耦合器的第一输出端通过裸纤适配器，与所述光功率计的探头连接。

在本实用新型实施例中，第三定向耦合器108的信号端光纤(第二输出端口)通过裸纤适配器与光功率计探头相连，用于将光信号转为电信号并采集记录数据。

在本实用新型一实施例中，可参考图1所示，第一定向耦合器102、第二定向耦合器103和第三定向耦合器108为2×1型耦合器，其中，第一定向耦合器102的输入端分别为Port11端和Port21端。首先，需要获取不同模式下的初始功率值，即LP11模式或LP21模式的初始功率值，具体地，当待测光纤106为掺镱光纤，带尾纤种子源101连接第一定向耦合器102的Port11端时，注入的基模种子光依次经过第一定向耦合器102和第二定向耦合器103，实现基模LP01转化为高纯度的高阶模式LP11，即预设高阶模式种子光；此时，第一光纤泵浦合束器105连接光功率计112，先打开带尾纤种子源101，等待15分钟待稳定后，测试LP11模式的初始功率值，记为P1，单位为dBm；进一步地，用熔接机将待测光纤106(掺镱光纤)熔接在第一光纤泵浦合束器105和第二光纤泵浦合束器107之间，第二光纤泵浦合束器107的信号臂连接第三定向耦合器108，第三定向耦合器108的Port11端(即第一输出端口)连接光功率计112，其中，第一光纤泵浦合束器105信号端的光纤和第二光纤泵浦合束器107信号端的光纤为匹配无源光纤，带尾纤种子源101输出波长为1000-1100nm，带尾纤泵浦源104输出波长为900-1000nm，第一光纤泵浦合束器105和第二光纤泵浦合束器107工作波长为1000-1100nm/900-1000nm双波段，在检查整个测试平台是否连接完成之后，再打开带尾纤泵浦源104，调节带尾纤泵浦源104的电流，并记录光功率计112的功率值，记为P2，P2为高阶模式下LP11经过待测掺镱光纤放大后的功率，单位为dBm，P2-P1为高阶模式LP11的增益系数，单位为dB。进一步地，将带尾纤种子源101连接至第一定向耦合器102的Port21端，按照以上步骤，实现高阶模式LP21的增益系数测量。

需要说明的是，若待测光纤为掺铒光纤时，只需要选取相应的输出波长和工作波长，即带尾纤种子源101输出波长为1520-1620nm，带尾纤泵浦源104输出波长为900-1000nm，第一光纤泵浦合束器105和第二光纤泵浦合束器107工作波长为1520-1620nm/900-1000nm双波段，其他测量步骤和上述实施例的方式基本一致，本实用新型实施例对此不再赘述。

本实用新型实施例提供的光纤模式增益测量装置，具有承载功率高，连续稳定测试时间长(大于72h)，抗干扰能力强以及测试精度高等特点，解决高功率光纤放大器中模式增益测量可靠性与稳定性问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种光纤模式增益测量装置，其特征在于，包括带尾纤种子源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、带尾纤泵浦源、第一光纤泵浦合束器、待测光纤、第二光纤泵浦合束器、第三定向耦合器、第一收光块、第二收光块、第三收光块和光功率计，其中：

所述带尾纤种子源的输出端连接所述第一定向耦合器的输入端，用于产生基模种子光，并将所述基模种子光输入到所述第一定向耦合器；

所述第一定向耦合器的输出端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的第一输出端连接所述第一光纤泵浦合束器的信号端，以使得通过所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的基模种子光转化为预设高阶模式种子光；

所述带尾纤泵浦源的输出端连接所述第一光纤泵浦合束器的泵浦端，用于生成泵浦光，并将所述泵浦光输入到所述第一光纤泵浦合束器；

所述第一光纤泵浦合束器的输出端连接所述待测光纤的输入端，以对通过所述第一光纤泵浦合束器和所述待测光纤的所述预设高阶模式种子光进行放大处理，得到放大处理后的种子光；

所述第二光纤泵浦合束器的输入端连接所述待测光纤的输出端，用于将所述放大处理后的种子光和残余泵浦光进行分离，得到目标种子光；

所述第三定向耦合器的输入端连接所述第二光纤泵浦合束器的第一输出端，用于进行模式分离，确定所述目标种子光对应的高阶模式；

所述第一收光块连接所述第二定向耦合器的第二输出端，所述第二收光块连接所述第二光纤泵浦合束器的第二输出端，所述第三收光块连接所述第三定向耦合器的第二输出端，所述第一收光块、所述第二收光块和所述第三收光块用于吸收残余光；

所述光功率计连接所述第三定向耦合器的第一输出端，用于对所述目标种子光对应的高阶模式的模式增益系数进行测量。

2.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述待测光纤为掺稀土元素光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述带尾纤种子源和所述带尾纤泵浦源的输出波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1000nm至1100nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1950nm至2050nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为750nm至850nm；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述带尾纤种子源的输出波长为1520nm至1620nm，所述带尾纤泵浦源的输出波长为900nm至1000nm。

4.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1000nm至1100nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1950nm至2050nm工作波长的定向耦合器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器为1520nm至1620nm工作波长的定向耦合器，且插入损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB。

5.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器的工作波长根据所述待测光纤的掺杂介质确定，其中，所述待测光纤为掺镱光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1000nm至1100nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铥光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1950nm至2050nm和750nm至850nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器；所述待测光纤为掺铒光纤时，所述第一光纤泵浦合束器和所述第二光纤泵浦合束器为1520nm至1620nm和900nm至1000nm工作波长的双波段光纤泵浦合束器。

6.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述第一收光块、所述第二收光块和所述第三收光块的材质为铝材质。

7.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述光功率计的探头为热敏功率探头，探测波长范围为0.19μm至20μm，探测功率范围为-60dBm至+20dBm。

8.根据权利要求1所述的光纤模式增益测量装置，其特征在于，所述第三定向耦合器的第一输出端通过裸纤适配器，与所述光功率计的探头连接。

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