说明书准分布式光纤合束器
技术领域
本发明涉及一种光纤合束器。
背景技术
光纤合束器是光纤激光器和光纤放大器中的主要部件之一，它将多路泵 浦激光功率耦合至无源双包层光纤的内包层，然后与有源双包层光纤熔接，经 过内包层的多次反射进入掺杂纤芯被吸收，从而对信号光产生放大作用。光纤 合束器在光纤激光器等系统中起着非常重要的作用，是光纤激光器的最大输出 功率的受限因素之一，开发大功率光纤合束器能积极有效地促进大功率光纤激 光器，包括大功率连续光纤激光器、大功率准连续光纤激光器、脉冲光纤激光 器等的发展。
目前的光纤合束器主要是将N个光纤通过熔融拉锥工艺形成一个多芯复 合光纤，然后和另一端扩束的双包层光纤对接熔合；或者将N个光纤在双包 层信号光纤的侧面进行侧面熔合。这样的方法都会造成在耦合熔接点过于集 中、周围光功率和发热的空间密度过大，使该区域容易发生热量积累和温度升 高，在该区域容易造成器件的损伤和损坏。这些传统的合束器结构的制造工艺 和实际使用都受到了巨大的考验。随着大功率光纤激光器功率水平的进一步提 高，急需开发一种能够减轻光功率和发热空间密度过大问题的新型光纤合束 器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于准分布式多点耦合接入的、适用于大功率 光纤激光器的能够很有效地缓解光功率和发热空间密度过大的弱点，具有更好 的稳定性和长期可靠性的新型光纤合束器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种准分布式光纤合束器，其包括一根信号光纤以及多根泵浦光纤，每 根所述的泵浦光纤均熔接于所述的信号光纤上并在二者相熔接处形成熔合面， 各个所述的熔合面的中心分散分布于所述的信号光纤的外表面展开所形成的 (θ，z)平面上的[0-φ]×[0-L]区域内，所述的(θ，z)平面中，纵轴θ对应 于所述的信号光纤的圆周上的圆周角度，横轴z对应于所述的信号光纤的轴 向。
所述的L的数值在5-30mm范围内。
所述的φ的数值在180-360°范围内。
所述的信号光纤为纤芯直径20-30μm、内包层直径200-400μm的无掺杂 无源双包层光纤。
所述的泵浦光纤为纤芯直径为105μm、包层直径125μm的泵浦激光传输 光纤。
所述的准分布式光纤合束器还包括光纤的固定及封装结构件。
所述的光纤的固定及封装结构件包括其中设置有所述的信号光纤和所述 的泵浦光纤的金属外壳、填充于所述的金属外壳与所述的信号光纤和所述的泵 浦光纤之间的高导热材料。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明 的准分布式光纤合束器采用多个耦合功率接入点，分散了光功率的空间密度， 从而：
1、克服了光功率过于集中的问题；
2、结构具有可扩展性(scalability)，在保持基本结构和制作工艺方法不 变的条件下，泵浦光纤的分支数目可以从2个到50个，甚至更多。相同的结 构和工艺方法可以兼容不同规格的光纤合束器器件；
3、可允许部分泵浦接入分支有损伤，只需要放弃有损伤的分支，其它分 支仍然可以使用，避免了其它结构的光纤合束器中一个分支有瑕疵将导致整 个器件失效的问题，提高了器件的茁壮性；
4、主信号光纤是光学连贯的，没有切断点和光学不连续点，从而使信号 光的损耗、散射、反射等不良因素均得到抑制；
5、该器件封装的散热条件得到改善；
6、工作稳定性和长期可靠性得到提高；
7、在相同的工作条件下，器件寿命得到延长；
8、器件的材料成本和制作工艺成本较低。
附图说明
附图1为本发明的准分布式光纤合束器的侧面结构示意图。
附图2为本发明的准分布式光纤合束器的横截面结构示意图。
附图3为本发明的准分布式光纤合束器具有不同接入分支数的示意图：a) 接入四根泵浦光纤；b)接入六根泵浦光纤；c)接入八根泵浦光纤。其中虚线 表示，泵浦光纤在信号光纤的背面。
附图4为本发明的准分布式光纤合束器的制造工艺流程示意图。
附图5为本发明的准分布式光纤合束器的第一种应用系统结构示意图。
附图6为本发明的准分布式光纤合束器的第二种应用系统结构示意图。
附图7为本发明的信号光纤周围的(θ,z)平面及熔接点空间分布的示意 图。
以上附图中：11、泵浦光纤；12、信号光纤；31、端面光功率吸收器； 32、前端光纤光栅；33、泵浦激光器；34、本发明的光纤合束器；35、双包层 掺杂光纤；36、后端光纤光栅；37、光隔离器和准直器；41、小功率种子激光 器；51、泵浦分支数目为4的光纤合束器；52、泵浦分支数目为6的光纤合束 器；53、泵浦分支数目为8的光纤合束器；71、熔接面中心点在(θ,z)平面 上的位置。
注：以上附图非按比例绘制，不用于测绘度量。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1和附图2所示，一种准分布式光纤合束器34，其主 要结构包括一根采用无掺杂无源双包层光纤的信号光纤12以及多根采用泵浦 激光传输的泵浦光纤11，其中，信号光纤12的纤芯直径为20μm(取值范围 可为20-30μm)、内包层直径为250μm(取值范围可为200-400μm)、外包层直 径为400μm，其为无源双包层(DCF)光纤，泵浦光纤11的纤芯直径为105μm、 包层直径为125μm、数值孔径为0.15，其为无源光纤。每根泵浦光纤11均从 侧面熔接于信号光纤12上，从而在二者相熔接处形成熔合面。本实施例中， 泵浦光纤11共有6根，把它们两两放置为一组，分别对称地熔接在信号光纤 12的不同位置的两侧，同时它们并不处在同一个平面内。更确切地，这些泵 浦光纤的熔接点中心在信号光纤12的外表面展开所形成的(θ,z)平面上的坐 标分别为：(5mm,0°)、(5mm,180°)、(11mm,90°)、(11mm,270°)、(17mm, 0°)、(17mm,180°)这6个位置上。(θ，z)平面中，纵轴θ对应于信号光纤 12的圆周上的圆周角度，横轴z对应于信号光纤12的轴向。这样可以将多个 泵浦光纤11尽可能地分散，能够达到最佳的热效应分散的效果，如附图3(b) 所示。这样的排列相对于传统方法中各个泵浦光纤11沿信号光纤12的圆周呈 圆圈设置或者沿轴向呈线性设置而言，能够更进一步地降低光功率和发热的空 间密度。
除上述信号光纤12和泵浦光纤11以外，准分布式光纤合束器34还包括 光纤的固定及封装结构件，光纤的固定及封装结构件包括其中固设有信号光纤 12和泵浦光纤11的金属外壳、填充于金属外壳与信号光纤12和泵浦光纤11 之间的高导热材料。金属外壳用于进行散热和机械支撑及保护。
本实施例中的准分布式光纤合束器34的制作流程如图4所示。先将光纤 进行预处理准备：用化学溶剂去掉信号光纤12的外包层，并将其内包层的外 表面清理干净；将多个泵浦光纤11的外部清理干净，并将它们的一端头研磨 成45度的斜角。然后将多个泵浦光纤11按照两两进行配对，每次操作一对光 纤，将它们与信号光纤12进行对准和局部加热熔合。采用两两配对的方法， 是为了让信号光纤12上的来自两侧的压力相互抵消，防止信号光纤12横向移 动。将一对泵浦激光光纤对称地放置在信号光纤12的两侧，端面贴在信号光 纤12的圆周面上的相应位置并调整角度，使二者基本贴合。用波长10.6μm 的二氧化碳激光束对泵浦光纤11和信号光纤12的连接点进行局部照射加热， 在它们软化的过程中适当地给它们施加一定的推力，使得很好地浸润熔合。在 它们浸润熔合后，略微向后拉动这对泵浦光纤11，使得信号光纤12外表的形 变量最小，保持其最佳的光学连续性和平滑性。在光纤熔合过程中，用光功率 计进行监测，微调两个泵浦光纤11的位移，使得光回损最小，泵浦光耦合效 率最大，信号光插损最小。在达到最佳点后，逐渐让二氧化碳激光器的照射功 率降低直至关闭，使得光纤熔接面逐渐冷却，之后重新涂覆信号光纤12的外 包层。将固化后的合束器进行光学参数综合测试，包括：泵浦光耦合效率、泵 浦光回返、信号光插入损耗、信号光回返、信号光串扰等参数。测试后进行封 装：将熔接好的光纤放入基片槽中，加入高导热的填充材料，然后用胶进行固 定。最后用金属材料作为器件的外壳，外壳上有固定孔，用于本器件和外部散 热器或热沉的连接固定。
[原理说明]众所周知，光纤激光器和光纤放大器将泵浦激光引入到掺杂双 包层光纤的内包层，通过在内包层中的多次反射进入纤芯被掺杂杂质吸收，形 成载流子反转，从而形成对信号产生增益。一般是多路泵浦激光同时汇入到双 包层掺杂光纤中，所以在汇集点的泵浦激光功率密度非常大。在大的功率密度 下，光纤材料和结构的微小瑕疵和不连续点都会引起大量的光吸收并导致发 热。而在高的光功率下，一个很小比例的发热就会导致严重的不良后果，包括 折射率改变、包层和纤芯波导中的光场分布改变、光散射、光反射、和光纤损 伤。如果光功率密度大，对于光纤合束器工艺的要求会非常高；如果光功率密 度适当降低，可以缓解对工艺上的要求。本发明就是将各个泵浦激光的汇入点 进行空间分割，让他们的间隔增大，以近似分布式的方式进行汇入，而不是从 很邻近的点上汇入，所以空间平均光功率密度会降低。本发明的光纤合束器 34的空间平均光功率密度，相比较于其它结构的光纤合束器来说，大致可以 降低50％至数倍。基于最大光功率密度的降低，我们就可以得到上述的各项 益处。
我们可以在信号光纤12周围表面展开的基础上建立(θ,z)坐标，形成(θ,z) 二维空间，也可以称之为(θ,z)平面，其纵轴θ对应于信号光纤12的圆周上 的圆周角度，横轴z对应于信号光纤12的轴向，参见附图7。光纤合束器的 多个融合面(包括其中心)实际上是分布在该(θ,z)平面上的多个点。θ的范 围是[0-φ]的区间，φ的取值通常为180-360°；z的范围是[0-L]的区间，L通常 为5-30mm。我们现在举例说明，对于传统的6+1:1拉锥结构的光纤合束器来 说，它们的融合面分布在一个相同的L上，而θ分布在0°,60°,120°,180°,240 °,300°这几个位置上。而对于传统的树形结构的光纤合束器来说，它们的融合 面分布在θ＝0°，180°，L不同的位置上。它们的弱点是，这些传统的结构都没 有最大程度低将熔接点分散，这也是本发明要解决和完善的问题。本发明不拘 泥于传统的同圆周融合的结构和简单树形结构，而是将融合面较均匀地分散分 布于器件允许的整个(θ,z)平面区域上，使得融合面最大程度地分散排布， 光功率和热量的空间密度最大程度地降低。
下面参照附图3，进行一个数值的举例说明。在图a)中的光纤合束器51， 一根信号光纤12上接入了四根泵浦光纤11，4根泵浦光纤的融合面的中心在 (θ,z)平面上的坐标分别为：(5mm,0°)、(5mm,180°)、(20mm,90°)、(20mm, 270°)这4个位置上。图b)中的光纤合束器52，一根信号光纤12上接入了 六根泵浦光纤11，6根泵浦光纤的融合面中心在(θ,z)平面上的坐标分别为： (5mm,0°)、(5mm,180°)、(11mm,90°)、(11mm,270°)、(17mm,0°)、(17mm, 180°)这6个位置上。图c)中的光纤合束器53，一根信号光纤12上接入了 八根泵浦光纤11，八根泵浦光纤的融合面中心在(θ,z)平面上的坐标分别为： (5mm,0°)、(5mm,180°)、(10mm,90°)、(10mm,270°)、(15mm,0°)、(15mm, 180°)、(20mm,90°)、(20mm,270°)这8个位置上。实际中，泵浦光纤11 的接入位置可根据需要设置，并不局限于上述数值所限定的情况。
本光纤合束器34创新地用准分布式的多熔合点接入方式，能够很有效地 缓解光功率和发热的空间密度过大的弊病，具有较好的稳定性和长期可靠性， 为大功率光纤激光器的开发提供了一种新的技术支持。
上述光纤合束器34可以应用于如附图5所示的系统中。该系统包括端面 光功率吸收器31、前端光纤光栅32、光纤合束器34、多个泵浦激光器33、双 包层掺杂光纤35、后端光纤光栅36、光隔离器和准直器37。其中，端面光功 率吸收器31、前端光纤光栅32串联后设置于光纤合束器34中信号光纤12的 前端，而双包层掺杂光纤35、后端光纤光栅36、光隔离器和准直器37相串联 并设置于光纤合束器34中信号光纤12的后端，而泵浦激光器33一一对应地 连接于光纤合束器34中泵浦光纤11的端部。
上述光纤合束器34还可以应用于如附图6所示的系统中。该系统包括小 功率种子激光器41、光纤合束器34、多个泵浦激光器33、双包层掺杂光纤35、 光隔离器和准直器37，小功率种子激光器41设置于光纤合束器34中信号光 纤12的前端，双包层掺杂光纤35、光隔离器和准直器37相串联并设置于光 纤合束器34中信号光纤12的后端，泵浦激光器33一一对应地连接于光纤合 束器34中泵浦光纤11的端部。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护 范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保 护范围之内。