大功率光纖功率合束器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種功率合成裝置，特別是一種大功率光纖功率合束器，可廣泛應用于大功率光纖激光器、光纖放大器及半導體直接耦合光纖激光器的制造中。
【背景技術】
[0002]大功率光纖功率合束器是將多根光纖的光耦合到一根光纖中的裝置，是光纖激光器、光纖放大器及半導體直接耦合光纖激光器中使用的關鍵器件。在光纖激光器和光纖放大器中，需要該器件將泵浦光和信號光耦合到增益光纖中，實現泵浦光向信號光的轉移。在半導體直接耦合光纖激光器中，通常需要將很多光纖中的光匯集到一根光纖中，實現大的功率。
[0003]目前普遍采用光纖拉錐技術制造大功率光纖功率合束器，這種技術存在的主要問題是無論泵浦光還是信號光都有比較大的插入損耗(10%左右)，此外，這些泄露的光會在器件中產生熱量，使器件工作特性下降，嚴重時會使器件損壞。
【發明內容】
[0004]本發明的目的主要是提供能大幅降低合束過程中光信號損耗的合束器制造方案，用該方案制造的合束器還可以在器件內部降溫，使器件長期穩定可靠工作，同時，器件成本降低。
[0005]本發明的第一個技術方案概括如下:
[0006]大功率光纖功率合束器包括N (N大于I)根輸入光纖、一根輸出光纖、殼體、匹配液及匹配液交換裝置，其特征是:N根輸入光纖光軸平行地粘接在一起，并穿過殼體上的孔密封設置在殼體上；單根輸出光纖穿過殼體上的孔密封設置在殼體上，其光軸與輸入光纖光軸平行，位于殼體內的端部與N根輸入光纖組的端部對齊并靠在一起；匹配液設置在殼體內輸入光纖端部和輸出光纖端部之間的區域；匹配液交換裝置內部裝有匹配液，位于殼體外部，它通過殼體上靠近匹配液設置區域設置的孔與殼體內部的匹配液進行交換。
[0007]該方案所述N根輸入光纖或者側面熔粘到一起，或者側面膠粘到一起。
[0008]該方案所述N根粘接在一起的輸入光纖的端面磨成平面，且該平面的法線與光軸有一定的夾角；所述輸出光纖的端面磨成平面，且該平面的法線與光軸有一定的夾角，并與輸入光纖端面的夾角相同。
[0009]該方案所述N根粘接在一起的輸入光纖的端面磨成球面，所述輸出光纖的端面磨成球面，兩者在殼體內在一定軸向力作用下中心部位物理接觸。
[0010]該方案所述的輸入光纖或者是多模光纖，或者是單包層大模場光纖，或者是雙包層光纖；所述的輸出光纖或者是多模光纖，或者是雙包層光纖。
[0011]在該方案中，所述匹配液交換裝置內的匹配液與殼體內的匹配液或者通過熱對流進行交換，或者通過強制流動進行交換。
[0012]基于相同思路的本發明的第二個技術方案概括如下:
[0013]大功率光纖功率合束器,包括N(N大于等于I)根輸入光纖、一根輸出光纖、殼體、匹配液及匹配液交換裝置，其特征是:輸出光纖的柱面上刻有環形槽，N根輸入光纖光軸與輸出光纖光軸平行的粘接在槽內的中心剩余輸出光纖上，并使輸入光纖的端部靠近輸出光纖上槽區的垂直于光軸的端面；該環形槽區通過殼體上的一對通孔密封設置在殼體內部；匹配液設置在殼體內輸入光纖端部和輸出光纖環形槽區端部所在的區域；匹配液交換裝置內部裝有匹配液，位于殼體外部，它通過殼體上靠近匹配液設置區域設置的孔與殼體內部的匹配液進行交換。
[0014]該方案所述的輸入光纖為多模光纖，其端面被磨成平面，該平面的法線與光軸有一定夾角。
[0015]該方案所述的所述的輸出光纖為雙包層光纖。
[0016]在該方案中，所述匹配液交換裝置內的匹配液與殼體內的匹配液或者通過熱對流進行交換，或者通過強制流動進行交換。
[0017]本發明的效果在于；可以提供合成效率高、工作可靠及成本低的大功率光纖功率合束器。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明提出的第一種大功率光纖功率合束器的結構不意圖。
[0019]圖2為本發明提出的第一種大功率光纖功率合束器中輸入光纖和輸出光纖端面的一種結構示意圖。
[0020]圖3為本發明提出的第一種大功率光纖功率合束器中輸入光纖和輸出光纖端面的另一種結構不意圖。
[0021]圖4為本發明提出的第二種大功率光纖功率合束器的結構示意圖。
[0022]圖5為本發明提出的第二種大功率光纖功率合束器的局部端面耦合結構示意圖。
[0023]圖6A、圖6B及圖6C為本發明提出的大功率光纖功率合束器中輸入光纖和輸出光纖截面所采用的結構示意圖。
[0024]其中:
[0025]I表不殼體。2表不粘接在一起的輸入光纖,2 (I)、2 (2)、2 (3)分別表不輸入光纖中的某根具體光纖。3表不輸出光纖。4表不匹配液。5表不匹配液交換裝置。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明提出的各種大功率光纖功率合束器的原理。
[0027]圖1為本發明提出的第一種大功率光纖功率合束器的結構不意圖。它由殼體1、N根粘接在一起的輸入光纖2、輸出光纖3、匹配液4和匹配液交換裝置5組成。其中:N根粘接在一起的輸入光纖2中的諸光纖的光軸平行，它穿過殼體上的孔密封固定在殼體I上，通常采用膠粘在殼體上；輸出光纖3穿過殼體上的孔密封固定在殼體I上，在固定過程中，要保證輸出光纖的光軸與輸入光纖的光軸平行，并且光纖端面在垂直于光軸的兩個方向上對齊并靠近；匹配液4必須保證位于殼體I內部的N個輸入光纖端面與輸出光纖端面之間，以保證輸入光纖中的光向輸出光纖的耦合；匹配液交換裝置5內部裝有匹配液，它通過殼體I上位于殼體I內的兩個光纖附近的孔與殼體內的匹配液連通，用于實現匹配液的交換以帶走耦合區的光產生的熱量。
[0028]在該大功率光纖功率合束器中，N根輸入光纖的側面可以是高溫熔接在一起的，也可以是用膠粘接在一起的。
[0029]在該大功率光纖功率合束器中，輸入光纖可以是多模光纖，也可以是單包層大模場光線，還可以是雙包層光纖，他們可以根據應用混合使用。
[0030]在該大功率光纖功率合束器中，為了保證合束特性，光纖端面的一種處理方法是:將輸入光纖和輸出光纖的端面磨成平面，并使端面法線與光軸有一個夾角以抑制回波。圖2給出了這種處理方法的示意圖，輸入光纖端面法線夾角與輸出光纖法線夾角相同。這種耦合器要求輸入光纖的數值孔徑小于等于輸出光纖的數值孔徑，輸入光纖粘接到一起后端面的面積小于輸出光纖的面積。
[0031]上述方法當輸入光纖為多模光纖時比較合適，當輸入光纖中心設置有傳輸信號光的單包層大模場光線或雙包層光纖時，該光纖端面處理方法對信號光的插入損耗比較大。因此，可采用圖3所示的方法:這時N根粘接在一起的光纖2的端部被磨成一個球面，輸出光纖的端面也磨成一個球面，安裝時兩個球形端面在一個軸向預緊力的作用下，物理接觸在一起。這樣可使位于中心的信號光的插入損耗非常小。這種耦合器要求輸入光纖的數值孔徑小于輸出光纖的數值孔徑，輸入光纖粘接到一起后端面的面積小于輸出光纖的面積。
[0032]在該大功率光纖功率合束器中，輸入光纖的橫截面或者是圓形的，或者是方形的。采用方形截面光纖的好處是光纖間縫隙小，可以提高耦合效率。
[0033]圖4為本發明提出的第二種大功率光纖功率合束器的結構示意圖。它由殼體1、N根輸入光纖2、一根輸出光纖3、匹配液4和匹配液交換裝置5組成。這種合束器用于光纖放大器和光纖激光器中，其中輸入光纖為多模光纖，輸出光纖為雙包層增益光纖，用于將泵浦模塊的光耦合到增益光纖中。其中:輸出光纖的柱面上刻有環形槽，N根輸入光纖光軸與輸出光纖光軸平行的粘接在槽內的中心剩余輸出光纖上，并使輸入光纖的端部靠近輸出光纖上槽區的垂直于光軸的端面；該粘接有輸入光纖的環形槽區通過殼體上的一對通孔密封設置在殼體內部；匹配液設置在殼體內輸入光纖端部和輸出光纖環形槽區端部之間以保證輸入光纖中的光向輸出光纖的耦合；匹配液交換裝置5內部裝有匹配液，它通過殼體I上位于殼體I內的兩個光纖附近的孔與殼體內的匹配液連通，用于實現匹配液的交換以帶走耦合區的光產生的熱量。
[0034]在該大功率光纖功率合束器，為了抑制回波，通常將輸入光纖的端部磨成平面，并且該平面法線與光纖光軸有一小的角度。圖5給出了耦合區端部結構的局部示意圖，應使輸入光纖的出射光向輸出光纖芯部偏離，以增加I禹合效果。兩種光纖端部之間設置有匹配液。
[0035]在上述兩種大功率光纖功率合束器中，匹配液交換裝置5中的匹配液與殼體內部的匹配液之間的交換可以采用兩種方法。一種方法是熱對流交換，這種方法熱交換效率低，只能用于功率不大的應用。另一種方法是使匹配液流動來強制交換，可以用泵來實現。為了達到好的交換效果，可以在殼體內部匹配液區域設置溫度傳感器，在匹配液交換裝置上設置制冷器和流量控制器來保證大功率光纖功率合束器工作在設定的溫度上。
[0036]下面結合實際的例子對本發明提出大功率光纖功率合束器進行進一步說明。
[0037]我們采用本發明提出的第一種大功率光纖功率合