全光纖結構980nm波段高功率超熒光光源的制作方法

本發明涉及一種超熒光光源，尤其涉及一種工作波段在980nm附近(970nm～985nm)的全光纖結構的高功率超熒光光源。

背景技術：

超熒光光纖光源具有低時間相干性、良好的波長穩定性和寬譜輸出特性，在光纖傳感系統、光纖通信、光學層析及醫用光學等領域有著廣泛應用，特別是近年來，隨著超熒光光纖光源的輸出功率不斷提升，這一寬譜光源也被應用于泵浦拉曼激光器和超連續譜光源。超熒光光纖光源具有的獨特優勢使其在工業加工和國防領域等領域也有著良好的應用前景。

980nm波段超熒光光纖光源是一種新型超熒光光源，由于其在摻鉺、鐿光纖激光器等高功率激光器以及藍光激光器等新型光源方面的應用而備受關注。現階段，980nm波段超熒光光纖光源主要采用空間光耦合結構，不過，空間光耦合結構的問題在于光路調節精度要求高、穩定性和抗干擾能力差，工程化潛力有限。相比之下，全光纖結構具有結構緊湊輕便、穩定性好、抗干擾能力強等優點，在工程化方面較空間光耦合結構更具優勢。

不過實現全光纖結構980nm波段超熒光光源有以下兩個難點：一是增益光纖結構較為特殊，現階段，用于產生980nm波段超熒光光場的增益光纖為摻鐿光纖，而摻鐿光纖的增益特性決定了在產生980nm波段光場的同時，還會產生較為嚴重的1030nm波段的自發放大輻射光場，要抑制1030nm波段的光場，需要使用大纖芯包層比的摻鐿光纖，而常規的雙包層摻鐿光纖很難滿足要求，這就需要對摻鐿光纖的結構進行設計；二是泵浦光耦合的困難，在超熒光光源中，需要使用泵浦信號合束器，不過，由于摻鐿光纖的纖芯包層比較大，使得現階段常見的用于端面泵浦的熔融拉錐泵浦信號合束器無法滿足要求。

能夠解決這兩個難點的一種可行方案是基于光纖波分復用器的纖芯泵浦方案。該方案利用波分復用器將泵浦光耦合到摻鐿光纖的纖芯中，而纖芯泵浦也實現了接近于1的纖芯包層比，很好地滿足了抑制1030nm波段自發放大輻射光場的要求。不過，該方案的問題在于纖芯泵浦方式嚴重限制了泵浦光耦合的功率，使得該方案輸出功率水平只能達到百毫瓦量級，這非常不利于輸出功率的提升。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有980nm超熒光光源的不足，提供一種基于雙包層光纖和半導體激光器直接泵浦的高功率全光纖結構980nm波段超熒光光源。通過采用雙包層光纖提高泵浦光耦合功率，解決纖芯泵浦對于輸出功率的限制；通過采用大纖芯包層比的雙包層光纖，解決1030nm波段的自發放大輻射光場抑制問題；通過采用側面泵浦方式，解決泵浦光耦合的問題。

本發明的技術方案是：

本發明由增益模塊、第一泵浦模塊、第二泵浦模塊、第一輸出耦合端和第二輸出耦合端組成。第一泵浦模塊和第二泵浦模塊分別與增益模塊的泵浦光輸入端相連。增益模塊的信號光輸出端分別與第一輸出耦合端和第二輸出耦合端相連。本發明中不同器件之間的連接是通過光纖熔接來實現的。

本發明的增益模塊由泵浦耦合模塊和雙包層摻鐿光纖構成，泵浦光經泵浦耦合模塊，從雙包層摻鐿光纖內包層的側面耦合到雙包層摻鐿光纖中，并對雙包層摻鐿光纖纖芯中的鐿離子進行泵浦，從而產生980nm波段的光場。雙包層摻鐿光纖的纖芯包層直徑比(即纖芯直徑除以內包層直徑)應大于等于30％。增益模塊有多個泵浦光輸入端，有2個信號光輸出端。

泵浦耦合模塊可采用兩種技術方案。技術方案一如圖2所示，泵浦耦合模塊由第一側向泵浦合束器和第二側向泵浦合束器組成，第一側向泵浦合束器和第二側向泵浦合束器均是將泵浦光經由雙包層光纖的內包層側面，耦合到雙包層光纖的內包層中的光纖器件，包含不少于1個泵浦光輸入端、1個信號光輸入端和1個輸出端，比如：文獻“Thomas Theeg,Hakan Sayinc, Neumann,Ludger Overmeyer,Dietmar Kracht,Pump and signal combiner for bi-directional pumping of all-fiber lasers and amplifiers(全光纖激光器和放大器的泵浦信號合束器)，Optics Express(光學通訊)，2012年,20期，27卷，第28125-28141頁”中第二部分及圖1中描述的“side-pump combiner”(側向泵浦合束器)結構，第一側向泵浦合束器和第二側向泵浦合束器的泵浦光輸入端的數量可以相等，也可以不相等。第一側向泵浦合束器的信號光輸入端和第二側向泵浦合束器的信號光輸入端即為泵浦耦合模塊的2個信號光輸入端；第一側向泵浦合束器的輸出端和第二側向泵浦合束器的輸出端即為泵浦耦合模塊的2個輸出端；第一側向泵浦合束器的N個泵浦光輸入端和第二側向泵浦合束器的M個泵浦光輸入端即為泵浦耦合模塊的泵浦光輸入端(共N+M個)。第一側向泵浦合束器的輸出端和第二側向泵浦合束器的輸出端與雙包層摻鐿光纖的兩端分別相連，泵浦耦合模塊的N+M個泵浦光輸入端即為增益模塊的泵浦光輸入端，泵浦耦合模塊的2個信號光輸入端即為增益模塊的2個信號光輸出端。N為第一側向泵浦合束器的泵浦光輸入端個數，M為第二側向泵浦合束器的泵浦光輸入端個數，M、N均為正整數。

泵浦耦合模塊也可采用如圖3所示的技術方案二，即采用K個多模光纖，使得K個多模光纖的纖芯與雙包層摻鐿光纖內包層光學接觸(K應為小于等于[π(1+R₁/r₁)]的自然數，其中，R₁為雙包層摻鐿光纖內包層直徑，r₁為多模光纖的最小纖芯直徑)，這樣，泵浦耦合模塊的K個多模光纖中傳輸的泵浦光，可以通過倏逝波耦合等光學接觸方式，耦合到雙包層摻鐿光纖內包層中，從而泵浦雙包層摻鐿光纖纖芯中的鐿離子產生980nm波段的光場。在該方案中，泵浦耦合模塊的K個多模光纖的兩端即為增益模塊的泵浦光輸入端(共2K個)，雙包層摻鐿光纖的兩端即為增益模塊的2個信號光輸出端。

本發明的第一泵浦模塊和第二泵浦模塊均包含多個泵浦子模塊，第一泵浦模塊和第二泵浦模塊的泵浦子模塊的數量和應小于等于泵浦耦合模塊的泵浦光輸入端的數量，泵浦耦合模塊第一方案的泵浦光輸入端數量為(N+M)，第二方案的泵浦光輸入端數量為2K。泵浦子模塊可以選用一個尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器(如圖2所示實施例一中的泵浦子模塊211-216)，此時，半導體激光器的尾纖即為泵浦子模塊的輸出光纖；也可以采用公知的合束結構，即將多個尾纖輸出900nm～960nm波段的尾纖輸出半導體激光器經過至少一個光纖泵浦合束器合束到一根輸出光纖(即為泵浦子模塊的輸出光纖)中(如圖3所示實施例二中的泵浦子模塊211)。構成第一泵浦模塊的所有泵浦子模塊的輸出光纖即為第一泵浦模塊的輸出光纖，構成第二泵浦模塊的所有泵浦子模塊的輸出光纖即為第二泵浦模塊的輸出光纖。第一泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊泵浦光輸入端相連(若泵浦耦合模塊采用第一方案，第一泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊的N個泵浦光輸入端相連，若泵浦耦合模塊采用第二方案，第一泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊的K個泵浦光輸入端相連)，第二泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊泵浦光輸入端相連(若泵浦耦合模塊采用第一方案，第二泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊的另M個泵浦光輸入端相連，若泵浦耦合模塊采用第二方案，第二泵浦模塊的輸出光纖與增益模塊的另K個泵浦光輸入端相連)。第一泵浦模塊和第二泵浦模塊的輸出光纖的直徑應小于等于增益模塊泵浦光輸入端光纖的直徑；第一泵浦模塊的輸出光纖的數值孔徑應小于等于增益模塊泵浦光輸入端光纖的數值孔徑。

本發明的第二泵浦模塊可以與第一泵浦模塊的結構相同，也可不同。即第一泵浦模塊采用尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器時，第二泵浦模塊可以是尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器，也可以是合束結構；第一泵浦模塊采用合束結構時，第二泵浦模塊可以是尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器，也可以是合束結構。

本發明中的第一輸出耦合端和第二輸出耦合端的輸入端分別與增益模塊的信號光輸出端相連，要求第一輸出耦合端和第二輸出耦合端的輸入端光纖與增益模塊信號光輸出端光纖纖芯的直徑相等。第一輸出耦合端和第二輸出耦合端的結構可采用但不限于光纖端面的斜角切割或端帽。

采用本發明可以達到以下技術效果：

本發明實現了全光纖化的高功率980nm波段超熒光光源，通過采用雙包層光纖提高泵浦光耦合功率，解決纖芯泵浦對于輸出功率的限制；通過采用大纖芯包層比的雙包層光纖，解決1030nm波段的自發放大輻射光場抑制問題；通過采用側面泵浦方式，解決泵浦光耦合的問題。該技術方案結構簡單，可實現百瓦量級的980nm波段超熒光輸出，光光轉換效率可大于50％。

附圖說明

圖1為本發明全光纖980nm波段超熒光光源的結構示意圖。

圖2為本發明全光纖980nm波段超熒光光源實施例一的結構示意圖。

圖3為本發明全光纖980nm波段超熒光光源實施例二的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。

如圖1所示，本發明由增益模塊10、第一泵浦模塊21、第二泵浦模塊22、第一輸出耦合端31、第二輸出耦合端32組成。第一泵浦模塊21和第二泵浦模塊22分別與增益模塊10的泵浦光輸入端相連。第一輸出耦合端31和第二輸出耦合端32的輸入端分別與增益模塊10的信號光輸出端相連。

本發明的增益模塊10由泵浦耦合模塊11和雙包層摻鐿光纖12構成，泵浦光經泵浦耦合模塊11，從雙包層摻鐿光纖12內包層的側面耦合到雙包層摻鐿光纖12中，并對雙包層摻鐿光纖12纖芯中的鐿離子進行泵浦，從而產生980nm波段的光場。雙包層摻鐿光纖12的纖芯包層直徑比應大于等于30％。

泵浦耦合模塊11可采用兩種技術方案。技術方案一如圖2所示，泵浦耦合模塊11由第一側向泵浦合束器111和第二側向泵浦合束器112組成，第一側向泵浦合束器111和第二側向泵浦合束器112均是將泵浦光經由雙包層光纖的內包層側面，耦合到雙包層光纖的內包層中的光纖器件，包含不少于1個泵浦光輸入端、1個信號光輸入端和1個輸出端，第一側向泵浦合束器111和第二側向泵浦合束器112的泵浦光輸入端的數量可以相等，也可以不相等。第一側向泵浦合束器111的信號光輸入端(11101)和第二側向泵浦合束器112的信號光輸入端(11201)即為泵浦耦合模塊11的2個信號光輸入端；第一側向泵浦合束器111的輸出端(11102)和第二側向泵浦合束器112的輸出端(11202)即為泵浦耦合模塊11的2個輸出端；第一側向泵浦合束器111的泵浦光輸入端(1111-111N，N為第一側向泵浦合束器111的泵浦光輸入端個數)和第二側向泵浦合束器112的泵浦光輸入端(1121-112M，M為第二側向泵浦合束器112的泵浦光輸入端個數)即為泵浦耦合模塊11的泵浦光輸入端(共N+M個)。第一側向泵浦合束器111的輸出端(11102)和第二側向泵浦合束器112的輸出端(11202)與雙包層摻鐿光纖12的兩端相連，泵浦耦合模塊11的泵浦光輸入端即為增益模塊10的泵浦光輸入端(共N+M個)，泵浦耦合模塊11的2個信號光輸入端即為增益模塊10的2個信號光輸出端。

泵浦耦合模塊11也可采用如圖3所示的技術方案二，即采用K個多模光纖，使得K個多模光纖的纖芯與雙包層摻鐿光纖12內包層光學接觸(K應為小于等于[π(1+R₁/r₁)]的自然數，其中，R₁為雙包層摻鐿光纖12內包層直徑，r₁為多模光纖的最小纖芯直徑)，這樣，泵浦耦合模塊11的K個多模光纖中傳輸的泵浦光，可以通過倏逝波耦合等光學接觸方式，耦合到雙包層摻鐿光纖12內包層中，從而泵浦雙包層摻鐿光纖12纖芯中的鐿離子產生980nm波段的光場。在該方案中，泵浦耦合模塊11的K個多模光纖的兩端即為增益模塊10的泵浦光輸入端(共2K個)，雙包層摻鐿光纖12的兩端即為增益模塊10的2個信號光輸出端。

本發明的第一泵浦模塊21包含多個泵浦子模塊，泵浦子模塊的數量應小于等于N(當泵浦耦合模塊11采用第一方案時)或K(當泵浦耦合模塊11采用第二方案時)，泵浦耦合模塊11第一方案的泵浦光輸入端數量為(N+M)，第二方案的泵浦光輸入端數量為2K。泵浦子模塊可以選用一個尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器(如圖2所示實施例一中的泵浦子模塊211-216)，此時，半導體激光器的尾纖即為泵浦子模塊的輸出光纖；也可以采用公知的合束結構，即將多個尾纖輸出900nm～960nm波段的尾纖輸出半導體激光器經過至少一個光纖泵浦合束器合束到一根輸出光纖(即為泵浦子模塊的輸出光纖)中(如圖3所示實施例二中的泵浦子模塊211)。構成第一泵浦模塊21的所有泵浦子模塊的輸出光纖即為第一泵浦模塊21的輸出光纖。泵浦子模塊的輸出光纖即為第一泵浦模塊21的輸出光纖。第一泵浦模塊21的輸出光纖與增益模塊10泵浦光輸入端光纖相連(若泵浦耦合模塊11采用第一方案，第一泵浦模塊21的輸出光纖與增益模塊10的N個泵浦光輸入端光纖相連，若泵浦耦合模塊11采用第二方案，第一泵浦模塊21的輸出光纖與增益模塊10的K個泵浦光輸入端光纖相連)。第一泵浦模塊21的輸出光纖的直徑應小于等于增益模塊10泵浦光輸入端光纖的直徑；第一泵浦模塊21的輸出光纖的數值孔徑應小于等于增益模塊10泵浦光輸入端光纖的數值孔徑。

本發明的第二泵浦模塊22包含多個泵浦子模塊，泵浦子模塊的數量應小于等于M(當泵浦耦合模塊11采用第一方案時)或K(當泵浦耦合模塊11采用第二方案時)。每個泵浦子模塊均由尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器構成。泵浦子模塊可以選用一個尾纖輸出900nm～960nm波段的半導體激光器(如圖2所示實施例一中的泵浦子模塊221-226)，此時，半導體激光器的尾纖即為泵浦子模塊的輸出光纖；也可以采用公知的合束結構，即將多個尾纖輸出900nm～960nm波段的尾纖輸出半導體激光器經過至少一個光纖泵浦合束器合束到一根輸出光纖(即為泵浦子模塊的輸出光纖)中(如圖3所示實施例二中的第二泵浦子模塊221)。構成第二泵浦模塊22的所有泵浦子模塊的輸出光纖即為第二泵浦模塊22的輸出光纖。第二泵浦模塊22的輸出光纖與增益模塊10泵浦光輸入端光纖相連(若泵浦耦合模塊11采用第一方案，第一泵浦模塊21的輸出光纖與增益模塊10的另M個泵浦光輸入端光纖相連，若泵浦耦合模塊11采用第二方案，第一泵浦模塊21的輸出光纖與增益模塊10的另K個泵浦光輸入端光纖相連)。第二泵浦模塊22的輸出光纖的直徑應小于等于增益模塊10泵浦光輸入端光纖的直徑；第二泵浦模塊22的輸出光纖的數值孔徑應小于等于增益模塊10泵浦光輸入端光纖的數值孔徑。

本發明中的第一輸出耦合端31和第二輸出耦合端32的輸入端分別與增益模塊10的信號光輸出端相連，要求第一輸出耦合端31和第二輸出耦合端32的輸入端光纖纖芯與增益模塊10信號光輸出端光纖纖芯的直徑相等。其結構可采用但不限于光纖端面的斜角切割或端帽。

圖2給出了本發明的實施例一。該實施例的增益模塊10選用的雙包層摻鐿光纖12纖芯包層直徑比為46％；泵浦耦合模塊11采用技術方案一，即選用2個具有6個泵浦光輸入端的側向泵浦合束器(即N＝M＝6)。第一泵浦模塊21包含6個泵浦子模塊211-216，每個泵浦子模塊都由一個帶尾纖的半導體激光器構成。第二泵浦模塊22也包含6個泵浦子模塊221-226，每個泵浦子模塊都由一個帶尾纖的半導體激光器構成。實施例一在第一泵浦模塊21和第二泵浦模塊22均可提供100W泵浦光的情況下，在980nm波段輸出激光的功率可達到138W，光光轉換效率為69％。

圖3給出了本發明的實施例二。該實施例的增益模塊10選用的雙包層摻鐿光纖12纖芯包層直徑比30％；泵浦耦合模塊11采用技術方案二，即采用一個多模光纖(K＝1)，與雙包層摻鐿光纖12構成側面泵浦摻鐿光纖，第一泵浦模塊21包含一個泵浦子模塊211，泵浦子模塊211由七個帶尾纖的半導體激光器2111-2117經7×1光纖泵浦合束器2118合束構成。第二泵浦模塊22包含一個泵浦子模塊221，由七個帶尾纖的半導體激光器2211-2217經7×1光纖合束器2218合束構成。第一泵浦模塊21和第二泵浦模塊22均可提供100W泵浦光。將增益模塊10的兩個輸出端切割成8度斜角分別作為輸出耦合端31和32。實施例二中，如果第一泵浦模塊21和第二泵浦模塊22均可提供100W泵浦光，在980nm波段輸出激光的功率可達到102W，光光轉換效率為51％。