大功率光纤功率合束器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功率合成装置，特别是一种大功率光纤功率合束器，可广泛应用于大功率光纤激光器、光纤放大器及半导体直接耦合光纤激光器的制造中。
【背景技术】
[0002]大功率光纤功率合束器是将多根光纤的光耦合到一根光纤中的装置，是光纤激光器、光纤放大器及半导体直接耦合光纤激光器中使用的关键器件。在光纤激光器和光纤放大器中，需要该器件将泵浦光和信号光耦合到增益光纤中，实现泵浦光向信号光的转移。在半导体直接耦合光纤激光器中，通常需要将很多光纤中的光汇集到一根光纤中，实现大的功率。
[0003]目前普遍采用光纤拉锥技术制造大功率光纤功率合束器，这种技术存在的主要问题是无论泵浦光还是信号光都有比较大的插入损耗(10%左右)，此外，这些泄露的光会在器件中产生热量，使器件工作特性下降，严重时会使器件损坏。
【发明内容】
[0004]本发明的目的主要是提供能大幅降低合束过程中光信号损耗的合束器制造方案，用该方案制造的合束器还可以在器件内部降温，使器件长期稳定可靠工作，同时，器件成本降低。
[0005]本发明的第一个技术方案概括如下:
[0006]大功率光纤功率合束器包括N (N大于I)根输入光纤、一根输出光纤、壳体、匹配液及匹配液交换装置，其特征是:N根输入光纤光轴平行地粘接在一起，并穿过壳体上的孔密封设置在壳体上；单根输出光纤穿过壳体上的孔密封设置在壳体上，其光轴与输入光纤光轴平行，位于壳体内的端部与N根输入光纤组的端部对齐并靠在一起；匹配液设置在壳体内输入光纤端部和输出光纤端部之间的区域；匹配液交换装置内部装有匹配液，位于壳体外部，它通过壳体上靠近匹配液设置区域设置的孔与壳体内部的匹配液进行交换。
[0007]该方案所述N根输入光纤或者侧面熔粘到一起，或者侧面胶粘到一起。
[0008]该方案所述N根粘接在一起的输入光纤的端面磨成平面，且该平面的法线与光轴有一定的夹角；所述输出光纤的端面磨成平面，且该平面的法线与光轴有一定的夹角，并与输入光纤端面的夹角相同。
[0009]该方案所述N根粘接在一起的输入光纤的端面磨成球面，所述输出光纤的端面磨成球面，两者在壳体内在一定轴向力作用下中心部位物理接触。
[0010]该方案所述的输入光纤或者是多模光纤，或者是单包层大模场光纤，或者是双包层光纤；所述的输出光纤或者是多模光纤，或者是双包层光纤。
[0011]在该方案中，所述匹配液交换装置内的匹配液与壳体内的匹配液或者通过热对流进行交换，或者通过强制流动进行交换。
[0012]基于相同思路的本发明的第二个技术方案概括如下:
[0013]大功率光纤功率合束器,包括N(N大于等于I)根输入光纤、一根输出光纤、壳体、匹配液及匹配液交换装置，其特征是:输出光纤的柱面上刻有环形槽，N根输入光纤光轴与输出光纤光轴平行的粘接在槽内的中心剩余输出光纤上，并使输入光纤的端部靠近输出光纤上槽区的垂直于光轴的端面；该环形槽区通过壳体上的一对通孔密封设置在壳体内部；匹配液设置在壳体内输入光纤端部和输出光纤环形槽区端部所在的区域；匹配液交换装置内部装有匹配液，位于壳体外部，它通过壳体上靠近匹配液设置区域设置的孔与壳体内部的匹配液进行交换。
[0014]该方案所述的输入光纤为多模光纤，其端面被磨成平面，该平面的法线与光轴有一定夹角。
[0015]该方案所述的所述的输出光纤为双包层光纤。
[0016]在该方案中，所述匹配液交换装置内的匹配液与壳体内的匹配液或者通过热对流进行交换，或者通过强制流动进行交换。
[0017]本发明的效果在于；可以提供合成效率高、工作可靠及成本低的大功率光纤功率合束器。
【附图说明】
[0018]图1为本发明提出的第一种大功率光纤功率合束器的结构不意图。
[0019]图2为本发明提出的第一种大功率光纤功率合束器中输入光纤和输出光纤端面的一种结构示意图。
[0020]图3为本发明提出的第一种大功率光纤功率合束器中输入光纤和输出光纤端面的另一种结构不意图。
[0021]图4为本发明提出的第二种大功率光纤功率合束器的结构示意图。
[0022]图5为本发明提出的第二种大功率光纤功率合束器的局部端面耦合结构示意图。
[0023]图6A、图6B及图6C为本发明提出的大功率光纤功率合束器中输入光纤和输出光纤截面所采用的结构示意图。
[0024]其中:
[0025]I表不壳体。2表不粘接在一起的输入光纤,2 (I)、2 (2)、2 (3)分别表不输入光纤中的某根具体光纤。3表不输出光纤。4表不匹配液。5表不匹配液交换装置。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的各种大功率光纤功率合束器的原理。
[0027]图1为本发明提出的第一种大功率光纤功率合束器的结构不意图。它由壳体1、N根粘接在一起的输入光纤2、输出光纤3、匹配液4和匹配液交换装置5组成。其中:N根粘接在一起的输入光纤2中的诸光纤的光轴平行，它穿过壳体上的孔密封固定在壳体I上，通常采用胶粘在壳体上；输出光纤3穿过壳体上的孔密封固定在壳体I上，在固定过程中，要保证输出光纤的光轴与输入光纤的光轴平行，并且光纤端面在垂直于光轴的两个方向上对齐并靠近；匹配液4必须保证位于壳体I内部的N个输入光纤端面与输出光纤端面之间，以保证输入光纤中的光向输出光纤的耦合；匹配液交换装置5内部装有匹配液，它通过壳体I上位于壳体I内的两个光纤附近的孔与壳体内的匹配液连通，用于实现匹配液的交换以带走耦合区的光产生的热量。
[0028]在该大功率光纤功率合束器中，N根输入光纤的侧面可以是高温熔接在一起的，也可以是用胶粘接在一起的。
[0029]在该大功率光纤功率合束器中，输入光纤可以是多模光纤，也可以是单包层大模场光线，还可以是双包层光纤，他们可以根据应用混合使用。
[0030]在该大功率光纤功率合束器中，为了保证合束特性，光纤端面的一种处理方法是:将输入光纤和输出光纤的端面磨成平面，并使端面法线与光轴有一个夹角以抑制回波。图2给出了这种处理方法的示意图，输入光纤端面法线夹角与输出光纤法线夹角相同。这种耦合器要求输入光纤的数值孔径小于等于输出光纤的数值孔径，输入光纤粘接到一起后端面的面积小于输出光纤的面积。
[0031]上述方法当输入光纤为多模光纤时比较合适，当输入光纤中心设置有传输信号光的单包层大模场光线或双包层光纤时，该光纤端面处理方法对信号光的插入损耗比较大。因此，可采用图3所示的方法:这时N根粘接在一起的光纤2的端部被磨成一个球面，输出光纤的端面也磨成一个球面，安装时两个球形端面在一个轴向预紧力的作用下，物理接触在一起。这样可使位于中心的信号光的插入损耗非常小。这种耦合器要求输入光纤的数值孔径小于输出光纤的数值孔径，输入光纤粘接到一起后端面的面积小于输出光纤的面积。
[0032]在该大功率光纤功率合束器中，输入光纤的横截面或者是圆形的，或者是方形的。采用方形截面光纤的好处是光纤间缝隙小，可以提高耦合效率。
[0033]图4为本发明提出的第二种大功率光纤功率合束器的结构示意图。它由壳体1、N根输入光纤2、一根输出光纤3、匹配液4和匹配液交换装置5组成。这种合束器用于光纤放大器和光纤激光器中，其中输入光纤为多模光纤，输出光纤为双包层增益光纤，用于将泵浦模块的光耦合到增益光纤中。其中:输出光纤的柱面上刻有环形槽，N根输入光纤光轴与输出光纤光轴平行的粘接在槽内的中心剩余输出光纤上，并使输入光纤的端部靠近输出光纤上槽区的垂直于光轴的端面；该粘接有输入光纤的环形槽区通过壳体上的一对通孔密封设置在壳体内部；匹配液设置在壳体内输入光纤端部和输出光纤环形槽区端部之间以保证输入光纤中的光向输出光纤的耦合；匹配液交换装置5内部装有匹配液，它通过壳体I上位于壳体I内的两个光纤附近的孔与壳体内的匹配液连通，用于实现匹配液的交换以带走耦合区的光产生的热量。
[0034]在该大功率光纤功率合束器，为了抑制回波，通常将输入光纤的端部磨成平面，并且该平面法线与光纤光轴有一小的角度。图5给出了耦合区端部结构的局部示意图，应使输入光纤的出射光向输出光纤芯部偏离，以增加I禹合效果。两种光纤端部之间设置有匹配液。
[0035]在上述两种大功率光纤功率合束器中，匹配液交换装置5中的匹配液与壳体内部的匹配液之间的交换可以采用两种方法。一种方法是热对流交换，这种方法热交换效率低，只能用于功率不大的应用。另一种方法是使匹配液流动来强制交换，可以用泵来实现。为了达到好的交换效果，可以在壳体内部匹配液区域设置温度传感器，在匹配液交换装置上设置制冷器和流量控制器来保证大功率光纤功率合束器工作在设定的温度上。
[0036]下面结合实际的例子对本发明提出大功率光纤功率合束器进行进一步说明。
[0037]我们采用本发明提出的第一种大功率光纤功率合