本发明涉及一种光纤耦合器，尤其涉及分散耦合的光纤耦合器及其应用
背景技术：
我们知道，光纤激光器在近年来得到了迅速的发展。其类型包括光纤脉冲激光器、光纤于光放大的有源光纤的内包层中去。
目前将泵浦激光耦合进有源光纤内包层的方法是使用光纤合束器，这种合束器分为Nx1和N+1x1两种类型的。前者将N束泵浦光耦合进有源光纤的内包层；后者在将N束泵浦光耦合进有源光纤的内包层的同时，保持中央纤芯的信号光传输不变。在实际的使用中，效果是明显偏离理想情况的，这些不理想的情况包括：1信号光并非完全不受影响，而会在合束器的位置产生了一个的光信号不连续点。该点会产生散射、反射和模式串扰。2泵浦光在进入有源光纤内包层后，和信号光发生了交叉串扰，在经过反射点后，信号光的反射光会进入泵浦光的光路，从而进入泵浦半导体激光器内部，由此会引起泵浦激光器工作不稳定、损伤、或烧毁。这对于光纤激光器和光纤放大器的工作是极为不利的。3光纤合束器在光束合束点、分叉连接处的光功率密度较高，热量聚集，长期工作容易引起发热，由此引起波导的导波情况发生改变从而降低甚至破坏光纤合束器的工作性能。4光纤合束器的正向光路和反向光路是不对称的，这就需要用两种不同的光纤合束器分别进行正向泵浦和反向泵浦。
技术实现要素：
为解决以上问题，本发明提出了一种分散耦合的光纤耦合器。其结构是采用两根平行等间距排列的光纤，共用一个共同的聚合物外包层，两根光纤之间发生耦合，形成耦合区，来解决光纤激光器和放大器中泵浦光的耦合问题。不需要使用光纤合束器进行有源光纤的泵浦光耦合，以克服光纤合束器固有的技术弱点。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：分散耦合的光纤耦合器，包括两根光纤、一个耦合区和四个端头，两根光纤平行等间距排列，公用一个共同的外包层，两根光纤在外包层内发生弱耦合，形成耦合区，四个端头在外包层的外面，其特征在于：所述的耦合区的长度在2-20米之间，横向间距为100-500微米。
所述的外包层是由涂覆低折射率聚合物构成的。
所述的一根光纤是带有纤芯和内包层的有源光纤，其纤芯中均匀掺有稀土元素。
所述的另一根光纤是无内包层的多模无掺杂光纤。
一种分散耦合的光纤耦合器在光纤激光器中的应用，是由二个光纤光栅、光纤耦合器、光纤合束器、半导体泵浦激光器、光纤端面反射镜、隔离器和准直器组成，六个独立的半导体泵浦激光器通过一个6x1光纤合束器合为一束，进入光纤耦合器的第二根光纤的端口，第一根光纤在耦合部分的两侧刻有光纤光栅作为光反射器，它们构成了所需波长的激光谐振腔；光纤端面反射镜将残留的泵浦光重新反射回到光纤的耦合区间，再次使纤芯吸收而得到增益，泵浦激光经过光纤耦合器的端口、隔离器和准直器输出。
一种分散耦合的光纤耦合器在光纤激光器中的应用，是由光纤耦合器、光纤合束器、半导体泵浦激光器，光纤端面反射镜、激光输出隔离器和准直器，半导体种子激光器、脉冲驱动电源和光纤前置放大器组成，前置放大的输出端包含双包层光纤的包层光功率剥离器，脉冲驱动源对半导体种子激光器进行驱动，半导体种子激光器发出的脉冲激光信号，先经过前置光放大器放大，再经过光纤耦合器的第一个光纤的端口进入耦合区进一步放大后，通过隔离器和准直器输出。
本发明抛弃了传统的用光纤合束器来实现泵浦激光耦合的手段。本发明提出的光纤耦合器，大大降低了光的回波损耗和模式串扰。在光纤激光器的应用中，避免和防止了反向回光对光纤激光器系统造成损伤和毁坏，从基础上显著地消除了光纤传输模式和包层传输模式之间在不连续点的交叉串扰，以及散射和反射。同时由于本发明中的两根光纤完全平行等间距放置，没有传统光纤耦合器中普遍存在的拉锥、熔接、绞合等不连续因素，在整个光路上保持光滑连续地贯穿。由于本光纤耦合器整体的光滑连续性，没有不连续、分叉、粗细变化、缺陷等引起的热量吸收点，因此本光纤耦合器有更高的热损伤阈值。另外，由于本光纤耦合器的耦合过程分散在一段很长的光纤上，所以整个耦合过程的大功率激光的热负担分摊到了整个长度区间了，减低了单位长度光纤的热负担。进一步，本发明的光纤耦合器具有中反向光路对称的特点，而不像传统的光纤合束器那样是正反不对称的。利用这个性质，在这同一个光纤耦合器中，可以实现双向泵浦和单向泵浦结合反射镜的方式提高泵浦光的利用效率。这些对于由该光纤耦合器构成的光系统的稳定性、可靠性、耐久性方面都有显著的性能提升作用。
本发明的方法从根本上抑制了传统光纤合束器的技术瓶颈和束缚，用一种新的方式实现了泵浦激光向有源光纤内包层的耦合，同时避免了局部过度发热、模式串扰、回光反射等传统方法中固有的问题。光纤耦合器具有单位长度耦合系数低，耦合距离长，光回返和串扰低的特点。
附图说明
图1是本发明光纤耦合器的纵向剖面结构示意图。
图2是本发明光纤耦合器的横截面结构示意图。
图3是采用本发明光纤耦合器的第一种光纤激光器结构示意图。
图4是采用本发明光纤耦合器的第二种光纤激光器结构示意图。
图中：201是第一根光纤，202是第二根光纤，101是第一根光纤的左端头，102是第二根光纤的左端头，103是第二根光纤的右端头，104是第二根光纤的右端头，301是两根光纤的公共外包层，401是第一根光纤的纤芯，402是第一根光纤的内包层，403是第二根光纤的纤芯(多模)，501是本发明光纤耦合器，502是左侧的光纤光栅，503是右侧的光纤光栅，504是6x1的光纤合束器，505是半导体泵浦激光器，506是光纤端面反射镜，507是激光输出隔离器和准直器，508是半导体种子激光器，509是脉冲驱动电源，510是光纤前置放大器。
具体实施方式
如图1和图2所示，长距离弱耦合的光纤耦合器，包括两根光纤201、202、一个耦合区和四个端头101、102、103、104，两根光纤201、202平行等间距排列，共用一个共同的外包层301，两根光纤在外包层301内发生弱耦合，形成耦合区，4个端头101、102、103、104在外包层301的外面，耦合区的长度在2-20米之间，两根光纤中心的横向间距为100-500微米。
将带纤芯401和内包层402的第一根光纤201，与只有纤芯(多模)403的第二根光纤202平行放置，保持等间距，并在它们的周围涂覆低折射率聚合物构成的共同的外包层301。两根光纤在外包层覆盖的耦合区长度在2-20米范围内。在耦合区外，两根光纤共有4个端头，分别为101,102,103，和104。
实施例1：
如图3所示，采用本发明光纤耦合器的第一种光纤激光器结构示意图。一种光纤激光器，采用6个独立的半导体泵浦激光器505，通过一个6x1光纤合束器504合为一束，然后进入本发明的光纤耦合器501的第二根光纤202的端口102。第一根光纤201是带内包层402和纤芯401的有源光纤，其纤芯部分以较低浓度掺有稀土元素。第一根光纤201在耦合部分的两侧刻有光纤光栅作为光反射器502和503，它们构成了所需波长的激光谐振腔。泵浦激光通过本发明的光纤耦合器在耦合长度区间上形成单位长度上的弱耦合，将光纤202中泵浦激光耦合进光纤201的内包层中去。光纤201的内包层402为掺杂纤芯401提供增益，并逐渐将泵浦光给纤芯吸收而提供光放大作用。这个有光增益的介质与左右两个光纤光栅502和503的谐振腔联合起来，在之间形成光谐振，产生激光。光纤端面反射镜506将残留的泵浦光重新反射回到光纤202的耦合区间，通过弱耦合进入到光纤201，再次被有增益的纤芯利用，这样显著地提高了泵浦激光的利用率。光纤耦合器的端口103通过隔离器和准直器507进行输出。由以上的部分构成了一个连续工作的光纤激光器。提高半导体激光器的泵浦功率可以使这个光纤激光器的输出功率达到较高的光功率水平。
实施例2：
如图4所示，是采用本发明光纤耦合器的第二种光纤激光器结构示意图。采用半导体激光器作为种子光源508，它输出的脉冲激光先经过前置光放大器510进行前置放大，然后进入本发明光纤耦合器的第一个光纤的端口101。前置放大器内部已包含双包层光纤的包层光功率剥离器。泵浦源采用6个独立的半导体泵浦激光器505，通过一个6x1光纤合束器504合为一束，然后进入本发明的光纤耦合器501的第二根光纤的端口2。第一根光纤201是带内包层402和纤芯401的有源光纤，其纤芯部分以较低浓度掺有稀土元素。第一根光纤201在耦合区的两端不需要光纤光栅。光纤201的内包层402为掺杂纤芯401提供增益，并逐渐将泵浦光让纤芯吸收而提供光放大作用。半导体种子激光器508发出的激光，先经过前置放大器510的预放大以后，再通过耦合器501的有源光纤的光放大，将光功率提升到了较高的水平。光纤端面反射镜506将残留的泵浦光重新反射回到光纤202的耦合区间，通过弱耦合进入到光纤201，再次被有增益的纤芯利用，这样显著地提高了泵浦激光的利用率。光纤耦合器的端口3通过一个隔离器和准直器507，然后进行输出。采用脉冲驱动源509对半导体种子激光器508进行驱动。由以上的部分构成了一个脉冲工作的光纤激光器。
本发明的光纤耦合器方案结构和过去的最大不同是：以往的光纤激光器中多采用光纤合束器实现泵浦激光向有源光纤内包层的耦合，引入了较大的光回返、散射、光纤模式串扰、热吸收点等不良因素。而本发明较好地克服了上述的缺点，采用在光结构上光滑连续的光纤耦合器实现泵浦光向有源光纤内包层的耦合。显著地提升了整个光纤激光器的性能。
本发明同时适用于连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。也适用于正向泵浦，反向泵浦，双向泵浦，和反射增强型的单向泵浦。
工作原理
本发明提出的光纤耦合器，从横截面来看是两根靠得较近的等距的多模光纤。每根多模光纤都有一组相应的本征传导模式。这些模式的光场在中心附近模场强度较高，沿径向逐渐衰减下去。当两根光纤横向距离很近并且平行放置的时候，它们的模式之间会产生重叠积分，这个重叠积分会使他们的模场之间发生相互耦合。也就是说，如果一根光纤有输入光信号，另一根光纤没有输入光信号，当它们传输一段距离后，有输入光的光纤中的光能量将会有部分转移到没有输入光信号的光纤中去。它们的间距和重叠积分决定它们在单位长度上的耦合效率，它们的长度决定耦合器的总耦合度。因此适当地选取包括光纤横向间距和纵向长度，及其它结构参数和物理参数，将可以使该光纤耦合器以优化的耦合率和总耦合度进行耦合。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。