專利名稱：多模光纖排和棱鏡耦合雙包層光纖器件及其耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器件及其耦合技術(shù)，尤其是將半導(dǎo)體激光器泵浦光耦合入雙包層光纖中產(chǎn)生高功率的激光技術(shù)，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案有兩種多模光纖排耦合和棱鏡波導(dǎo)耦合。
方案一多模光纖排耦合。即多模光纖排由多根圓形、方形或矩形的大截面的多模光纖波導(dǎo)緊密排列而成，受光的一段固定成一排后研磨、拋光，另一端各光纖相互獨立。陣列半導(dǎo)體激光器輸出的條狀泵浦光，經(jīng)微柱透鏡會聚后，注入多模光纖排中，多模光纖排接收泵浦光后作為傳光波導(dǎo)，各根多模光纖出光面經(jīng)研磨與光軸成一角度，然后分別與剝除一段涂敷層和外包層而裸露內(nèi)包層的雙包層光纖光學(xué)接觸，將泵浦光耦合入雙包層光纖中。
方案二棱鏡波導(dǎo)耦合。即陣列半導(dǎo)體激光器輸出的條狀泵浦光，經(jīng)微柱透鏡會聚后，垂直注入耦合棱鏡入射面。棱鏡出光面與剝除了涂敷層和外包層的雙包層光纖的內(nèi)包層光學(xué)接觸，保證了泵浦光從此接觸面通過時損耗很小。泵浦光通過棱鏡出光面直接耦合入雙包層光纖內(nèi)包層中，多根雙包層光纖并列放置，即實現(xiàn)了同時多點泵浦，并能進行高泵浦功率的耦合。
本發(fā)明實現(xiàn)雙包層光纖器件的方法是將雙包層光纖環(huán)環(huán)繞一固定物上，在其上某處形成多根雙包層光纖并列放置，在此位置處，將雙包層光纖的涂敷層和外包層剝除一段，讓其內(nèi)包層裸露，形成多根只有內(nèi)包層和芯的光纖并列排放。在保證相互間緊密接觸的同時，使內(nèi)包層受光面為一光學(xué)平面，以便于與棱鏡粘合。棱鏡的斜面與多根內(nèi)包層并排形成的平面粘合，并保證光學(xué)接觸。棱鏡斜角根據(jù)雙包層光纖的數(shù)值孔徑以及內(nèi)包層折射率確定，以保證泵浦光傳入內(nèi)包層中后不再泄出。
本發(fā)明的有益效果是該器件能實現(xiàn)雙包層光纖的邊泵浦，而且易于實現(xiàn)陣列高功率半導(dǎo)體激光器對雙包層光纖的同時多點泵浦?；诖吮闷址绞?，可實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)大功率的雙包層光纖激光器、高增益放大器和超熒光光源。
圖2a、多模光纖排耦合方式后端單一光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2b、經(jīng)光纖截面任意一點向前傳播的光錐示意圖。
圖3、雙包層光纖(DCF)截面寬度對耦合效率的影響關(guān)系曲線。
圖4、雙包層光纖(DCF)內(nèi)包層折射率對耦合效率的影響關(guān)系曲線。
圖5a、單包層光纖(SCF)數(shù)值孔徑對耦合效率的影響。
圖5b、雙包層光纖(DCF)數(shù)值孔徑對耦合效率的影響。
圖6、棱鏡波導(dǎo)耦合方式光路示意圖。
圖中1.條狀半導(dǎo)體LD 2.LD出光面 3.多模光纖 4.多模光纖排 5.雙包層光纖內(nèi)包層 6.纖芯 7.外包層 8.涂敷層 9.耦合棱鏡 10.耦合棱鏡斜角 11.泵浦光 12.單一光纖耦合器 13.單一光纖耦合器的光軸 14.雙包層光纖 15.微柱透鏡單個的多模光纖與雙包層光纖耦合結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中多模光纖與雙包層光纖內(nèi)包層由折射率與純石英相同的低損耗光學(xué)膠緊密粘接。由幾何光學(xué)可知，光在光纖中傳播，只有滿足全反射條件的光才能在纖芯內(nèi)穩(wěn)定傳輸，因此經(jīng)纖芯內(nèi)任意一點向前傳輸?shù)墓饩€必須滿足 其中n1為纖芯折射率，n2為包層折射率，θ為光線與光纖軸線的夾角，φ為該光線在截面上的投影與y軸的夾角。則單包層多模光纖(SCF)端面上的任意一點都可以認(rèn)為是以沿與光纖軸線方向夾角小于θm發(fā)射的子光源。則子光源發(fā)出的光經(jīng)雙包層光纖(DCF)側(cè)面折射后，一部分入射到矩形光纖底面上，一部分入射到側(cè)面上，另外一小部分滿足全反射條件的光在界面處反射回單包層多模光纖SCF。經(jīng)過多次反射后，只有在各側(cè)面均滿足全反射條件的光才能耦合到雙包層光纖DCF中，其它的光都由于不滿足傳輸條件而很快損耗掉。采用數(shù)值模擬的方法，假設(shè)SCF截面上任意一點向外發(fā)射的光線數(shù)都滿足高斯分布；考慮到SCF纖芯折射率與DCF包層折射率的不同，耦合效率η與SCF斜角α的關(guān)系曲線如圖2所示。
由圖中可見，當(dāng)α＝14°時，耦合效率存在極大值80％，當(dāng)斜角α增大或減小時，耦合效率都會減小。這是因為當(dāng)α增大時，光線在DCF底面及側(cè)面上的入射角也相應(yīng)減小，導(dǎo)致大量的光線因不滿足全反射條件而從外包層溢出。當(dāng)α減小時，光線在SCF與DCF界面處的入射角相應(yīng)增大，從而使反射率增加甚至有部分光因全反射而無法進入DCF，導(dǎo)致耦合效率減小。
另外，耦合效率η與光纖的各個參數(shù)都密切相關(guān)，圖3給出了DCF光纖幾何參數(shù)對耦合效率的影響關(guān)系。當(dāng)d減小時由于光線在ss和sb上的分配比例發(fā)生變化，導(dǎo)致了耦合效率微小變化，當(dāng)d小于SCF纖芯內(nèi)徑R時，部分光直接從SCF端面溢出導(dǎo)致耦合效率大幅度減小。
圖4示出了SCF纖芯n1折射率一定的情況下，DCF內(nèi)包層折射率n3對耦合效率的影響，當(dāng)n3增大至n1時，耦合效率取極大值時的α值也相應(yīng)增加，這是因為當(dāng)α較小時n3增大，全反射角減小，在SCF端面反射的光所占比例減小，耦合效率增加，當(dāng)α較大時，n3增大折射角變小，使得光線與DCF底面的夾角變小，更利于光線從DCF下表面溢出，而導(dǎo)致耦合效率減小。同時當(dāng)數(shù)個耦合器聯(lián)合使用時，由于n3增大會導(dǎo)致DCF中的光串到SCF中的比例增加，因此n3與n1差值不易太小。
SCF光纖、DCF光纖數(shù)值孔徑對耦合效率的影響分別如圖5a、圖5b曲線所示，SCF數(shù)值孔徑增大時，邊緣的光線與DCF底面夾角變大，導(dǎo)致此部分的光易從DCF底面溢出，從而使耦合效率減小。DCF數(shù)值孔徑增大時，可容納光線的錐形區(qū)增大，容光能力增加，耦合效率相應(yīng)增加。
適當(dāng)選擇合適參數(shù)的SCF、DCF，該方式的耦合效率可達(dá)90％以上。
棱鏡波導(dǎo)方式圖6為棱鏡波導(dǎo)耦合方式光路示意圖。由半導(dǎo)體激光器陣列輸出的條狀泵浦光經(jīng)微柱透鏡會聚后(11)垂直入射到耦合棱鏡(9)的入射面，耦合棱鏡出光面與剝除了涂敷層(8)和外包層(7)的雙包層光纖的內(nèi)包層(5)光學(xué)接觸，當(dāng)耦合棱鏡材料折射率與雙包層光纖內(nèi)包層匹配時，泵浦光幾乎沿直線通過耦合棱鏡與雙包層光纖內(nèi)包層的接觸面，而不發(fā)生折射現(xiàn)象或有很小的折射存在，這樣，泵浦光以很小的損耗被耦合入雙包層光纖的內(nèi)包層中。提高泵浦光的耦合效率，并且雙包層光纖的的兩端都是自由的，可以實現(xiàn)多種激光腔結(jié)構(gòu)，以及雙包層光纖的高增益放大器。棱鏡的斜角(10)可根據(jù)雙包層光纖的內(nèi)包層折射率確定，只要能滿足泵浦光在雙包層光纖內(nèi)包層中產(chǎn)生全內(nèi)反射，就能保證泵浦光在雙包層光纖內(nèi)包層中傳輸而不泄出。這種單點耦合所需的棱鏡不足0.4毫米厚，難于加工。為了克服工藝加工的困難，以及實現(xiàn)多點同時泵浦，我們可以進一步將此方案擴展。具體方法是在一根矩形或方形雙包層光纖間隔一段距離，將涂敷層和外包層剝除一小段，然后將多處裸露的內(nèi)包層緊密排列，形成一個寬度與半導(dǎo)體激光器輸出條狀泵光長度一致的板狀波導(dǎo)，然后使其表面與寬度相當(dāng)?shù)睦忡R波導(dǎo)光學(xué)粘接。這樣半導(dǎo)體激光器輸出條狀泵光不需透鏡壓縮，就可以直接經(jīng)棱鏡波導(dǎo)同時從雙包層光纖的不同位置耦合進入內(nèi)包層。減小了入光面和棱鏡波導(dǎo)與內(nèi)包層交接面處的光密度，大大降低了系統(tǒng)熱損傷的幾率，有利于大泵浦功率的耦合。
權(quán)利要求
1.一種多模光纖排耦合雙包層光纖器件，包括多模光纖，其特征在于由多根多模光纖緊密排列組成多模光纖排(4)，其出光面經(jīng)研磨成為單一光纖耦合器(12)，研磨面與光軸(13)成一定角度á(該角度和光纖的參數(shù)相匹配)，然后與其內(nèi)包層(5)側(cè)面光學(xué)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模光纖排耦合雙包層光纖器件，其特征在于所述的多模光纖截面為圓形、方形或矩形；光纖排后端單一光纖耦合器(12)是由單根多模光纖出光面經(jīng)研磨而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述器件的激光耦合方法，其特征在于陣列半導(dǎo)體激光器(1)輸出的條狀泵浦光，經(jīng)微柱透鏡(15)會聚后，注入多模光纖排(4)中，多模光纖排后端集結(jié)成束，這樣將條狀的泵浦光經(jīng)該光纖排整形后的光斑變?yōu)閳A形光斑，經(jīng)耦合透鏡聚焦后，實現(xiàn)用端泵方式將泵浦光耦合入雙包層光纖中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述器件的激光耦合方法，其特征在于將多模光纖出射的光分別與雙包層光纖的不同位置的側(cè)面耦合實現(xiàn)同時多點泵浦、雙向泵浦，各個單點均可采用權(quán)利要求1所述的耦合方式。
5.一種棱鏡耦合雙包層光纖器件，包括雙包層光纖，其特征在于由直角楔型棱鏡(9)和方形(或矩形)雙包層光纖(14)構(gòu)成，棱鏡的斜面與多根剝除涂敷層和外包層而裸露的內(nèi)包層(5)并排形成的受光面平面粘合，光學(xué)接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述器件，其特征在于所述的器件的構(gòu)成，將矩形(或方形)雙包層光纖(14)不同位置的多段剝除涂敷層和外包層的內(nèi)包層緊密排列，形成一個寬度與半導(dǎo)體激光器輸出條狀泵光長度一致的板狀波導(dǎo)，然后使其與寬度相當(dāng)?shù)睦忡R波導(dǎo)光學(xué)粘接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述器件的激光耦合方法，其特征在于陣列半導(dǎo)體激光器輸出的條狀泵浦光，經(jīng)微柱透鏡會聚后，垂直注入耦合棱鏡入射面，棱鏡出光面與剝除了涂敷層和外包層的雙包層光纖(14)的內(nèi)包層(5)光學(xué)接觸，由直角楔型波導(dǎo)接受大面積出光的LD泵浦光并將其從另一出光面壓縮進入雙包層光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的器件的激光耦合方法，其特征在于多根雙包層光纖并列放置，可實現(xiàn)同時多點泵浦，并能進行高泵浦功率的耦合。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光與雙包層光纖的耦合，特別涉及一種多模光纖排和棱鏡耦合雙包層光纖器件及其耦合方法，屬于激光耦合技術(shù)領(lǐng)域。為了克服在高功率泵浦時泵浦機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實現(xiàn)的困難，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)新穎的器件及其耦合方法。一是多根多模光纖波導(dǎo)緊密排列，一端固定成排后研磨拋光為受光面，與光軸成一角度，與雙包層光纖光學(xué)接觸，將泵光耦合入雙包層光纖中。二是棱鏡波導(dǎo)耦合，泵浦光注入棱鏡波導(dǎo)入射面，直接耦合入雙包層光纖內(nèi)包層中?？赏瑫r多點泵浦，并能進行高泵浦功率的耦合。能實現(xiàn)雙包層光纖的邊泵浦、陣列高功率半導(dǎo)體激光器對雙包層光纖的同時多點泵浦、多種結(jié)構(gòu)大功率的雙包層光纖激光器、高增益放大器和超熒光光源。
文檔編號G02B6/26GK1430078SQ0310242
公開日2003年7月16日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者董孝義, 袁樹忠, 開桂云, 寧鼎, 范萬德, 許兆文, 項陽, 張偉剛 申請人:南開大學(xué)