CN102841408A - 基于毛细管的光纤合束器的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毛细管的光纤合束器的生产方法，该工艺包括以下步骤：1)获取捆状光纤束；2)采用毛细管对步骤1)所得到的捆状光纤束进行集束和排列，形成内嵌捆状光纤束的毛细管；3)对步骤2)所得到的内嵌捆状光纤束的毛细管进行合束处理，形成锥形光波导。本发明提供了一种便于固定、容易拉锥、可大幅降低激光合束过程中的能量损耗以及可提高合束器功率承载水平的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺。

Description

基于毛细管的光纤合束器的生产工艺

技术领域

本发明属于光纤耦合技术领域，涉及一种光纤合束器的制备工艺，尤其涉及一种基于毛细管的光纤合束器的生产方法。

背景技术

光纤合束器(耦合器)是将多路激光耦合入一根光纤，将多路光合成为一路光的无源光学器件，尤其在高功率光纤激光器的泵浦耦合技术领域、光通信信号光合束领域都是必不可少的关键器件。

随着高功率光纤激光器全光纤化进程的飞速发展，以及千瓦级、万瓦级全光纤激光器的实现，对光纤合束器的承载功率水平提出了更高的要求，亟待在全光纤合束器领域有新的革命和技术的突破。

光纤合束器的工艺制备，大致分为三种技术方案：磨抛法、腐蚀法和熔锥法。磨抛法就是将去涂覆层的光纤按照一定的曲率和磨抛深度进行磨抛，然后将磨抛好的光纤进行拼接，实现光纤之间模场耦合和激光合束；腐蚀法是采用HF等化学腐蚀试剂将待合束的裸光纤包层腐蚀掉一部分，然后使腐蚀区域扭绞缠绕在一起，实现激光耦合和合束；熔锥法是将待耦合裸光纤整齐排列和集束，形成规则堆积的捆状光纤束，然后对捆状光纤束加热使之溶化，同时在光纤束两端施加拉力，使熔融捆状光纤束拉制为锥形，形成锥形光波导，实现激光的耦合和合束。

目前，熔锥法已经实现了较大承载功率的光纤器件，如国际上7×1、19×1、(6+1)×1等多款多模泵浦合束器产品都采用的熔融拉锥的方法，这也是光纤合束器的主流制法。

国际上，以ITF公司商业化的(6+1)×1多模光纤泵浦合束器是采用熔融拉锥的方法，例如PCT专利：WO2007/090272，国内专利：200780009246，在椎体的粗细合适的地方切割，与另一根相同粗细的待耦合光纤实现熔接，完成6路激光的合束，目前ITF实验室(6+1)×1合束器的单臂最高承载功率已经超过200瓦，代表着业界最高水平。但是该项技术方案中，多根光纤实现集束和规则排列难度大，不仅需要拉锥，还需要将泵浦光纤扭绞缠绕，必须在线切割、熔接，对微机电系统要求很高，难度较大。

国内光纤合束器领域，朗光科技采用了光纤磨抛、拼接、烧结的方法进行(N+1)×1光纤合束器的制备，例如专利：200920132578.7，其最高承载功率为100瓦，代表业界国内最高水平。大族激光将多束光纤激光粘接和抛光，采用多路激光反射式耦合方式，实现激光合束，例如专利：200910110240.6。中科院半导体研究所采用磨抛法，将两根同型光纤磨抛、拼接、切割，形成树杈型的多级光纤合束器，例如专利：200510126432.8。目前国内在微机电系统领域亟待提高，造成目前整体技术水平低下。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种便于固定、容易拉锥、可大幅降低激光合束过程中的能量损耗以及可提高合束器功率承载水平的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特殊之处在于：所述基于毛细管的光纤合束器的生产工艺包括以下步骤：

1)获取捆状光纤束；

2)采用毛细管对步骤1)所得到的捆状光纤束进行集束和排列，形成内嵌捆状光纤束的毛细管；

3)对步骤2)所得到的内嵌捆状光纤束的毛细管进行合束处理，形成锥形光波导。

上述光纤是多模泵浦光纤和/或传输光纤。

当所述光纤是多模泵浦光纤或传输光纤时(制备N×1合束器时)，所述步骤1)的具体实现方式是：

1.1.1)获取预拉制的至少两根光纤；

1.1.2)将预拉制的光纤的任一端去除涂覆层，形成裸光纤段的预拉制的光纤；

1.1.3)将裸光纤段的裸光纤段拉制为锥形，形成锥形预拉制的光纤；

1.1.4)将步骤1.1.3)所得到锥形预拉制的光纤规则堆放为捆状光纤束。

当所述光纤是多模泵浦光纤和传输光纤时(制备(N+1)×1合束器时)，所述步骤1)的具体实现方式是：

1.2.1)获取预拉制的光纤；所述光纤包括一根传输光纤以及至少两根多模泵浦光纤；

1.2.2)将多模泵浦光纤的任一端去掉涂覆层，形成裸光纤段的泵浦光纤；

1.2.3)将裸光纤段的泵浦光纤的裸光纤段拉制为锥形，形成锥形泵浦光纤；

1.2.4)将传输光纤的任一端去除涂覆层，形成裸光纤段的传输光纤；

1.2.5)将步骤1.2.3)所得到的锥形泵浦光纤和步骤1.2.4)所得到的裸光纤段的传输光纤的涂覆层对齐，使泵浦光纤的裸光纤区段紧紧依靠在裸光纤段的传输光纤的周围，规则堆积为捆状光纤束。

上述步骤1.2.5)中泵浦光纤的裸光纤区段紧紧对称环绕在裸光纤段的传输光纤的周围，规则堆积为捆状光纤束。

上述步骤2)中毛细管对步骤1)所得到的捆状光纤束进行集束和排列的具体实现方式是：所述步骤1)得到的捆状光纤束直接插入毛细管中。

上述步骤3)中进行合束处理的具体方式是：对内嵌捆状光纤束的毛细管进行加热拉锥、切割以及熔接。

上述毛细管的材质是石英或玻璃。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，该生产工艺采用拉锥的技术方案先将N根多模泵浦光纤的一端去除涂覆层并拉制为锥形，对称环绕排列在一端去除涂覆层的传输光纤周围，形成规则排列的捆状光纤束，并使传输光纤长度长于锥形泵浦光纤长度；将捆状光纤束穿入准备好的预拉制毛细管中，使泵浦光纤的锥形部分处于预拉制毛细管的直管区，从捆状光纤束中泵浦光纤锥形起始位置开始，将内嵌捆状光纤束的毛细管进行拉锥，使得捆状光纤束、毛细管外壁融为一体，形成锥形光波导，N根光纤中满足锥形传播条件的泵浦光就在锥形光波导的引导下，耦合入传输光纤，实现合束功能。然后将椎体右侧的传输光纤与另外一根传输光纤实现低损耗熔接，就实现了合束后泵浦光的传导。再将毛细管、光纤、熔点用胶固定，用金属外壳封装后，就完成了(N+1)×1光纤合束器器件的制备。

本发明克服了传统方式中，对光纤排布、夹持、拉锥不便的困难，采用了玻璃管制法，使光纤排布更规则和便捷，同时，摈弃了传统方式中复杂的旋转拉锥方法，采用一维直线拉锥，降低了微机电系统的复杂度。本方法避开了传统拉锥、切割、熔接方法中熔点在圆椎体光波导中(或光耦合区域)的缺点，将最终椎体与另一根传输光纤的熔接点置于结构单一的传输光纤区段，保持了圆锥形光波导的整体性，降低了光耦合损耗，加强了熔接强度，保护了熔点安全，提升了光纤合束器的功率承载水平。此外，本方法采用石英毛细管对光纤进行集束、排列、夹持，简单高效，克服了传统方式集束、排列和拉伸点位固定难度高的缺点，具有实现熔融拉锥容易、拉锥均匀的优点，可以大幅降低激光合束过程中的能量损耗，提高合束器功率承载水平，对于实现光纤激光器更高功率的泵浦，以及提高光纤激光功率输出水平，具有至关重要的作用。本发明所提供的方法主要用于高功率全光纤光纤激光器的泵浦耦合，基于熔融拉锥的方法，实现高承载功率(N+1)×1光纤激光泵浦合束器的制备，为高功率全光纤激光器提供高效泵浦耦合解决方案，大幅提高全光纤激光器的功率输出水平。

附图说明

图1是锥形的多模泵浦光纤示意图；

图2是一端去涂覆层后的信号传输光纤示意图；

图3是多根泵浦光纤对称分布在传输光纤四周的捆状光纤束；

图4是毛细管一次拉锥后的示意图(预拉制毛细管)；

图5是捆状光纤束穿入预拉制毛细管示意图；

图6是内嵌捆状光纤束的毛细管拉锥后的示意图；

图7是二次拉锥过后的光纤束椎与另一传输光纤的熔接示意图；

图8是二次拉锥后的光纤束锥切割后与另一传输光纤熔接示意图；

具体实施方式

本发明提供了一种新型的光纤合束器毛细管拉锥制法，研制了一款(N+1)×1光纤激光泵浦合束器，本光纤合束器主要用来解决光纤激光器泵浦合束问题，实现光纤激光器的高功率半导体激光泵浦，与传统的熔融拉锥方法不同的是，在本方案中，采用石英(或玻璃等材料)毛细管作为捆状光纤束(N根锥形的多模泵浦光纤与1根传输光纤规则堆放为捆状光纤束)的外部框架，对毛细管完成拉锥，也就实现了对集束光纤的整体拉锥，捆状光纤束与毛细管管壁融为一体，从而形成锥形光波导，实现多路激光的合束。

拉锥完成之后N根锥形的多模泵浦光纤、1根信号传输光纤所形成的捆状光纤束与预拉制毛细管一起被拉制为一个石英椎体，这个椎体自身就是一个锥形光波导，凡是满足圆锥体内激光传输条件的激光都将耦合入信号传输光纤，这样，N根多模泵浦光纤中的泵浦激光在圆锥光波导的作用下，将多路光纤激光约束在传输光纤包层的波导当中，实现泵浦合束。然后，将拉锥后的椎体与另外一根信号传输光纤实现熔接，再对椎体和熔点进行精密封装，将其保护起来，就完成了(N+1)×1光纤激光泵浦合束器的制备。

本方法中，需要N根多模泵浦光纤，2根双包层信号传输光纤，一根石英(或玻璃)毛细管。

首先将N根多模泵浦光纤的一端去掉涂覆层，并将N根泵浦光纤的裸光纤部分拉锥为锥形，形成锥形泵浦光纤，如图1所示。

同时，将双包层信号传输光纤的一端也去除涂覆层，如图2所示，其中去除涂覆层的双包层信号传输光纤外径为Φ。同时保证传输光纤去涂覆层的长度要长于泵浦光纤去涂覆层和锥形长度总和。

将N根多模泵浦光纤和1根信号传输光纤的涂覆层对齐，使多模泵浦光纤的裸光纤区段紧紧对称环绕在传输光纤去涂覆层区段周围，规则堆积为捆状光纤束，如图3(a)所示，其中，信号传输光纤的去涂覆层端要长于锥形多模泵浦光纤几个厘米，设其外径最大尺寸为d；由于涂覆层剥离长度较长，光纤具有柔韧的特性，在外部约束力(如毛细管口约束力)的作用下，捆状光纤束的裸光纤部分是紧密配合，没有空隙的，故裸光纤区段的截面如图3(b)所示。

然后，选择内径为d的毛细管，将图3(a)所示的捆状光纤束插入内径为d的毛细管；若没有恰好内径为d的毛细管，可选择内径为D的毛细管(D＞d)，对其拉锥，将其拉制为内径为d的毛细管，如图4所示，这样较粗的毛细管就被拉制为了哑铃型的预拉制毛细管。

将规则排列的捆状光纤束(如图3(a))插入预拉制毛细管(如图4)，使得多模泵浦光纤的锥形部分置于预拉制毛细管中部，如图5错误！未找到引用源。所示。

将内嵌捆状光纤束的预拉制毛细管两端用夹具夹起，施加适当的反向拉力，从预拉制毛细管中部，即N根多模泵浦光纤的椎体起始之处，开始对内嵌捆状光纤束的预拉制毛细管进行拉锥，第二次对毛细管的拉锥，将预拉制毛细管的直管区段从内径d拉到Φ，锥的底部与信号传输光纤去涂覆层后的外径一致，同时，保证N根多模泵浦光纤的锥尖全部陷入预拉制毛细管第二次拉制的椎体内，与预拉制毛细管的管壁融为一体，共同形成圆锥形光波导，只要符合圆锥光波导传输条件的泵浦光都可以耦合入传输光纤，实现N根泵浦激光的合束，如图6所示。

二次拉锥过后，椎体的信号传输光纤再与另外一根信号传输光纤实现熔接，就实现了N路光纤泵浦激光的耦合过程，如图7所示。熔接时，若熔接端头的传输光纤露出毛细管较短，则可以将熔接端的石英毛细管切除一段，实现熔接。

然后，将整个椎体、毛细管、熔点一起封装起来，完成对器件的支撑、保护和散热，就完成了(N+1)×1光纤泵浦合束器的制备。

本发明为高功率光纤激光器的泵浦合束技术提供了新的思路和技术方案，为实现更高功率的光纤激光功率输出奠定了基础。

本发明的核心是采用石英(或玻璃等)毛细管对预拉制的光纤实现规则集束和排列，然后对内嵌捆状光纤束(图3(a))的毛细管进行拉锥、切割、熔接，实现N路激光耦合入一根光纤的技术方案。凡是涉及采用毛细管熔融拉锥、制备合束器的方法，都在本专利权利范围之内。本方案不仅适用于(N+1)×1光纤合束器的制备，还适用于N×1泵浦合束器、激光合束器的制备。本方案中不仅可以采用图7的侧面泵浦光纤合束技术方案，也可以采用切割、熔接的端面泵浦光纤合束技术方案，如图8错误！未找到引用源。所示。

以(6+1)×1光纤激光泵浦合束器为例，详细介绍光纤合束器毛细管制法。其中信号传输光纤芯径/包层/涂覆层外径为20/400/550um，多模泵浦光纤包层和涂覆层外径为105/125um。首先，选择6根多模泵浦光纤，将其一端去除涂覆层，然后将每根多模泵浦光纤的一端拉制为如图1所示的锥形，同时保证6根多模泵浦光纤之间，泵浦光纤去涂覆层区段2与泵浦光纤锥形区段3的长度一致。然后准备一根信号传输光纤，去除一端涂覆层，如图2所示，保证传输光纤的去涂覆层区段长度要比泵浦光纤去涂覆层区段2与泵浦光纤锥形区段3的总长度再长几个厘米，方便后续的熔接工序。然后，将准备好的6根锥形多模泵浦光纤紧贴信号传输光纤周围，对称堆积为捆状光纤束，如图3(a)所示，同时，6根多模泵浦光纤和1根传输光纤的涂覆层位置对齐，保证在捆状光纤束中，传输光纤比多模泵浦光纤长几个厘米。在规则排列的(6+1)捆状光纤束中，外径最大尺寸为d，由于去涂覆层长度较长，光纤本身具有柔韧的特性，在毛细管口约束力的作用下，捆状光纤束的裸光纤部分是紧密配合，没有空隙的，截面如图3(b)所示。准备好内径为d的石英(或玻璃)毛细管，将图3(a)所示的捆状光纤束插入内径为d的毛细管；为将本专利介绍的更加普适化，本例采用哑铃型的预拉制毛细管(如图4)进行合束器制备。将准备好的捆状光纤束插入哑铃形的预拉制毛细管内，捆状光纤束在毛细管内位置的确定，以多模泵浦光纤的锥形区完全处于哑铃型预拉制毛细管的直管区的中部为准，如图5错误！未找到引用源。所示。然后，开始对捆状光纤束与预拉制毛细管一起拉锥，毛细管的二次拉锥，拉锥起始位置从多模泵浦光纤(图1)的椎体起始位置开始，方向朝向锥尖，拉锥直径从内径d拉制到Φ，使椎体底部的外径尺寸与传输光纤去涂覆层后的外径尺寸一致，保证6根多模泵浦光纤的锥尖全部陷入预拉制毛细管第二次拉制的椎体内，6根多模泵浦光纤、传输光纤、预拉制毛细管的管壁融为一体，形成锥形泵浦光波导，满足一定孔径角的泵浦光都可以耦合入传输光纤，如图6所示。

本专利中，主要介绍(N+1)×1光纤激光泵浦合束器的制备，同样适用于N×1等其他型号的光纤合束器的制备，以及所有毛细管制备方法。本发明中，合束器的制备方案，左右的传输光纤型号一致；替换方案也可以是左右端的传输光纤型号不一致。举例如：左侧采用20/105/125um传输光纤，右侧采用20/400/550um传输光纤。其他例子也同样适用。本发明中，毛细管采用二次拉锥的方法；如果能够找到内径尺寸与捆状光纤束的外径尺寸一致的毛细管，也可以替换二次拉锥方案。本方案中，不仅可以采用图7的侧面泵浦光纤合束技术方案，也可以采用拉锥、切割、熔接的端面泵浦光纤合束技术方案，如图8错误！未找到引用源。所示。即将二次拉锥过后的椎体适当粗细的地方进行切割，从切割的地方与另外一根传输光纤实现低损耗熔接，完成泵浦光纤激光合束器的制备。如图8错误！未找到引用源。所示。毛细管采用石英毛细管，也可以采用其他材质的毛细管。本方案的毛细管制法，不仅仅适用于合束器的制备工艺，也同样适用于分束器(即一根光纤分为若干根光纤，一路信号光分为若干路信号光的无源光器件)的制备工艺，凡采用毛细管拉锥工艺技术的分束器制备方法也在本专利权利范围之内。

Claims (8)

1.一种基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述基于毛细管的光纤合束器的生产工艺包括以下步骤：

1)获取捆状光纤束；

2)采用毛细管对步骤1)所得到的捆状光纤束进行集束和排列，形成内嵌捆状光纤束的毛细管；

3)对步骤2)所得到的内嵌捆状光纤束的毛细管进行合束处理，形成锥形光波导。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述光纤是多模泵浦光纤和/或传输光纤。

3.根据权利要求2所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：当所述光纤是多模泵浦光纤或传输光纤时，所述步骤1)的具体实现方式是：

1.1.1)获取预拉制的至少两根光纤；

1.1.2)将预拉制的光纤的任一端去除涂覆层，形成裸光纤段的预拉制的光纤；

1.1.3)将裸光纤段的裸光纤段拉制为锥形，形成锥形预拉制的光纤；

1.1.4)将步骤1.1.3)所得到锥形预拉制的光纤规则堆放为捆状光纤束。

4.根据权利要求3所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：当所述光纤是多模泵浦光纤和传输光纤时，所述步骤1)的具体实现方式是：

1.2.1)获取预拉制的光纤；所述光纤包括一根传输光纤以及至少两根多模泵浦光纤；

1.2.2)将多模泵浦光纤的任一端去掉涂覆层，形成裸光纤段的泵浦光纤；

1.2.3)将裸光纤段的泵浦光纤的裸光纤段拉制为锥形，形成锥形泵浦光纤；

1.2.4)将传输光纤的任一端去除涂覆层，形成裸光纤段的传输光纤；

1.2.5)将步骤1.2.3)所得到的锥形泵浦光纤和步骤1.2.4)所得到的裸光纤段的传输光纤的涂覆层对齐，使泵浦光纤的裸光纤区段紧紧依靠在裸光纤段的传输光纤的周围，规则堆积为捆状光纤束。

5.根据权利要求4所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述步骤1.2.5)中泵浦光纤的裸光纤区段紧紧对称环绕在裸光纤段的传输光纤的周围，规则堆积为捆状光纤束。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述步骤2)中毛细管对步骤1)所得到的捆状光纤束进行集束和排列的具体实现方式是：所述步骤1)得到的捆状光纤束直接插入毛细管中。

7.根据权利要求6所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述步骤3)中进行合束处理的具体方式是：对内嵌捆状光纤束的毛细管进行加热拉锥、切割以及熔接。

8.根据权利要求7所述的基于毛细管的光纤合束器的生产工艺，其特征在于：所述毛细管的材质是石英或玻璃。

Images