一种多功能高功率器件的制作方法

专利名称：一种多功能高功率器件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于高功率器件技术领域，尤其涉及一种多功能高功率器件。
背景技术：
目前应用于高功率光纤放大器的光纤无源器件，一般是功能单一的高功率器件，需要多次连接以将各功能器件组成功能模块，这无疑增加了系统的复杂程度、制造成本及失效风险。市面上一般的功能合成器件，因为多光路的问题，难以承载高功率，在高功率条件使用时可靠性很差。同时，用户对系统的光纤长度常常要求很短以满足某些特殊应用，多个单一功能的器件连接，显然难以满足要求。

实用新型内容本实用新型针对现有高功率器件中存在的功能单一，需要多次连接以将各功能器件组成功能模块，增加了系统的复杂程度、制造成本及失效风险以及高功率条件使用时可靠性很差等缺点，提出一种多功能高功率器件。本实用新型实施例是这样实现的，一种多功能高功率器件，该高功率器件的第一保偏光纤与第一无芯光纤切割后通过光纤熔接机熔接；第一保偏光纤与第一无芯光纤的组件固定在单纤毛细管的内部；单纤毛细管与第一正透镜安装在第一固定圆管内部；法拉第旋转器、起偏元件和检偏元件构成具有单向隔离作用的组件；法拉第旋转器设于起偏元件和检偏兀件之间；第二保偏光纤与第二无芯光纤切割后通过光纤熔接机熔接；第二保偏光纤与第二无芯光纤的组件以及多模光纤固定在双纤毛细管的内部；第二正透镜与双纤毛细管安装在第二固定圆管内部；渥拉斯顿棱镜位于检偏元件和第二正透镜之间。进一步，对偏振光保持其偏振态的第一保偏光纤，用以固定光纤便于稱合对准的单纤毛细管，具有光斑扩大作用的第一无芯光纤，具有准直作用的第一正透镜，第一固定圆管及起固定作用的材料组成第一单纤保偏光纤准直器。进一步，所述起偏元件可以是二向色性偏振片，也可以是任何具有起偏作用的双折射晶体或棱镜。进一步，所述法拉第旋转器由非互易性法拉第磁光材料及外加磁场组成，外加磁场方向平行或接近平行于光传输方向。进一步，所述检偏元件是与起偏元件特性相似的具有检偏作用的偏振片、双折射晶体或棱镜。进一步，所述起偏元件、法拉第旋转器及检偏元件共同组成具有单向通光功能的隔离器芯组件，其中起偏元件和检偏元件的振化方向之夹角接近或等于45度，从起偏元件的振化方向开始到检偏元件的振化方向旋转所形成的角度及其方向，正好是偏振光在法拉第旋转器中所旋转的角度和方向。进一步，所述渥拉斯顿棱镜由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射楔形晶体组成。[0011]本实用新型具有以下优点:1、任何偏振态的光从端口 I输入，与工作轴正交的方向上的偏振光被起偏兀件和检偏元件吸收或折射，而工作轴上的光严格按指定分光比分别从端口 2、3输出。因为实际保偏光纤系统往往只关注某一特定工作轴上的光而不希望有正交轴上的光干扰，此特性特别具有优越性。2、高功率激光，不论连续还是脉冲激光，经由第一保偏光纤I传输后光斑被第一无芯光纤3扩大了 5-10倍，使光纤输出端面的功率密度大大降低，典型的达到25-100倍。于是功率承受能力相应的比普通器件提升25-100倍。3、由于实际使用中小分光比的一端常用来做探测，在系统中对其偏振态并无要求；同时，第二保偏光纤采用熔接无芯光纤与多模光纤相结合，完美解决功率承载、分光及多功能合成问题。4、分光比的调整不需要不同的物料和镀膜设计，只需调试时调整偏振片振化方向
和渥拉斯顿棱镜之间的角度。此特点使分光比的确定相当灵活，提升了经济效益和时间效.、/■
Mo5、分光比几乎跟波长无关，而只跟偏振片振化方向和渥拉斯顿棱镜之间的角度有关。由此可以提供超宽的工作带宽。6、由于偏振片和渥拉斯顿棱镜都具有起偏作用，消光比可以很高，普遍比熔融拉锥方法及分光膜方法高，对提升系统性能很有帮助。7、若光分别从端口 2、3输入，则在端口 I没有输出，可以很好的保护系统不受反射光干扰，从而保证系 统稳定可靠。

图1是本实用新型实施例提供的多功能高功率器件的结构示意图。图中:1、第一保偏光纤；2、单纤毛细管；3、第一无芯光纤；4、第一正透镜；5、起偏兀件；6、检偏兀件；7、第二正透镜；8、第二无芯光纤；9、双纤毛细管；10、第二保偏光纤；
11、第一固定圆管；12、法拉第旋转器；13、渥拉斯顿棱镜；14、第二固定圆管；15、多模光纤。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。图1示出了本实用新型实施例提供的多功能高功率器件的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本实用新型相关的部分。第一保偏光纤I与第一无芯光纤3切割后通过光纤熔接机熔接，并安装在单纤毛细管2内部，可通过胶粘剂固定。单纤毛细管2安装在第一固定圆管11内部；第一正透镜4位于单纤毛细管2右端，安装在第一固定圆管11内部；起偏元件5、法拉第旋转器12和检偏元件6依次放置以组成具有单向通光作用的隔离器组件；[0027]法拉第旋转器12设于起偏元件5和检偏元件6之间；第二保偏光纤10与第二无芯光纤8切割后通过光纤熔接机熔接；第二保偏光纤10与第二无芯光纤8熔接后形成的组件与多模光纤15安装在双纤毛细管9内部，可通过胶粘剂固定；第二正透镜7安装在第二固定圆管14内部；双纤毛细管9位于第二正透镜7右端，安装在第二固定圆管14内部；渥拉斯顿棱镜13位于检偏元件6和第二正透镜7之间；第一单纤保偏光纤准直器由能对偏振光保持其偏振态的第一保偏光纤1，用以固定光纤便于耦合对准的单纤毛细管2，具有光斑扩大作用的第一无芯光纤3，具有准直作用的第一正透镜4，第一固定圆管11及起固定作用的材料(如胶粘剂)组成。其中第一保偏光纤I与第一无芯光纤3切割后通过光纤熔接机熔接。用起固定作用的材料(如胶粘剂)固定光纤熔接组件与单纤毛细管2，并将端面按一定角度研磨抛光以抑制反射光，加以镀增透膜可以得到优化的性能。光纤端面应通过调试与透镜的距离使出射光斑达到良好准直。在讨论性能时，该光纤定义为端口 I。起偏元件5可以是二向色性偏振片，也可以是任何具有起偏作用的双折射晶体或棱镜如渥拉斯顿棱镜，可以以很高的透过率透过某方向的偏振光而与此方向正交的偏振光大大吸收衰减或折射、反射至其它方向。为使描述方便，本实施例以二向色性偏振片为例，则其透光方向就是其振化方向。法拉第旋转器12由非互易性法拉第磁光材料及外加磁场组成，外加磁场方向平行或接近平行于光传输方向，且在指定的工作波长，其法拉第旋光角应等于或接近45度。典型的法拉第旋转器12能将入射其中的光的偏振方向按某一特定方向旋转45度，不管入射光方向与磁场方向同向还是反向。检偏元件6是与起偏元件5特性相似的具有检偏作用的偏振片、双折射晶体或棱镜，可以以很高的透过率透过某方向的偏振光而与此方向正交的偏振光大大吸收衰减或折射、反射至其它方向。为使描述方便，本实施例以二向色性偏振片为例，则其透光方向就是其振化方向。起偏元件5、法拉第旋转器12及检偏元件6共同组成具有单向通光功能的隔离器芯组件。其中起偏元件5和检偏元件6的振化方向之夹角接近或等于45度，从起偏元件5的振化方向开始到检偏元件6的振化方向旋转所形成的45度及其方向，正好是偏振光在法拉第旋转器12中所旋转的角度和方向。如此一来，透过起偏元件5的正向偏振光经过法拉第旋转器12后旋转45度，正好与检偏元件6的振化方向平行，能几乎无损的通过。而对于反向光，透过检偏元件6的偏振光经过法拉第旋转器12后仍按原方向旋转45度，这个45度加上起偏元件5和检偏元件6之间的45度夹角，等于90度，正好与起偏元件5的振化方向垂直，几乎完全被吸收而没有通过。事实上，两个类似的隔离器芯构件按一定角度叠加放置，可以形成双级隔离器从而得到更高隔离度以提高系统性能。为描述简便，本实施例以单级隔离器芯为例加以说明。第二双纤保偏光纤准直器由具有光斑扩大作用的第二无芯光纤8,能对偏振光保持其偏振态的第二保偏光纤10，多模光纤15，用以固定光纤便于耦合对准的双纤毛细管9，具有准直作用的第二正透镜7，第二固定圆管14及起固定作用的材料(如胶粘剂)组成。其中第二保偏光纤10与第二无芯光纤8切割后通过光纤熔接机熔接，第二保偏光纤10的快轴或慢轴与第二保偏光纤10、多模光纤15的几何中心连线平行或垂直。用起固定作用的材料(如胶粘剂)固定光纤与双纤毛细管9，并将端面按一定角度研磨抛光以抑制反射光，加以镀增透膜可以得到优化的性能。第二保偏光纤10、多模光纤15的几何中心距离a除以正透镜的有效焦距b应与渥拉斯顿棱镜13的光束分离角c相同或接近。光纤端面应通过调试与透镜的距离使出射光达到良好准直。在讨论性能时，第二保偏光纤10、多模光纤15别定义为端口 2、3。渥拉斯顿棱镜13由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射晶体组成，该棱镜能将一束垂直入射的光分成两束偏振面互相正交的偏振光，且这两束偏振光具有一定的夹角，通过合理的设计，可以将此夹角设计成C，以达成a=be。此处c的单位为弧度。需要注意的是，为使耦合效率更高，第一单纤保偏光纤准直器、第二双纤保偏光纤准直器的光斑束腰大小应相同或接近。准直器的光斑束腰大小=光纤远场发散角X透镜焦距。实施过程中，应对第一保偏光纤I去除合适长度的涂敷层并严格清洁，一般采用O度或小角度切割，得到平滑的端面。对第一无芯光纤3作同样的处理，然后将这一对处理的光纤端放入光纤熔接机熔接。注意熔接强度以保证可靠性。截短第一无芯光纤3，将构造的第一保偏光纤I与第一无芯光纤3穿入单纤毛细管2，控制穿入长度，用合适的胶粘剂固定并固化。按合适角度研磨该组件，控制第一无芯光纤3至准确的长度并精密抛光和镀高功率增透膜。选用与单纤毛细管2外径一致的第一正透镜4并套入内径与两者外径匹配的玻璃管，在精密调节架上调节第一保偏光纤I与毛细管组件和第一正透镜4之间的距离使达到良好准直，此时点胶固定并固化使形成第一准直器。实施过程中，应对第二保偏光纤10去除合适长度的涂敷层并严格清洁，一般采用O度或小角度切割，得到平滑的端面。对第二无芯光纤8作同样的处理，然后将这一对处理的光纤端放入光纤熔接机熔接。注意熔接强度以保证可靠性。截短第二无芯光纤8，将构造的第二保偏光纤10与第二无芯光纤8及去除合适长度的涂敷层的多模光纤15穿入双纤毛细管9，控制穿入长度，用合适的胶粘剂固定并固化。按合适角度研磨该组件，控制第二无芯光纤8至准确的长度并精密抛光和镀高功率膜。选用双纤毛细管9外径一致的第二正透镜7并套入内径与两者外径匹配的玻璃管，在精密调节架上调节第二保偏光纤10与毛细管组件和第二正透镜7之间的距离使达到良好准直，此时点胶固定并固化使形成第二准直器。实施过程中，应使第一保偏光纤I的快轴或慢轴与起偏元件5的振化方向平行，而与此振化方向垂直的轴上的杂散光或衍生光将因吸收而滤除。起偏元件5、法拉第旋转器12及检偏元件6可装入一可以与第一准直器透镜套接的永磁管，以方便调整两者之间的相对角度。起偏元件5、法拉第旋转器12及检偏元件6组成隔离器芯组件。永磁管是法拉第旋转器12的一部分，为非互易性法拉第磁光材料提供外加磁场。通过沿第一保偏光纤I的快轴或慢轴输入线偏振光，旋转永磁管，考察其透过率最佳之时，即可保证起偏元件5的振化方向与工作轴平行，此时点胶固定该位置。实施过程中，应使第二保偏光纤10的快轴或慢轴方向与渥拉斯顿棱镜13的光轴平行或垂直，即当线偏振光从端口 I输入时，端口 2、3同时都有输出且经渥拉斯顿棱镜13分开的其中一束偏振光偏振方向与第二保偏光纤10的快轴或慢轴方向平行或垂直。可将构造的渥拉斯顿棱镜13装入内径与第二正透镜7之外径匹配的套管，用起固定作用的材料(如胶粘剂)固定，并将此组件用起固定作用的材料(如胶粘剂)固定于第二正透镜7之上。此时，应使渥拉斯顿棱镜13之中点与透镜焦点重合以得到最优的耦合效果。实施过程中，从第一准直器的第一保偏光纤I输入测试光并调节第二准直器与渥拉斯顿棱镜组件使两个输出端获得最佳通过率。通过旋转任一准直器，改变检偏元件6的振化方向与渥拉斯顿棱镜光轴之间的角度，观察两个输出端的分光比，直到达到目标要求。根据马吕斯定律，当检偏元件6的振化方向与渥拉斯顿棱镜的第一光楔的光轴成角度a时，经渥拉斯顿棱镜分光后，将分成两束彼此正交、功率互补的线偏光:COs~2(a)及sirT2(a)，其总和为 cos~2(a)+sin~2(a) =1。可以轻易实现从 0.001: 0.999 到 0.999: 0.001 之间的任意指定分光比。获得指定的分光比后，仔细调节调节架使各参数达到最佳状态。实施过程中，为将所需位置固定，可用多维调节系统分别夹持第一准直器、第二准直器并加以调节，按上述要求调好光路、角度后根据需要和工艺特点可用桥接件固定封装，封装工艺可用胶固定，可用锡钎焊，也可激光焊接。封装后封装体应是密封的。为对初步封装件起更好保护作用，可根据需要再次做外部封装。四、效果汇总本例中提出的一种多功能高功率器件，基于马吕斯定律、创新的光纤端面处理技术和光纤构造技术，利用检偏元件和渥拉斯顿棱镜之间的角度关系，巧妙实现任何指定比例的分光；而由于渥拉斯顿棱镜的起偏作用，输出端可以获得很高的消光比；同时，由于特殊的光纤处理和构造技术，使光纤端面功率密度极低，同时损耗也极低，巧妙实现既分光又能耐受高功率。具体结构具有以下优点:1、任何偏振态的光从端口 I输入，与工作轴正交的方向上的偏振光被偏振片滤掉，而工作轴上的光严格按指定分光比分别从端口 2、3输出。因为实际保偏光纤系统往往只关注某一特定工作轴上的光而不希望有正交轴上的光干扰，此特性特别具有优越性。2、高功率激光，不论连续还是脉冲激光，经由第一保偏光纤I传输后光斑被第一无芯光纤3扩大了 5-10倍，使光纤输出端面的功率密度大大降低，典型的达到25-100倍。于是功率承受能力相应的比普通器件提升25-100倍。3、由于实际使用中小分光比的一端常用来做探测，在系统中对其偏振态并无要求；同时，第二保偏光纤10采用熔接无芯光纤与多模光纤相结合，完美解决功率承载、分光及多功能合成问题。若将多模光纤15替换成单模光纤或保偏光纤，因为需要考虑此光纤和第二保偏光纤10的端面都应位于第二正透镜7的后焦面之上，第二保偏光纤10熔接了第二无芯光纤8，从而使替换的单模光纤或保偏光纤也需熔接一段无芯光纤才可能与第二保偏光纤10平齐，考虑到研磨角度、熔接点的对准精度、快慢轴的对准精度的共同作用，替换的方法无疑大大提高了对准难度和生产成本，也大大降低了耦合效率从而导致耦合不稳定，这对高功率激光系统来说是致命的。所以本实用新型的构造完美的解决了上述方案面临的问题。4、分光比的调整不需要不同的物料和镀膜设计，只需调试时调整偏振片振化方向和渥拉斯顿棱镜之间的角度。此特点使分光比的确定相当灵活，提升了经济效益和时间效.、/■
Mo5、分光比几乎跟波长无关，而只跟偏振片振化方向和渥拉斯顿棱镜之间的角度有关。由此可以提供超宽的工作带宽。6、由于偏振片和渥拉斯顿棱镜都具有起偏作用，消光比可以很高，普遍比熔融拉锥方法及分光膜方法高，对提升系统性能很有帮助。7、若光分别从端口 2、3输入，则在端口 I没有输出，可以很好的保护系统不受反射光干扰，从而保证系统稳定可靠。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内 。
权利要求1.一种多功能高功率器件,其特征在于,该高功率器件的第一保偏光纤与第一无芯光纤切割后通过光纤熔接机熔接；第一保偏光纤与第一无芯光纤的组件固定在单纤毛细管的内部；单纤毛细管与第一正透镜安装在第一固定圆管内部；法拉第旋转器、起偏元件和检偏元件构成具有单向隔离作用的组件；法拉第旋转器设于起偏元件和检偏元件之间；第二保偏光纤与第二无芯光纤切割后通过光纤熔接机熔接；第二保偏光纤与第二无芯光纤的组件以及多模光纤固定在双纤毛细管的内部；第二正透镜与双纤毛细管安装在第二固定圆管内部；渥拉斯顿棱镜位于检偏元件和第二正透镜之间。
2.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，对偏振光保持其偏振态的第一保偏光纤，用以固定光纤便于耦合对准的单纤毛细管，具有光斑扩大作用的第一无芯光纤，具有准直作用的第一正透镜，第一固定圆管及起固定作用的材料组成第一单纤保偏光纤准直器。
3.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，所述起偏元件可以是二向色性偏振片，也可以是具有起偏作用的双折射晶体或棱镜。
4.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，所述法拉第旋转器由非互易性法拉第磁光材料及外加磁场组成，夕卜加磁场方向平行或接近平行于光传输方向。
5.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，所述检偏元件是与起偏元件特性相似的具有检偏作用的偏振片、双折射晶体或棱镜。
6.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，所述起偏元件、法拉第旋转器及检偏元件共同组成具有单向通光功能的隔离器芯组件，其中起偏元件和检偏元件的振化方向之夹角接近或等于45度，从起偏元件的振化方向开始到检偏元件的振化方向旋转所形成的角度及其方向，正好是偏振光在法拉第旋转器中所旋转的角度和方向。
7.如权利要求1所述的高功率器件，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜由两片光轴互相垂直、且它们的光轴与入射光方向垂直或接近垂直的单轴双折射楔形晶体组成。
专利摘要本实用新型公开了一种多功能高功率器件，任何偏振态的光从输入端口输入，与工作轴正交的方向上的偏振光被偏振器滤掉，光严格按指定分光比分别从2个输出端口输出，而各端口的特殊设计，使光纤输出端面的功率密度大大降低，功率承受能力相应的比普通器件提升25-100倍；第二保偏光纤采用熔接无芯光纤及与多模光纤相结合，完美解决功率承载、分光及多功能合成问题；分光比的调整不需要不同的物料和镀膜设计，使分光比的确定相当灵活，提升了经济效益和时间效益；分光比几乎跟波长无关，可以提供超宽的工作带宽。由于偏振器和渥拉斯顿棱镜都具有起偏作用，对提升系统性能很有帮助；此设计能很好的保护系统不受反射光干扰，从而保证系统稳定可靠。
文档编号G02B6/255GK202975391SQ201220515190
公开日2013年6月5日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者龙跃金 申请人:光越科技(深圳)有限公司