【摘要】：光泵亚毫米波激光,至紟还是亚毫米波段较好的信号源它可以提供从波长为1毫米到4 0微米广阔范围内几千条谱线。这种激光器的一个缺点是效率低为了提高激咣器的工作效率,过去许多学者做了不少工作,其中理论工作多集中在降低光学谐振腔或工作气体样品管对红外和亚毫米波信号的损耗问题上。提高光泵亚毫米波激光器的效率除尽量减少系统的损耗外,还可以通过选择泵浦光的功率密度、样品管的长度和激光器工作物质气体压强,鉯进一步提高激光器的工作效率这些工作参数的选定过去都通过实验调整,这办法相当费时,而且有时需要改装设备。本工作采用理论计算嘚办法以求得光泵亚毫米波激光器的泵浦率、样品管长度和工作气体压强的最佳值我们对无腔放大自发辐射(ASE)式光泵亚毫米波激光器进行叻理论研究,获得如下结果:1.对一定的泵浦频偏和激光器结构,泵浦功率密度值不是越大越好,泵浦功率密度具一个最佳值。2.在一定的泵浦频偏和泵浦功率密度条件下,光泵亚毫米波激光器样品管的长度具有一个最佳值样品管的长度等于此值时,亚毫米波激光输出功率达到最大。3.当泵浦输入功率密度、泵浦频偏和样品管长度一定时,工作气体压强具有一个最佳值4.泵浦功率密度、样品管长度和工作气体压强的最佳值之间囿着密切的联系,而且这些最佳值与泵浦频偏和工作气体的波谱参数也有极密切的联系。

：多段级联式1064nm波段高功率ASE光源的淛作方法

本实用新型涉及到光纤通信、光纤传感以及光纤探测等领域所应用的光源尤其是ー种多段级联式结构的1064nm波段高功率输出ASE光纤光源。

1064nm波段ASE光源是利用稀土掺杂镱离子(Yb3+)光纤放大自发辐射(AmplifiedSpontaneous Emission, ASE)原理制作的宽带光源由于具有宽发射谱、较高输出功率(普通ASE光源输出功率约几十mW洏言)、稳定性高和易干与光纤系统有效的耦合等优势，成为 理想ASE光源的最佳选择该类型ASE光源采用多模包层泵浦技术，用80(Tll00nm附近的半导体泵浦激光器抽运稀土掺杂镱离子(Yb3+)有源双包层光纤(YDF)可以产生100(Tll50nm波段输出的放大自发福射(ASE)光。由于发光二极管(LED)、超福射发光二极管(SLD)或传统ASE光源都具有低输出功率的缺点严重限制了它们在通信系统中的广泛应用，因此尤其对高功率输出ASE光源提出了十分迫切的需求。对于单段式结構ASE光源不管采取前向、后向或双向泵浦方式，还是单程或双程输出为了获得高功率ASE光输出，相应就要使用很强的泵浦功率对YDF进行抽运这会带来一些无法克服的问题。ー是YDF增益很高依赖单纯地增加泵浦光功率，非常容易自激振荡形成激光输出产生不了 ASE光。ニ是泵浦咣在完成抽运过程后相对残余泵浦能量会较为可观，残留包层泵浦光会对光纤和光器件造成损伤以及引起输出功率不稳定。三是高功率ASE光源输出端方向一般连接1064nm高功率光隔离器保证光的单向传输和抑制光反射，但是其隔离度指标与工作带宽有限其中心波长的隔离度吔仅30dB左右，能否有效保证对光纤端面光反射或光反馈的抑制能力四是双包层光纤熔接接点再涂覆エ艺问题，一般合束器输出无源双包层咣纤与有源双包层光纤需要熔接对剥覆后的接点需要专门的高成本涂覆机进行再涂覆保护，涂覆エ艺质量好坏直接会影响泵浦耦合效率(均匀一致性差、不匹配的接点涂覆效果导致泵浦光泄露)至少约30%泵浦光进不了有源双包层光纤内包层，也影响光纤机械性能

实用新型内嫆本实用新型的目的在于解决上述ASE光源存在的问题，提出多段级联式1064nm波段高功率ASE光源本实用新型采用多段级联式结构，采用多模包层泵浦技术用泵浦波长80(Tll00nm附近的半导体泵浦激光器，包层抽运高掺杂镱离子(Yb3+)有源双包层光纤(YDF )泵浦光通过合束器耦合进入YDF内包层，穿越YDF纤芯吋Yb3+离子吸收泵浦光在其作用下从基态能级跃迁到高能级，随着泵浦功率增强自发辐射粒子数逐渐增加并实现反转，单个粒子独立的自发輻射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射即产生较高功率输出1000 1150nm波段的放大自发辐射(ASE)光。[0007]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现多段级联式1064nm波段高功率ASE光源其包括η段级联结构，每一段级联结构均包括顺次连接的有源合束器、有源双包层光纤(YDF)和光隔离器，第i段级联結构的光隔离器输出端与第i+Ι段级联结构的有源合束器输入端相连；第i段级联结构包括第i级有源合束器、第i段有源双包层光纤(YDF)和第i个光隔離器i为级联结构所在段的序号；第η段级联结构中，有源双包层光纤与光隔离器之间连接有一个包层模滤除器；第11个光隔离器的输出端為所述ASE光源输出端，第一级有源合束器输入端与第η+1个光隔离器输入端相连第η+1个光隔离器输出端与功能型多模光纤相连；所述有源双包层光纤为掺镱光纤。上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中还包括半 导体泵浦激光器，采用多模耦合器将半导体泵浦激光器的输出功率分為η部分，将这η份泵浦光的输出尾纤分别与η级有源合束器的泵浦输入光纤相连分别为η段有源双包层光纤提供泵浦光能量，第η份泵浦光功率最高。上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中每ー级有源合束器均各自包括无源双包层光纤和泵浦输入光纤，无源双包层光纤与同一級的有源双包层光纤熔接泵浦输入光纤熔融拉锥耦合于同一级有源双包层光纤内包层上面。 上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中所述半導体泵浦激光器输出波长为800 lOOOnm，输出功率大于1W输出尾纤纤芯直径为105 200 μ m，包层直径为125 220 μ m数值孔径为O. 12 O. 22。上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中所述有源双包层光纤纤芯直径为7 20 μ m，内包层直径为125 200 μ m,纤芯数值孔径为O. 08 O. 20 ;所述有源双包层光纤长度为3 15米上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中，所述功能型多模光纤(16)为具有滤光与減反的多模光纤其光纤端面研磨并镀减反射膜；多模光纤中间部位拉锥至锥区直径为10 100 μ m,将锥区涂覆高折射率UV胶并封装；所述多模光纤纤芯直径为50 200 μ m，包层直径为125 220 μ m数值孔径为O. 12 O. 22。上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中所述包层模滤除器(13)由有源双包层光纤一端与无源单包层光纤一端进行熔接构成，接点裸纤区域涂覆有高折射率UV胶上述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源中，所述2彡η彡7所述半导体泵浦激光器输出功率，按ー定比例分为功率相等或不等的η部分，保障各级泵浦功率的合理分配与充分利用，第η份泵浦功率最高以作为第η级——功放级抽运能量用。本实用新型与现有技术相比较，具有以下几个主要的优点ω本实用新型采用多级级联式结构来抑制激光产生，将每ー级前向ASE光作为下ー级信号光进行放大逐步产生高功率ASE光输出。避免单级结构中YDF增益过高依赖单纯地增加泵浦咣功率，非常容易自激振荡的缺点(2)本实用新型中将半导体泵浦激光器的输出功率按一定比例分为η部分，合理分配与充分利用泵浦功率对η段YDF进行分段抽运，有效地降低了半导体泵浦激光器的使用成本[0020](35本实用新型采用有源合束器，直接将泵浦输入光纤熔融拉锥耦合于有源双包层光纤内包层上面简化工艺，避免了传统合束器エ艺中的无源方式即其输出端为无源双包层光纤，然后与有源双包层光纤熔接楿连对剥覆后的接点需要进行繁琐的再涂覆エ序，且涂覆エ艺难以掌握(4)本实用新型采用特殊有效的端面反射抑制措施，即非输出端熔接一段具有滤光与減反的功能型多模光纤不仅抑制光纤端面光反射，而且滤除无用途ASE光降低光纤端面光损伤效应，可以大幅度提高ASE输絀功率水平(5)本实用新型输出端方向接入一包层模滤除器，利用接点区域高折射率UV胶形成“反向”波导结构结合“蛇形 ”槽弯曲光纤的方式，有效地滤除残余包层泵浦光能量避免其破坏效应。(6)本实用新型实现具有高达IW以上输出功率ASE光覆盖103(Tl090nm波段，光谱平坦度较好输出咣功率稳定性良好。

图I是多段级联式1064nm波段高功率ASE光源有源合束器结构示意图图2是有源合束器结构示意图。图3是泵浦激光器分光比例示意圖图4是功能型多模光纤结构示意图。图5是包层模滤除器结构示意图图6是本实用新型实施例所输出的ASE光谱图。

具体实施方式 下面结合具體的实施事例及附图对本实用新型作进ー步的说明阐释，但不限于该实施方式 如图I所示，多段级联式1064nm波段高功率ASE光源其包括η段级联结构，每ー段级联结构均包括顺次连接的有源合束器1、5、9、有源双包层光纤2、6、10和光隔离器4、8、12，第一段级联结构的光隔离器输出端与苐二段级联结构的有源合束器输入端相连；第一段级联结构包括第一级有源合束器I、第一段有源双包层光纤2和第一个光隔离器4第η段级联结构中，第η段有源双包层光纤10与第η个光隔离器12之间连接有ー个包层模滤除器13 ;第一级有源合束器输入端与第η+1个光隔离器14输入端相连，第η+1个光隔离器14输出端与功能型多模光纤16相连本实施例中ASE光源光路装置有三级结构级联，由有源合束器1、5、9有源双包层光纤(￥0 )2、6、10，光隔离器4、8、12、14包层模滤除器13、功能型多模光纤16、半导体泵浦激光器17组成。第一级有源合束器I输出端直接连有第一段有源双包层光纤2,苐一段有源双包层光纤2另一端与第一个光隔离器4输入端相连,第一个光隔离器4输出端与第ニ级有源合束器5输入端相连；第二级有源合束器5输絀端直接连有第二段有源双包层光纤(YDF) 6,第二段有源双包层光纤6另一端与第二个光隔离器8输入端相连,第二个光隔离器8输出端与第三级有源合束器输入端相连第三级有源合束器输出端直接连有第三段有源双包层光纤，第三段有源双包层光纤另一端与包层模滤除器13输入端相连包層模滤除器13输出端与第三个光隔离器12输入端相连，第三个光隔离器输出端作为ASE光源输出端第一级有源合束器I输入端与第四个光隔离器输叺端相连，第四个光隔离器输出端与功能型多模光纤16相连本实施例中YDF纤芯直径为10. Oym,内包层直径为127. 5 μ m(形状为八边形)，纤芯数值孔径为O. 08选取仩述类型的三段YDF使用长度分别约为6米、4米、7米。最终输出ASE光谱谱形依赖于第一级输出ASE光谱情況第一级选择YDF使用长度6米略长，作为第一级笁作介质保证产生光谱谱形平坦的ASE光再进入下一级进行放大。作为进一歩优选实例本实施例中半导体泵浦激光器17。所述多段级联结构嘚级数η彡7所述YDF纤芯直径为7 20 μ m，内包层直径为125 200 μ m内包层形状为异型(如六边形、八边形、D形等)，纤芯数值孔径为O. 08 O. 20所述第一段YDF使用长度為

光吸收系数大于O. 5dB/m。所述η只有源合束器基于熔融拉锥エ艺拉制，其类型为(m+1) XIm (泵浦端ロ数)彡I (如(1+1) Xl、(2+1) Xl、(6+1) X I等)，有源合束器的输入无源双包层光纤纖芯直径为7 20 μ m,内包层直径为125 200 μ m泵浦输入光纤为多模光纤,其纤芯直径为105 200 μ m，包层直径为125 220 μ m数值孔径为O. 22。如图2所示本实用新型所使用的囿源合束器1，由输入无源双包层光纤15、泵浦输入光纤3与输出有源双包层光纤2组成首先将两根泵浦输入光纤3进行剥覆、清洁处理后，単独對其预拉至耦合区直径约25 μ m ;然后将有源双包层光纤2 —端与无源双包层光纤15 —端熔接在靠近有源双包层光纤2的方向，离接头约15_位置处剥纤；最后将预拉后的两根泵浦输入光纤3的耦合区紧贴在有源双包层光纤的上述剥纤部位进行熔融拉锥操作，拉制出(2+1) Xl有源合束器实施例中YDF 2咣学參数为纤芯直径10. Oym,内包层直径127.5μπι (形状为八边形)，纤芯数值孔径为O. 08有源合束器的输入无源双包层光纤15，其光学參数为纤芯直径10. O μ m内包层直径125. Oym,纤芯数值孔径为O. 08。有源合束器泵浦输入光纤3为多模光纤105/125 O. 22NA其纤芯直径为105 μ m，包层直径为125 μ m数值孔径为O. 22。如图3所示本实施例中半导体泵浦激光器17，用多模耦合器进行分光按一定比例将其输出泵浦功率分为15%、25%、60%功率不等的三部分，保障各级泵浦功率的合理分配与充分利用避免增加泵浦功率过激引起自激振荡问题而产生激光输出；将三份泵浦光输出尾纤分别与三只合束器的泵浦输入光纤3、7、11相连，分别为三段YDF 2、6、10提供泵浦抽运能量本实施例中泵浦激光器17參数为波长915nm，输出功率IOW可调输出尾纤为多模光纤105/125 O. 22NA。采用上述多级级联结构鉯抑制激光的产生保证高功率ASE光输出。本实用新型所使用的功能型多模光纤16具有滤光与減反的功能，其一端穿入陶瓷插芯中并注胶固萣将光纤端面研磨成8°倾斜角，并镀有减反射膜。对多模光纤中间部位剥覆进行拉锥处理直至锥区直径10 100 μ m为止，将其锥区涂覆高折射率UV膠并封装于一开槽招块中所述多模光纤纤芯直径为50 200 μ m,包层直径为125 220 μ m,数值孔径为O. 12 O. 22。如图4所示是ー集成滤光功能装置18与减反功能装置19的光器件。将多模光纤16的一端穿入陶瓷插芯中并注胶固定将光纤端面研磨成8°倾斜角，并光纤端面镀有减反射膜，用于抑制端面光反射将多模光纤16中间位置剥纤20mm,置于火头上拉锥至锥区直径约20 μ m停止，将其锥区涂覆高折射率UV胶并用ー开槽铝块封装散热，由于破坏光 纤的全反射導光原理滤除部分没有用途的ASE光，降低对光纤端面的光损伤效应所述功能型多模光纤16可以大幅度地提高ASE输出功率水平，不会产生自激現象本实施例中的多模光纤16为105/125 O. 22NA。如图5所示本实用新型所使用的包层模滤除器13由有源双包层光纤10 (输入端)、无源单包层光纤20 (输出端)组成。夲实施例中有源双包层光纤10剥纤长度约10mm无源单包层光纤20剥纤长度约25mm，两者进行熔接将接点裸纤区域涂覆高折射率UV胶并封装、固化于ー開“蛇形”槽铝块中。高折射率UV胶与包层玻璃形成“反向”波导结构进ー步结合“蛇形”槽弯曲光纤的方式，保证当内包层的泵浦光完荿抽运作用后有效地滤除残余包层泵浦光，避免其对输出光纤、光器件的损坏如图6所不,本实用新型实施例输出ASE光,经过30dB光f禹合器分光后尛端ロ扫描的光谱图結果，IOdB光谱宽度约为60nm覆盖103(Tl090nm波段，其ASE输出功率高达1W输出光功率稳定性与光谱波形稳定性良好。本实用新型中多级级聯用的YDF不仅适用于同一类型YDF的级联也适用于其它大芯径YDF以及不同掺杂浓度、不同光学參数、不同长度的YDF之间的级联组合。如上所述能夠较好的实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例并非用于限定其实施范围。

1.多段级联式1064nm波段高功率ASE光源其特征在於包括n段级联结构，每一段级联结构均包括顺次连接的有源合束器、有源双包层光纤和光隔离器第i段级联结构的光隔离器输出端与第i+1段級联结构的有源合束器输入端相连；第i段级联结构包括第i级有源合束器、第i段有源双包层光纤和第i个光隔离器，i为级联结构所在段的序号；第n段级联结构中有源双包层光纤与光隔离器之间连接有一个包层模滤除器;第n个光隔离器的输出端为所述ASE光源输出端，第一级有源合束器输入端与第n+1个光隔离器输入端相连第n+1个光隔离器输出端与功能型多模光纤相连；所述有源双包层光纤为掺镱光纤。

2.根据权利要求I所述哆段级联式1064nm波段高功率ASE光源其特征在于还包括半导体泵浦激光器，采用多模耦合器将半导体泵浦激光器的输出功率分为n部分将这n份泵浦光的输出尾纤分别与n级有源合束器的泵浦输入光纤相连，第n份泵浦光功率最高

3.根据权利要求2所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，其特征茬于每ー级有源合束器均各自包括无源双包层光纤和泵浦输入光纤无源双包层光纤与同一级的有源双包层光纤熔接，泵浦输入光纤熔融拉锥耦合于同一级有源双包层光纤内包层上面

4.根据权利要求2所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，其特征在于所述半导体泵浦激光器输出波長为800 lOOOnm输出功率大于1W，输出尾纤纤芯直径为105 200iim包层直径为125 220iim，数值孔径为0. 12 0. 22

5.根据权利要求I所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，其特征在于所述囿源双包层光纤纤芯直径为7 20 ii m,内包层直径为125 200 u m,纤芯数值孔径为0. 08 0.20 ;所述有源双包层光纤长度为3 15米

6.根据权利要求I所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，其特征在于所述功能型多模光纤为具有滤光与減反的多模光纤其光纤端面研磨并镀减反射膜；多模光纤中间部位拉锥至锥区直径为10 100 u m,将锥區涂覆高折射率UV胶并封装；所述多模光纤纤芯直径为50 200iim，包层直径为125 220 ym数值孔径为0. 12 0. 22。

7.根据权利要求I所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源其特征茬于所述包层模滤除器由有源双包层光纤一端与无源单包层光纤一端进行熔接构成，接点裸纤区域涂覆有高折射率UV胶

8.根据权利要求I 7任一項所述多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，其特征在于所述2彡n彡7

本实用新型提供多段级联式1064nm波段高功率ASE光源，所述ASE光源包括有源合束器、光隔離器、有源双包层光纤、包层模滤除器、功能型多模光纤、半导体泵浦激光器等组成其特点是采用n段级联式结构组成，将半导体泵浦激咣器的输出功率按一定比例分为n部分分别抽运n段YDF，保障各级泵浦功率的合理分配与充分利用；采用有源合束器简化工艺避免传统合束器使用中需要进行繁琐的熔接、再涂覆工序；采用的功能型多模光纤，可以抑制光纤端面光反射与降低光纤端面光损伤效应；此外采用嘚包层模滤除器，能有效地滤除残余包层泵浦光避免其破坏效应。总之本实用新型可有效地抑制激光的产生，保证高功率ASE光输出

姜Φ宏, 张勤远, 徐善辉, 杨中民, 杨昌盛, 邱建荣 申请人:华南理工大学