CN112213813A - 一种超宽带高增益的多芯光纤光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带高增益的多芯光纤光源。其采用多个多模泵浦激光器在多种掺杂的多芯双包层光纤中产生宽谱的自发辐射谱，然后通过合束与拉锥耦合，最后通过一根光纤输出整个高亮度和超宽带的光谱。本发明通过多芯多掺杂光纤实现集成式并行放大，最终得到一种高亮度、超宽带和谱线平坦的低发散性光纤光源。

Description

一种超宽带高增益的多芯光纤光源

(一)技术领域

本发明涉及宽带通信传输光纤放大器和传感应用的宽带光源领域。

(二)背景技术

光纤通信的传输容量一直在持续提高，波分复用是扩展通信容量的主要途径之一。但是应用到通信***中，由于掺铒光纤的光谱特性，只能放大C带和部分L带，导致目前的通信***主要的波长只使用了C带，L带和1310nm单波长。

光纤传感近年来发展很快，从光栅式到干涉式等各种传感器在安全保障领域和智能***领域发挥了巨大作用。但是光纤传感离不开光源，尤其是新种类的传感器构建、研究中离不开宽带高亮度的光纤光源。

在科学研究中，光谱学测量是一种重要的手段，例如吸收光谱测试是物理学上的一种重要研究手段。光谱学测量中重要的一个工具就是光源，现有光源如卤钨灯，SLED光源，汞灯，高压钠灯，超连续谱光源等。

上述光源中，有的谱线很宽，但价格昂贵，如超连续谱光源。有的价格便宜，但是输出亮度低，光强弱，光线发散，难以耦合到光纤中，如高压钠灯。光纤光源存在输出稳定性好，价格适中等优点。但是，目前的光源的宽度和亮度存在不足。掺铋光纤作为一种新的发光介质，其荧光发射谱非常宽，覆盖从1100nm-1600nm范围。但是掺铋光纤非常容易发生浓度淬灭，导致其在输出亮度上严重不足。

专利CN101719621A中公开了一种大功率多波段多芯光纤激光器，其特点是在一种多芯多掺杂的光纤两端加载光纤反射光栅或者在该光纤端面上镀高反射率膜，使其形成一个光纤谐振腔，增加泵浦光的泵浦效率。该专利没有对输出光谱的平坦度进行调节。

专利CN101771233A中公开了一种大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，其特点是该光纤由多层不同掺杂的材料组成，在不同层实现不同稀土离子的激发。另外在光纤两端加载有针对泵浦光的光纤光栅或光纤端面反射膜，实现提高泵浦效率的功能，但是其没有针对输出光谱平坦度进行调节，在结构上只是多层多掺杂光纤，没有考虑到不同掺杂层之间光束合束的问题。

专利CN104035166A中公开了一种基于多芯光纤的高功率激光合束器。该专利实现了多路激光信号的合束功能，与本专利相比不存在多种材料掺杂，实现的功能为将多芯光纤中的多路光束进行合束，得到一个高功率的输出光束，对于输出光谱则没有相应的调节与处理。

专利CN203480085U公开了一种光纤激光合束器，该激光合束器仅实现了多根光纤的拉锥合束，没有涉及到多芯有源掺杂光纤以及超宽带光谱输出。

专利CN205122987U公开了一种多芯光纤激光器，该激光器由NX1的光纤泵浦耦合器、多芯有源光纤，多芯光纤光栅组成。从机理上看，该器件的多芯有源光纤没有涉及到多种稀土离子掺杂，泵浦光的合束由光纤拉锥实现。输出光纤呈现多芯形式，没有解决多芯光纤合束的关键问题。

专利CN103682961A公开了一种超宽带光纤光源***以及光纤光源实现方法，该专利通过掺铒和掺铋的有源光纤进行合束，得到了宽带的超荧光光源。由于其存在两套有源光纤泵浦结构，其器件集成度不足，并且其没有针对光谱平坦度进行设计。

专利CN200320112294.4公开了一种光纤超宽带光源，它包括光纤、半导体激光器、光隔离器、掺铒光纤、反射器、波分复用耦合器。从结构上来说，该专利利用前向泵浦和后向泵浦以及反射镜增加了泵浦效率。输出光谱的平坦范围为65nm。

专利CN201310560042.6公开了一种基于铒铥钕共掺的超宽带光源，该专利中的光纤由铒铥钕三种稀土元素共同掺杂制备，通过泵浦光的激发，产生基于自发辐射的超宽带输出光波，波长范围为1280nm-1625nm，其没有针对光谱平坦做出相应设计，结构上也只具有单个光纤纤芯。

专利CN201680037135.2公开了一种采用超连续谱技术实现宽带光源的技术方案。其主要用超短脉冲激光器在高非线性微结构光纤中通过非线性效应产生超宽带光谱，并通过光纤组件将超宽带光谱输出。这个专利不涉及掺杂技术方案和多芯光纤技术方案，因为其光源的产生依赖的是非线性效应而不是电子跃迁。

专利CN201280006872.8公开了一种采用超连续谱技术实现宽带光源的技术方案。其主要用超短脉冲激光器在高非线性光纤中产生超连续谱，且在每个高非线性光纤中带有环回光路，最后通过多路光路输出超宽带光谱。这个专利也不涉及掺杂技术方案和多芯光纤技术方案。

宽带高增益的光源是一个强有力的科研工具，在科研和传感领域应用广泛。综上所述，超连续谱、SLED、单芯的宽带光源和多芯激光光源都可以应用，但是成本、技术方法各不相同。采用多芯光纤，以低成本的方式实现一种超宽带高增益的光源还存在多种技术问题没有研究透彻。

(三)发明内容

本发明的目的是制造一种超宽带高增益的多芯光纤光源，其采用多个纤芯设计，每个纤芯共掺杂氧化物是Bi₂O₃/ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃/Er₂O₃中的一种或几种。其中铒铋镱共掺杂的二氧化硅光纤，采用830nm泵浦，小信号增益带宽非常宽，达到了490nm(1100nm-1590nm)，但是增益非常小，谱线强度只有-60dBm/nm左右，即1nW/nm左右。而SLED光源的谱线强度可以达到0.1mW/nm左右，超连续谱光源的谱线强度可以达到5mW/nm。超连续谱的谱线平坦度一般测试结果在8dB左右。而SLED的谱线平坦度一般测试结果在3dB左右。而科学研究和传感领域更希望得到一种增益平坦型光源。铒铋镱共掺杂光纤增益较小，最主要的原因是铋掺杂的浓度分布导致的淬灭现象。而且，随铋掺杂浓度的增大，光纤本身损耗也非常大，导致光谱增益更低和更不平坦。因此，我们设计多个纤芯分别掺杂Bi₂O₃/ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃/Er₂O₃中的一种或几种，形成集成式并行放大，以便提高增益，最终目的是为了使输出的光谱增益和平坦度更好。在掺杂的多芯光纤中不同的纤芯的浓度设计有差别，同时我们采用多个泵浦组合优化技术，使得每个纤芯的输出光谱的中心波长进行红移或蓝移，这样，组合多个纤芯并行放大的光源除了增益更大外，谱线还更平坦。这里，我们选择的泵浦源包括976nm泵浦，830nm泵浦，1480nm泵浦等。采用Bi₂O₃/ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃/Er₂O₃的原因是单个发射中心不可能实现几百个纳米宽度的荧光谱。这里，我们必须掺铋，也必须掺铒，因为这两个元素是我们形成多个发射中心的基础。正是因为存在多个发射中心，同时也存在晶体场诱导铒能级发生***，产生新的小能级结构。多种多态和多种发射中心共同作用下形成的宽谱发射，是我们超宽带光源的基础。

多芯光纤中的纤芯因为共用一个包层，因此，其必然存在串扰现象。对于宽谱光源，为防止其它纤芯的光串扰到相邻纤芯中形成受激辐射，因此需要设计光纤的结构减少串扰。为解决这个问题，我们提出基于超模理论的模型，分析光纤纤芯的传输常数与光纤串扰之间的关系。

A_j代表j阶超模的幅值。

P_core-n代表第n个纤芯的传输光功率，第n个纤芯的面积是S_core-n。β_j代表j阶超模的传输常数，φ_j代表j阶超模的初始相位。

XT就是串扰值，其定义为第m个纤芯的信号功率传输到第n个纤芯的比值。纤芯的传输常数与光纤串扰存在特定关系。因此，我们首先用超模理论分析光纤最小串扰时的传输常数，然后再设计光纤结构和稀土掺杂等组份配方，使其纤芯之间的串扰系数小于-45dB/100m。

根据设计，满足串扰性能的多芯光纤的纤芯数量可以是7个到37个中的任意数值，前提条件是相邻两个纤芯的间距必须不小于30μm。

在多芯掺杂稀土光纤制造方面，首先将掺杂稀土光纤采用MCVD工艺进行制备，完成后测试预制棒折射率和稀土离子浓度。预制棒外径进行打磨加工，以达到设计的纤芯的间距。将多个掺杂稀土预制棒进行堆叠后，放进纯石英套管(折射率为1.4571)内，间隙处填充石英玻璃丝。将做好的预制棒安装在拉丝塔上进行拉丝，涂覆材料改成低折射率涂料(折射率小于1.40)，采用光固化工艺，制得双包层掺杂稀土多芯光纤。

多个泵浦源包括976nm泵浦，830nm泵浦，1480nm泵浦等用扇入合束器将多个波长激光能量合束到一根光纤。此光纤与双包层掺杂稀土多芯光纤进行熔接。熔接处后涂覆低折射率涂料。由于多模泵浦激光总在石英纤芯里传输，在低折射率涂料界面处发生全反射，因此与双包层掺杂稀土多芯光纤进行熔接的光纤可以是纯二氧化硅(也可称为无芯光纤)，无需做任何掺杂。此时，能量经过包层界面多次反射被多个纤芯吸收。由于采用本设计的纤芯间距较小且密集，因此光纤纤芯和泵浦的能量耦合截面非常大，因此泵浦效率较普通单个纤芯的双包层光纤的吸收系数更大。这样有利于稀土发射谱的展宽。普通的双包层光纤通常需要将石英包层加工成非对称形状以便加大泵浦吸收，但是本发明因为采用密集纤芯的排列设计，本身就可以实现泵浦的强烈吸收，因此，无需采用石英包层的机械打磨加工。采用本发明的设计也降低了制作难度与成本。

本发明设计的剖面结构和纤芯间距需要考虑模场直径和串扰的关系。因为本发明是利用集成式并行放大概念。不同纤芯掺杂的稀土不同。串扰可能导致某一个纤芯的信号进入另外一个纤芯中形成受激辐射，就会造成光谱的极其不平坦。

多个纤芯通过一个特殊设计的锥形光纤进行模式转换，将多个单独的LP01模式转换输出为一个近高斯光束。该多芯光纤的结构可以与双包层掺杂稀土多芯光纤存在差异。具体差异就是锥形光纤输入端的模场直径大于双包层掺杂稀土多芯光纤，且存在串扰。在短距离里，如1cm内，锥形光纤输入端的光斑是独立的，每个纤芯光能量都是高斯分布。在锥形光纤输出端的光斑是一个大光斑，其中心有最高的光能量，沿半径增大方向能量逐渐减弱，但是在r＝15mm左右存在一个小峰，接着随半径增大迅速减小。这表明锥形光纤输出端存在一定的高阶模式，因此我们采用一个多模光纤作为耦合输出端是合适的。

根据仿真，这个近高斯光束形成稳定的多模态传输。当波长范围在1000nm到1650nm范围内时，锥形光纤都可以形成稳定的多模态传输。因此，输出光纤可以采用一根多模光纤与锥形光纤熔接，其熔接损耗不大于0.5dB。因此，这个器件具有无色低耦合损耗特性。

在锥形光纤的合适的锥面切割后，和一根多模光纤进行熔接，输出光谱将保持近高斯光束在光纤中传输。其它光源大多数是高发散性光源，其亮度(单位面积的能量密度)较小，本发明的光源是一种低发散性光源，且通过多芯掺杂光纤的实现集成式并行放大，最终得到一个高亮度和宽带谱线平坦的光源。

(四)附图说明

图1是19芯双包层掺杂稀土光纤示意图。

图2是37芯双包层掺杂稀土光纤示意图。

图3是超宽带多芯光纤光源方案。其中1是泵浦激光器。2是泵浦输入端口。3是双包层扇入合束器。4是融合拉锥后的扇入合束器的无芯部分，外层涂覆的是低折射率涂层。5是双包层掺杂稀土多芯光纤的石英部分。6是低折射率涂层。7是锥形光纤。8是输出光纤。

图4是一个多芯双包层掺杂稀土光纤输出端面处的光斑图(纤芯的间隔为30μm，个数为7个)，多个纤芯的能量是局域在多个纤芯里，没有明显串扰。

图5是锥形光纤的输出端的光斑图，多个纤芯的能量耦合成了一个近似高斯光束。

图6是锥形光纤的输出端的能量分布图，表明拉锥后的光纤输出了一个近似高斯分布的稳定能量场。

(五)具体实施方式

以下进一步详细说明的实施例。

一个19芯宽带高增益光纤光源方案。其包含19根采用MCVD制作的纤芯，每个纤芯掺杂的是Bi₂O₃/Er₂O₃和其它氧化物ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃的中一种或几种。3个波长(976nm，830nm，1480nm)的多模泵浦通过双包层扇入合束器耦合到19芯双包层掺稀土光纤内，多个纤芯的光谱通过一个特殊设计的锥形光纤进行模式转换，最终通过一根多模光纤耦合输出。

一个37芯宽带高增益光纤光源方案。其包含37根采用MCVD制作的纤芯，每个纤芯掺杂的是Bi₂O₃/Er₂O₃和其它氧化物ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃的中一种或几种。3个波长的7枚多模泵浦通过双包层扇入合束器耦合到37芯双包层掺稀土光纤内，多个纤芯的光谱通过一个特殊设计的锥形光纤进行模式转换，最终通过一根多模光纤耦合输出。其中掺Bi的纤芯数量是掺Er纤芯数量的6倍，主要是掺铋光纤的单个增益较小，采用集成并行放大方式，可以得到高增益的宽带发射谱。

以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物所限。

Claims (7)

1.一种超宽带高增益的多芯光纤光源，其包括多个泵浦激光源、多模合束器、多芯双包层掺稀土光纤、锥形光纤和输出光纤等。

2.如权利要求1所述的多芯双包层掺稀土光纤，其有多个纤芯，每个纤芯中的共掺杂氧化物是Bi₂O₃/ZrO₂/SbO₂/GeO₂/Al₂O₃/La₂O₃/Er₂O₃其中一种或几种，不同纤芯的掺杂浓度存在变化。

3.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：光纤的纤芯个数是7～37个，且纤芯之间的串扰系数小于-45dB/100m。

4.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：多个多模泵浦通过扇入合束器的共同包层泵到多芯双包层掺稀土光纤，实现集成式并行放大。

5.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：扇入合束器光纤可以是无芯光纤，但是外层必须是低折射率涂料涂覆。

6.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：多个纤芯独立的光谱通过一个特殊设计的锥形光纤进行模式转换，输出一个近高斯光束。

7.按权利要求1所述的光纤，其特征在于：拉锥光纤在合适的锥面切割后，与多模光纤熔接，这个器件具有无色低耦合损耗特性。

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