一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，包括制冷器、熱沉、過渡熱沉、熱敏電阻、980nm激光管芯、楔形透鏡、雙透鏡耦合系統(tǒng)、高反射率薄膜、鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖、石英玻璃管、光纖連接器和光隔離器。利用本發(fā)明，使用高摻雜的鉺鐿共摻磷酸鹽光纖，提高了單位長(zhǎng)度光纖的吸收增益，縮短了增益光纖長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了ASE寬帶光源的小型化、集成化。
【專利說明】一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域中有重要作用的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源。
【背景技術(shù)】
[0002]超熒光光纖光源(SFS)較傳統(tǒng)的寬帶光源-超輻射發(fā)光二極管(SLD)有優(yōu)異的輸出性能，包括輸出光功率高、光源的低相干性、輸出譜線寬和較高的溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此成為光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域的重要光源器件，對(duì)其展開進(jìn)一步的研究是很有必要的。
[0003]在光波分復(fù)用器(WDM)應(yīng)用方面，SFS光源主要是提供高功率、窄帶、高穩(wěn)定光信號(hào)以適應(yīng)大容量、長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。在光譜測(cè)量方面，一方面是為光譜儀測(cè)量提供測(cè)試所用的光信號(hào)，另外主要為光纖光柵傳感系統(tǒng)提供光信號(hào)，通過光纖傳感器的反射將所接收的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。光源如能提供高性能的信號(hào)，則有助于提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的性能。
[0004]在研制超熒光光纖光源(SFS)方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得重大突破并形成了成熟的技術(shù)方案，目前主要以摻鉺光纖光源(ED-SFS)為主，光源結(jié)構(gòu)從單程到雙程結(jié)構(gòu)，再到雙極泵浦結(jié)構(gòu)，不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)使的ED-SFS的輸出性能有很大提高，輸出功率高達(dá)數(shù)十毫瓦，譜線寬度達(dá)到30?80nm,溫度穩(wěn)定性達(dá)到十幾個(gè)ppm/°C。
[0005]但對(duì)于普通的摻鉺超熒光光纖光源(ED-SFS)而言，由于光纖的摻鉺濃度較低，導(dǎo)致單位長(zhǎng)度的光纖增益較低，為了保證輸出功率，必須使用較長(zhǎng)的鉺纖(SFS)，往往都在幾米甚至幾十米。這些傳統(tǒng)的EDF器件造價(jià)相對(duì)較貴，并且光纖中非線性效應(yīng)很強(qiáng)，會(huì)影響到SFS的性能。而且由于光纖最小彎曲半徑的限制，不利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化，而光器件低成本、小型化、集成化是當(dāng)前器件發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。
[0006]因此，如何提高光纖單位長(zhǎng)度增益、縮小SFS光源體積成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)，從980nm的泵浦激光器尾纖出來的光需要高效地耦合進(jìn)增益光纖中，傳統(tǒng)采用光纖熔接耦合的方法在工藝上較為復(fù)雜，耦合效率低。另外，由于SFS光源中980nm的泵浦光經(jīng)過摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)放大自發(fā)輻射(ASE)之后產(chǎn)生1550nm附近的光會(huì)在光纖中雙向傳輸，因此需要在光源的光路中加入反射鏡，形成雙程結(jié)構(gòu)，使得光單向輸出，保持光源的穩(wěn)定性。
[0007]目前普遍的光源中都是通過在光纖端面鍍反射膜，但是由于光纖的直徑太小，一般纖芯直徑為幾個(gè)微米，使得端面鍍膜工藝的難度加大，若端面不平或鍍膜表面不平會(huì)影響到輸出功率和光源的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問題，本發(fā)明提出了一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源(EYD-SFS)，主要利用高摻雜的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖(EYPF)作為增益光纖，大大提高了單位光纖長(zhǎng)度的吸收增益，使增益介質(zhì)光纖長(zhǎng)度縮短到了 I?1.2cm，從而縮小了 ASE光源的體積。另外，光源結(jié)構(gòu)中采用雙透鏡耦合系統(tǒng)將泵浦光耦合進(jìn)增益光纖中，制作工藝簡(jiǎn)單化的同時(shí)也提高了光的耦合效率。最后，光源中采用了即在雙透鏡耦合系統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡的后鏡面上鍍反射膜(對(duì)1550nm附近的光有較高的反射，對(duì)980nm附近的光有很高的透射率)來實(shí)現(xiàn)雙程前向(DPF)光源結(jié)構(gòu)。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0012]一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，包括:
[0013]制冷器1，焊接在該光源的管殼內(nèi)，用于對(duì)該光源的980nm激光器管芯5和鉺鐿共摻光纖9進(jìn)行控溫；
[0014]熱沉2，焊接在制冷器I上，起到散熱的作用；
[0015]過渡熱沉3，焊接在熱沉2的一部分上；
[0016]熱敏電阻4，焊接在過渡熱沉3上，用于控制制冷電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷器I溫度的精確控制；
[0017]980nm激光管芯5，焊接在過渡熱沉3上，用于提供980nm的泵浦光；
[0018]楔形透鏡6，制作在光纖靠近激光管芯5的一端上；
[0019]雙透鏡耦合系統(tǒng)7，焊接在熱沉2上，用于將從泵浦激光器尾纖出來的光有效地耦合進(jìn)單模光纖9 ；
[0020]高反射率薄膜8，在雙透鏡耦合系統(tǒng)7中的準(zhǔn)直透鏡上鍍制，用于將自發(fā)放大輻射的1550nm附近的后向輸出光反射后,與前向輸出光一起輸出；
[0021]鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖9，采用石英玻璃將其保護(hù)起來，然后焊接在過渡熱沉3上；
[0022]石英玻璃管10，包在單模光纖9的外面用于保護(hù)單模光纖9，將單模光纖9的溫度通過傳熱反饋給熱敏電阻4;
[0023]光纖連接器11，位于單模光纖9的右端，用于連接單模光纖9和普通石英玻璃光纖，使得1550nm的光能夠高效輸出。
[0024]光隔離器12，設(shè)置于該光源管殼的外部，通過光纖連接器11將其與整個(gè)光源的輸出尾纖連接，用于消除整個(gè)光路中反饋光對(duì)光源的影響。
[0025]上述方案中，所述制冷器I采用銦錫焊工藝焊接在該光源的管殼內(nèi)，其控溫精度在0.2°C以內(nèi)。
[0026]上述方案中，所述熱沉2采用的材料為鎳，采用銦錫焊工藝焊接在制冷器I上，其上焊接有過渡熱沉3。
[0027]上述方案中，所述過渡熱沉3采用的材料為氮化鋁，采用金錫焊工藝焊接在熱沉2的一部分上，該過渡熱沉3上焊接熱敏電阻4、980nm激光管芯5和用石英玻璃管10保護(hù)的單模光纖9，并用于980nm激光管芯5和單模光纖9的散熱。
[0028]上述方案中，所述熱敏電阻4采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉3上。
[0029]上述方案中，所述980nm激光管芯5采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉3上。
[0030]上述方案中，所述楔形透鏡6采用光纖研磨工藝制作在光纖靠近激光管芯5的一端上，通過將光纖頭磨成楔形，減小端面的反射，降低光損耗，提高耦合效率。
[0031]上述方案中，所述雙透鏡耦合系統(tǒng)7由一個(gè)準(zhǔn)直透鏡L1和一個(gè)聚焦透鏡L2組成，采用焊錫工藝焊接在熱沉2上。
[0032]上述方案中，所述高反射率薄膜8采用離子束濺射沉積(IBS)法在雙透鏡耦合系統(tǒng)7中的準(zhǔn)直透鏡上鍍制，由Si和SiO2薄膜層交替生長(zhǎng)而成。
[0033]上述方案中，所述鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖9是增益介質(zhì)光纖，利用其中摻雜的Yb3+的能級(jí)對(duì)980nm的光具有強(qiáng)烈的吸收，然后Yb3+通過能量轉(zhuǎn)移將吸收的能量轉(zhuǎn)移給Er3+,最后經(jīng)過Er3+的自發(fā)放大福射的產(chǎn)生1550nm附近的光。
[0034](三)有益效果
[0035]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，具有以下有益效果:
[0036]1、本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超突光光纖光源，使用鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖(EYDF)作為增益光纖，其鉺離子的摻雜濃度提高了 2?3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以能夠很大幅度地提高單位光纖長(zhǎng)度的吸收增益，縮短光纖長(zhǎng)度的同時(shí)還可以保證很好的輸出特性，從而可以將整個(gè)器件集成在一個(gè)很小的管殼中，實(shí)現(xiàn)ASE寬帶光源的小型化、集成化。
[0037]2、本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，使用了熱敏電阻對(duì)鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖(EYDF)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并及時(shí)地將溫度變化反饋給制冷器，再通過制冷器對(duì)增益光纖進(jìn)行溫度調(diào)整和控制，以減小增益光纖的溫度變化，從而降低增益光本征溫度的變化對(duì)其光學(xué)參數(shù)的影響，提高光源的輸出穩(wěn)定性。
[0038]3、本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，利用雙透鏡耦合系統(tǒng)將泵浦光耦合進(jìn)增益光纖，其耦合效率比普通的光纖熔接的耦合效率更高，工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。
[0039]4、本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，利用在雙透鏡耦合系統(tǒng)中準(zhǔn)直透鏡的后鏡面上鍍反射膜的方法來實(shí)現(xiàn)光的雙程前向輸出，提高了泵浦效率和輸出功率。該方法較傳統(tǒng)的光纖端面鍍反射膜的方法更加簡(jiǎn)單實(shí)用，工藝上更加容易實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。
[0041]圖2是本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源中雙透鏡耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0043]圖1示出了本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源的側(cè)視結(jié)構(gòu)圖，該光源包括制冷器1、熱沉2、過渡熱沉3、熱敏電阻4、980nm激光管芯5、楔形透鏡6、雙透鏡耦合系統(tǒng)7、高反射率薄膜8、鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖9、石英玻璃管10、光纖連接器11和光隔離器(ISO) 12，其中:
[0044]制冷器I采用銦錫焊工藝焊接在該光源的管殼內(nèi)，用于對(duì)980nm激光器管芯5和鉺鐿共摻光纖9進(jìn)行控溫，控溫精度可以達(dá)到0.2°C以內(nèi)。
[0045]熱沉2采用的材料為鎳，采用銦錫焊工藝焊接在制冷器I上，起到散熱的作用，其上焊接有過渡熱沉3 ；[0046]過渡熱沉3采用的材料為氮化鋁，采用金錫焊工藝焊接在熱沉2的一部分上，該過渡熱沉3上焊接熱敏電阻4、980nm激光管芯5和用石英玻璃管10保護(hù)的單模光纖9，并用于980nm激光管芯5和單模光纖9的散熱；
[0047]熱敏電阻4，采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉3上，用于控制制冷電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷器I溫度的精確控制；圖1中，兩塊熱敏電阻4分別焊接在激光管芯5和適應(yīng)玻璃管10的后邊，三者均焊接在過度熱沉上，處于同一水平面上，圖1中所示是為了突出顯示熱敏電阻4 ;
[0048]980nm激光管芯5，采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉3上，用于提供980nm的泵浦光;
[0049]楔形透鏡6，采用光纖研磨工藝制作在光纖靠近激光管芯5的一端上，通過將光纖頭磨成楔形，減小端面的反射，降低光損耗，提高耦合效率；
[0050]雙透鏡耦合系統(tǒng)7，由一個(gè)準(zhǔn)直透鏡L1和一個(gè)聚焦透鏡L2組成，如圖2所示，采用焊錫工藝焊接在熱沉2上，用于將從泵浦激光器尾纖出來的光有效地耦合進(jìn)單模光纖9 ；
[0051]高反射率薄膜8，采用離子束濺射沉積(IBS)法在雙透鏡耦合系統(tǒng)7中的準(zhǔn)直透鏡上鍍制，由Si和SiO2薄膜層交替生長(zhǎng)而成，用于將自發(fā)放大輻射的1550nm附近的后向輸出光反射后，與前向輸出光一起輸出；
[0052]鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖9，由于其裸纖很脆，需要用石英玻璃將其保護(hù)起來，然后焊接在過渡熱沉上。該單模光纖9是增益介質(zhì)光纖，利用其中摻雜的Yb3+的能級(jí)對(duì)980nm的光具有強(qiáng)烈的吸收，然后Yb3+通過能量轉(zhuǎn)移將吸收的能量轉(zhuǎn)移給Er3+，最后經(jīng)過Er3+的自發(fā)放大福射的產(chǎn)生1550nm附近的光；
[0053]石英玻璃管10，用于包在單模光纖9的外面保護(hù)單模光纖9，將單模光纖9的溫度通過傳熱反饋給熱敏電阻4;
[0054]光纖連接器11，位于單模光纖9的右端，用于連接單模光纖9和普通石英玻璃光纖，使得1550nm的光能夠高效輸出。
[0055]光隔離器(ISO) 12，設(shè)置于該光源管殼的外部，通過光纖連接器11將其與整個(gè)光源的輸出尾纖連接，用于消除整個(gè)光路中反饋光對(duì)光源的影響(包括引入噪聲、頻率漂移及激光振湯)。
[0056]在本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)例中，所述鉺鐿共摻光纖9的參數(shù)為:Er3+摻雜濃度3.0mol %,Yb3+摻雜濃度5.0mol %，傳播損耗0.04dB/cm,在1535nm處的凈增益5.2dB/cm,熒光壽命
8.1ms,光纖包層直徑125 μ m,纖芯直徑7.4 μ m。
[0057]綜上所述，本實(shí)例提出的一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源(SFS)，使用高摻雜的鉺鐿共摻磷酸鹽光纖(EYPF)，大大提高了單位長(zhǎng)度光纖的吸收增益，縮短了光纖長(zhǎng)度的同時(shí)還可以保證很好的輸出特性。從而實(shí)現(xiàn)了 ASE寬帶光源的小型化、集成化。
[0058]同時(shí)，將增益光纖固定在熱沉上，并用制冷器對(duì)其進(jìn)行控溫，從而避免了光纖的吸收截面和發(fā)射截面隨溫度的變化而變化，進(jìn)而影響到光源輸出中心波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)很好的全溫范圍內(nèi)輸出波形穩(wěn)定的超突光光纖光源(SFS)。
[0059]另外，在本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源中，采用雙透鏡耦合系統(tǒng)對(duì)泵浦光進(jìn)行耦合，提高了泵浦效率。該透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，也便于封裝。
[0060]最后，在本發(fā)明提供的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源中，采用實(shí)現(xiàn)雙程前向(DPF)結(jié)構(gòu)的ASE光源的方法，即在雙透鏡耦合系統(tǒng)中的準(zhǔn)直透鏡上鍍反射膜的方法來實(shí)現(xiàn)光的雙程前向輸出，該反射膜對(duì)一次自發(fā)放大的1550nm附近的后向傳播光反射后沿原路返回，實(shí)現(xiàn)二次放大利用，最后和前向輸出光一起輸出。該方法較普通的鍍反射膜法在工藝上更加容易實(shí)現(xiàn)。
[0061]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，包括: 制冷器(I)，焊接在該光源的管殼內(nèi)，用于對(duì)該光源的980nm激光器管芯(5)和鉺鐿共摻光纖(9)進(jìn)行控溫； 熱沉(2)，焊接在制冷器(I)上，起到散熱的作用； 過渡熱沉(3)，焊接在熱沉(2)的一部分上； 熱敏電阻(4)，焊接在過渡熱沉(3)上，用于控制制冷電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷器(I)溫度的精確控制； 980nm激光管芯(5)，焊接在過渡熱沉(3)上，用于提供980nm的泵浦光； 楔形透鏡(6)，制作在光纖靠近激光管芯(5)的一端上； 雙透鏡耦合系統(tǒng)(7)，焊接在熱沉(2)上，用于將從泵浦激光器尾纖出來的光有效地耦合進(jìn)單模光纖(9)； 高反射率薄膜(8)，在雙透鏡耦合系統(tǒng)(7)中的準(zhǔn)直透鏡上鍍制，用于將自發(fā)放大輻射的1550nm附近的后向輸出光反射后,與前向輸出光一起輸出； 鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖(9)，采用石英玻璃將其保護(hù)起來，然后焊接在過渡熱沉(3)上； 石英玻璃管10，包在單模光纖(9)的外面用于保護(hù)單模光纖(9)，將單模光纖(9)的溫度通過傳熱反饋給熱敏電阻(4)； 光纖連接器(11)，位于單模光纖(9)的右端，用于連接單模光纖(9)和普通石英玻璃光纖，使得1550nm的光能夠高效輸出。 光隔離器(12)，設(shè)置于該光源管殼的外部，通過光纖連接器(11)將其與整個(gè)光源的輸出尾纖連接，用于消除整個(gè)光路中反饋光對(duì)光源的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述制冷器(I)采用銦錫焊工藝焊接在該光源的管殼內(nèi)，其控溫精度在0.2°C以內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述熱沉(2)采用的材料為鎳，采用銦錫焊工藝焊接在制冷器(I)上，其上焊接有過渡熱沉(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述過渡熱沉(3)采用的材料為氮化鋁，采用金錫焊工藝焊接在熱沉(2)的一部分上，該過渡熱沉(3)上焊接熱敏電阻(4)、980nm激光管芯(5)和用石英玻璃管10保護(hù)的單模光纖(9)，并用于980nm激光管芯(5)和單模光纖(9)的散熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述熱敏電阻(4)采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉(3)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述980nm激光管芯(5)采用金錫焊工藝焊接在過渡熱沉(3)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述楔形透鏡(6)采用光纖研磨工藝制作在光纖靠近激光管芯(5)的一端上，通過將光纖頭磨成楔形，減小端面的反射，降低光損耗，提高耦合效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述雙透鏡耦合系統(tǒng)(7)由一個(gè)準(zhǔn)直透鏡L1和一個(gè)聚焦透鏡L2組成，采用焊錫工藝焊接在熱沉(2)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述高反射率薄膜(8)采用離子束濺射沉積(IBS)法在雙透鏡耦合系統(tǒng)(7)中的準(zhǔn)直透鏡上鍍制，由Si和SiO2薄膜層交替生長(zhǎng)而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化的鉺鐿共摻超熒光光纖光源，其特征在于，所述鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃單模光纖(9)是增益介質(zhì)光纖，利用其中摻雜的Yb3+的能級(jí)對(duì)980nm的光具有強(qiáng)烈的吸收，然后Yb3+通過能量轉(zhuǎn)移將吸收的能量轉(zhuǎn)移給Er3+，最后經(jīng)過Er3+的自發(fā)放大輻射的產(chǎn)生1550nm附近 的光。
【文檔編號(hào)】H01S3/067GK103811985SQ201410077521
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】譚滿清, 杜峰, 焦健, 郭小峰, 郭文濤, 孫寧寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所