一种光纤隔离器
阅读说明：本技术 一种光纤隔离器 (Optical fiber isolator ) 是由 任红艳 吴明 周士云 冷雨欣 刘志文 刘家顺 蔡一鸣 周士安 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光纤隔离器,包括放大模块、泵浦耦合模块、隔离模块；该放大模块包括增益光纤,第一准直器；泵浦耦合模块包括第一无源光纤,第二准直器；隔离模块包括第一偏振分光棱镜、法拉第旋光器、1/2玻片、第二偏振分光棱镜、第三准直器,以及第二无源光纤。信号光经过增益光纤在泵浦激励下,被放大,放大光经过隔离模块。该光纤隔离器集成了泵浦反向耦合、放大和隔离功能,其结构减少了光纤合束器无源光纤的使用,减少熔接点,损耗小,提高了系统的集成度和稳定性；同时减少了脉冲激光传输光纤的长度,减小非线性效应,优化了脉冲光纤激光放大特性和放大结构。(The invention relates to an optical fiber isolator which comprises an amplifying module, a pumping coupling module and an isolating module; the amplifying module comprises a gain optical fiber and a first collimator; the pump coupling module comprises a first passive fiber and a second collimator; the isolation module comprises a first polarization beam splitter prism, a Faraday rotator, 1/2 glass slides, a second polarization beam splitter prism, a third collimator and a second passive optical fiber. The signal light is amplified under the pump excitation through the gain fiber, and the amplified light passes through the isolation module. The optical fiber isolator integrates the functions of pump reverse coupling, amplification and isolation, reduces the use of passive optical fibers of an optical fiber combiner, reduces welding points, has low loss and improves the integration level and stability of a system; meanwhile, the length of the pulse laser transmission optical fiber is reduced, the nonlinear effect is reduced, and the laser amplification characteristic and the amplification structure of the pulse optical fiber are optimized.)
技术领域
本发明属于激光器件领域，具体为一种光纤隔离器。
背景技术
在光纤激光振荡或放大系统中，为避免放大后的能量反射回来，造成前级的器件损坏或形成自激振荡，一般采用光纤隔离器进行光学隔离保护，避免后级能量反射回前级。
见图1，目前的光纤激光和放大系统中，一般采用光纤合束器(包层泵浦)或者波分复用器(纤芯泵浦)把泵浦光耦合进入增益光纤进行放大，然后再通过光纤隔离器进行隔离保护。然而，无论是合束器或者波分复用器作为无源光学耦合器件，在制造使用过程中难免引入各种损耗(造成损耗的情况例如：数值孔径变形，端面的不匹配，熔接点损耗，弯曲损耗，工艺的缺陷等)，造成从各臂输入的光功率损失，进而造成光路中损耗较大，且系统比较复杂，集成度低，同时光纤器件之间的多个熔点，增加了系统损耗。
申请号为CN201910098565.0，发明专利名称为具有抑制SBS作用的双向泵浦双包层光纤激光放大器的专利申请文献，公开了一种具有抑制SBS作用的双向泵浦双包层光纤激光放大器，其特征是，包括：激光种子源、放大器单元、第一光纤合束器、第一双包层有源光纤、包层光剥离器、第二双包层有源光纤、第二光纤合束器、光纤端冒和泵浦源；所述激光种子源发射信号光，种子光经由所述放大器单元进入所述第一双包层有源光纤的纤芯，再通过所述包层光剥离器进入所述第二双包层有源光纤纤芯；所述泵浦源发射的泵浦光分别通过所述第一、第二光纤合束器的泵浦端正反向耦合进入所述第一、第二有源光纤的包层，实现双向泵浦；所述双包层有源光纤吸收泵浦光，形成粒子数反转，对信号光提供增益；信号光得到放大，放大后的信号光经由所述第二光纤合束器的信号端和所述光纤端冒输出。缺点为光路中光纤器件较多，系统结构仍然复杂，器件两端都有较长尾纤，造成脉冲激光的传输距离较长，容易引起非线性效应，限制脉冲放大。
因此，亟需一种光纤隔离器来解决上述存在的光纤器件多，熔点多，损耗大、造成系统结构复杂，集成度低的问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种光纤隔离器，通过放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块，该光纤隔离器集成了泵浦反向耦合、放大和隔离功能，相对于现有技术减少了光纤合束器、无源光纤的使用，从而达到减少熔接点，降低损耗，提高系统的集成度和稳定性的有益效果，进而解决现有技术中的光纤器件较多、熔点多、损耗大、系统结构复杂及集成度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种光纤隔离器，该光纤隔离器包括放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块，用于泵浦耦合，脉冲激光放大和隔离保护；所述放大模块包括增益光纤和第一准直器，所述第一准直器的输入端与所述增益光纤连接；所述泵浦耦合模块包括无源光纤和第二准直器，所述第二准直器输入端与所述无源光纤连接；所述隔离模块包括第一偏振分光棱镜、法拉第旋光器、1/2玻片、第二偏振分光棱镜和第三准直器；所述第一偏振分光棱镜、所述第二偏振分光棱镜分别位于所述法拉第旋光器的两端，所述1/2玻片位于所述法拉第旋光器和所述第二偏振分光棱镜之间。其中，第一偏振分光棱镜、法拉第旋光器、1/2玻片、第二偏振分光棱镜和第三准直器是依次按顺序设置的。
进一步地，所述增益光纤连接所述第一准直器，信号光通过所述第一偏振分光棱镜进入所述隔离模块。
进一步地，通过所述增益光纤的信号光空间直接进入隔离模块。
进一步地，通过所述第二准直器的泵浦光入射所述第二偏振分光棱镜后被反射，再依次通过所述1/2玻片、所述法拉第旋光器和所述第一偏振分光棱镜，反向耦合进入所述增益光纤,用于光纤激光器系统中间，适用于保偏纤芯泵浦放大的方式，起到耦合泵浦，放大，隔离的作用。
进一步地，所述泵浦耦合模块还包括双色镜片，所述双色镜片设置在所述放大模块和隔离模块之间，泵浦光依次通过所述第二准直器、所述双色镜片和所述第一准直器，反向耦合进入所述增益光纤。
进一步地，所述增益光纤连接所述第一准直器，信号光通过所述双色镜片进入所述隔离模块。
进一步地，所述法拉第旋光器把反射光的偏振方向相对于入射光旋转45°。
进一步地，所述1/2玻片使光的偏振方向旋转成所述第二偏振分光棱镜可以通过的偏振方向。
进一步地，所述光纤隔离器的输出为光纤输出,所述第三准直器输出端连接第二无源光纤，信号光通过放大模块、在泵浦耦合模块的泵浦激励下被放大，经第三准直器连接的第二无源光纤输出。
进一步地，所述光纤隔离器的输出为空间输出，信号光经第三准直器准直输出。
进一步地，所述空间输出为准直扩束输出，所述第三准直器的输出端连接有集成扩束镜，信号光经第三准直器连接的扩束镜输出，实现准直扩束输出。
进一步地，所述集成扩束镜设置在所述集成光纤隔离器的内部。
进一步的，所述增益光纤是掺杂稀土离子光纤，其纤芯中掺杂的稀土元素浓度呈非均匀分布，由低及高，该种纤芯非均匀掺杂光纤放大器将有效提高放大效率，抑制ASE，减小噪声，提高信噪比。
进一步的，所述光纤隔离器内部实现偏振旋转的材料采用TGG晶体。
如上所述，本发明提出一种集成耦合泵浦、放大、隔离功能的光纤隔离器，具有以下有益效果：
1、不采用光纤合束器，减少光纤合束器引入的各种损耗，同时减少熔接点及熔接点损耗，减少光路中光纤器件的数量，降低生产成本。
2、通过放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块，本发明集成了耦合、放大、隔离的作用，结构简单化，提高了系统的集成度和稳定性，降低损耗和制作成本。
3、减少了各器件间的无源光纤的使用，避免通过无源光纤进行熔接，减少熔接点和减小损耗，同时减少了脉冲激光传输光纤的长度，有效降低了非线性效应及优化了脉冲光纤激光放大特性和放大结构。
4、通过本发明的第二准直器连接在第二偏振分光棱镜上，使通过第二准直器的泵浦光入射在第二偏振分光棱镜后被反射，再依次通过1/2玻片、法拉第旋光器和第一偏振分光棱镜，反向耦合进入益光纤,该方案适用于保偏纤芯泵浦放大方式，起到泵浦反向耦合，放大，隔离的作用。
5、通过本发明的泵浦耦合模块的双色镜片，使泵浦光依次通过第二准直器、双色镜片和第一准直器，反向耦合进入增益光纤,此种方案同时适用于纤芯泵浦和包层泵浦中，泵浦光不通过法拉第旋光器。
附图说明
图1为现有激光泵浦隔离的常规器件的布设结构示意图；
图2为本发明实施例一中的放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块一种方案结构示意图；
图3为本发明实施例二中的放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块另一种方案结构示意图；
图4为本发明实施例三中的第二准直器输出端与第二偏振分光棱镜连接的光纤输出的内部结构示意图；
图5为本发明实施例四中的第二准直器输出端与双色镜片连接的光纤输出的内部结构示意图；
图6为本发明实施例五中的第二准直器输出端与第二偏振分光棱镜连接的空间输出的内部结构示意图；
图7为本发明实施例六中的第二准直器输出端与双色镜片连接的空间输出的内部结构示意图；
具体实施方式
下面将以图式揭露本申请的多个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右、内、外等方向均是以本申请实施例图1所示的上、下、左、右、内、外等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，在此一并说明，使用的“第一”、“第二”“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。
本发明提供一种光纤隔离器，作为脉冲光纤放大器集成元器件之一，应用于光纤激光器系统、放大系统中有效放大脉冲激光。
实施例一
如图2所示，本实施例中的光纤隔离器包括放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块；该放大模块包括依次连接的增益光纤和准直器1；泵浦耦合模块包括依次连接的无源光纤1和第二准直器；隔离模块包括依次连接的第一偏振分光棱镜(PBS1)、法拉第旋光器(Core)、1/2玻片、第二偏振分光棱镜(PBS2)、第三准直器及无源光纤2；其中，泵浦耦合模块设置在隔离模块的后端，适用于保偏纤芯泵浦放大方式中，起到泵浦反向耦合、放大、隔离的作用。
实施例二
如图3所示，与实施例一不同的是，本实施例中的光纤隔离器中的泵浦耦合模块设置在隔离模块的前端，适用于纤芯泵浦和包层泵浦，泵浦光不通过法拉第旋光器。
实施例三
如图4所示，在实施例一的基础上，进一步地，本实施例中的光纤隔离器的输出方式为光纤输出，即为在线光纤隔离器，一般使用在光纤激光器系统的中间，起到耦合泵浦，放大，隔离的作用；其结构包括：增益光纤、准直器1(第一准直器)、PBS1(第一偏振分光棱镜)、Core(法拉第旋光器)、1/2玻片、PBS2(第二偏振分光棱镜)、准直器2(第二准直器)；其中，增益光纤、准直器1、PBS1、法拉第旋光器、1/2玻片、PBS2、准直器3和无源光纤2是依次连接的；无源光纤1直接连接准直器2的输入端，准直器2的输出端连接在PBS2上，被放大后的信号光经准直器3准直后，通过无源光纤2输出。第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜分别位于法拉第旋光器的两端，1/2玻片位于法拉第旋光器和第二偏振分光棱镜之间。
需要说明的是，本实施例中的准直器2的输出端连接在PBS2上，用于光纤激光器系统中间，适用于保偏纤芯泵浦放大的方式，起到耦合泵浦，放大，隔离的作用。其中，泵浦光经无源光纤1，准直器2准直后，通过PBS2反射，然后通过1/2玻片和法拉第旋光器，进入增益光纤。信号光经过增益光纤，在泵浦激励下，被放大。PBS1主要用于使信号光通过，泵浦光反射。PBS2主要用于使经过法拉第旋光器和1/2波片以后偏振旋转的信号光通过；泵浦光在准直器2准直入射PBS2后被反射，通过1/2波片，法拉第旋光器，PBS1，反向耦合进入增益光纤。1/2玻片把光的偏振方向旋转成PBS2可以通过的偏振方向；法拉第旋光器把PBS2反射的反射光偏振方向相对于入射光旋转45度。
准直器使激光变为准直光；无源光纤是用于熔接其他光纤器件；再者，准直器是将发散光变成平行光的一种光学器件，属于光纤通信光器件的用于输入输出的一个光学元件，其结构很简单——光纤传出的发散光通过前置的类似凸透镜变成平行光(高斯光束)，准直器的作用是使光最大效率的耦合进入所需的器件中，所以它有一个重要的参数：插损，现在的工艺技术可达到0.15dB以下；PBS是偏振分光棱镜的英文简称。
利用本实施例的技术方案，本实施例中的光纤隔离器在工作时，信号光输入放大模块，经由增益光纤、准直器1、PBS1、法拉第旋光器、1/2玻片和PBS2；泵浦光输入泵浦耦合模块，经由无源光纤1进入准直器2、PBS2、1/2玻片、法拉第旋光器、PBS1,反向耦合进入增益光纤；PBS1使泵浦光反射，信号光通过，信号光依次经过PBS2、准直器3，由光纤隔离器的无源光纤2输出。
本实施例中的光纤隔离器对输入的信号光和泵浦光进行耦合、放大、隔离处理，经准直器3和无源光纤2输出，直接集成了耦合、放大、隔离功能，减少了常规波分复用或合束器的使用，减少了现有光路中光纤器件的使用数量，减少了光纤熔接点，减小了光路损耗，提高系统集成度和稳定性，结构简单，有效降低了制作成本。
实施例四
本实施例与实施例三不同的是，如图5所示，本实施例中的泵浦耦合模块还包括双色镜片，该双色镜片设置在放大模块和隔离模块之间，泵浦光依次通过第二准直器、双色镜片和第一准直器，反向耦合进入增益光纤。增益光纤连接第一准直器，信号光通过双色镜片进入隔离模块。进一步地，第一准直器(准直器1)与第一偏振分光棱镜(PBS1)之间设置有双色镜片，双色镜片与第二准直器(准直器2)的输出端连接。
需要说明的是，双色镜片为具有反射、投射功能的镜片。双色镜片的作用：泵浦光通过双色镜片反向耦合进入信号光的准直器1，然后进入增益光纤。泵浦光输入经无源光纤1、准直器2准直后通过双色镜片反向耦合进入信号光的准直器1，然后进入增益光纤，输入的信号光在泵浦激励下被放大，经隔离模块的隔离保护后，通过准直器3准直无源光纤2输出，本实施例的技术方案适用于纤芯泵浦和包层泵浦，泵浦光不通过法拉第旋光器。
实施例五
本实施例与实施例三、实施例四的不同之处为光纤隔离器的信号输出方式不同，如图6所示，本实施例的光纤隔离器的信号输出方式为空间输出。进一步地，该空间输出为准直扩束输出。
需要说明的是，请同时参阅比较图4和图6可知，本实施例中的空间输出的光纤隔离器多用于光纤激光系统、放大系统的最后，不用设置无源光纤2而直接通过准直器3和扩束镜进行准直扩束输出，起到耦合泵浦，放大，隔离作用。同样，减少了常规波分复用或合束器的使用，减少了现有光路中光纤器件的使用数量，减少了光纤熔接点，减小了光路损耗，提高系统集成度和稳定性，结构简单，有效降低了制作成本。
实施例六
本实施例与实施例五的不同的是，如图7所示，本实施例中的第一准直器(准直器1)与第一偏振分光棱镜(PBS1)之间设置有双色镜片，双色镜片与第二准直器(准直器2)的输出端连接。
需要说明的是，泵浦光经过准直器2通过双色镜片反向耦合进入信号光的准直器1，然后进入增益光纤。本实施例的技术方案适用于纤芯泵浦和包层泵浦，泵浦光不通过法拉第旋光器。
综上所述，本发明提供的光纤隔离器，使输入信号光通过光纤隔离器可被有效放大，通过光纤隔离器将泵浦光耦合进信号光纤，通过增源光纤进行放大，各器件之间无需通过无源光纤熔接，通过光纤隔离器放大模块、泵浦耦合模块和隔离模块同时集成了耦合、放大、隔离功能，减少了常规波分复用或合束器的使用，减少了泵浦隔离器的使用，减少了光纤器件的使用数量，减少了光纤熔接点，减小了光路损耗，提高系统集成度和稳定性，结构简单，有效降低制作成本。同时能够缩短激光传输光纤的长度，有效降低了非线性效应，优化了脉冲光纤激光放大特性和放大结构。相对于现有技术减少了光纤合束器无源光纤的使用，从而达到减少熔接点，降低损耗，提高系统的集成度和稳定性的有益效果，进而解决现有技术中的光纤器件较多、熔点多、损耗大、系统结构复杂及集成度低的问题。
因此，本发明提供的光纤隔离器，内部集成了耦合器、有源光纤、隔离器的作用，即起到了耦合泵浦、激光放大、和激光隔离传输的作用，从而减少了激光传输光纤的长度，减少了使用器件的数量，优化了脉冲光纤激光放大特性和放大结构，降低了非线性效应，增加系统集成度和稳定性，降低成本，拓展了现有光纤隔离器的用途和集成度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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