光纖合束器3合束器的制作工藝

基于傳統(tǒng)雙包層光纖的光纖合束器以(6 1)×1 光纖合束器制作為例, 分析利用傳統(tǒng)雙包層光纖制作光纖合束器的工藝。(6 1)×1 光纖合束器由6 根多模光纖和1 根單模光纖熔融拉錐后和一根雙包層光纖熔接在一起構(gòu)成, 可稱之為多模-單模-雙包層光纖合束器。雙包層光纖, 它由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成, 纖芯的模場(chǎng)直徑為2ω1 , 內(nèi)包層的直徑為d1 , 數(shù)值孔徑(NA)為DNA1 ;所示為單模光纖, 其模場(chǎng)直徑近似于2ω1 , 包層直徑為d2 , 其中d2

(3)把預(yù)拉伸后的多模光纖均勻排列在單模光纖的周圍成為光纖束, 用特制的夾具將其兩端固定,將光纖束放在約1 000 ℃的火焰下加熱, 同時(shí)夾具圍繞單模光纖纖芯方向旋轉(zhuǎn), 使夾具間的光纖束受熱均勻, 并熔融。

(4)在光纖束橫截面直徑為d5 處切割, 形成光滑的切面, d5 約等于雙包層光纖的內(nèi)包層直徑　(5)將切割后的光纖束與雙包層光纖熔接在一起。值得注意的是, 在熔接時(shí), 光纖束中單模光纖的纖芯與雙包層光纖的纖芯必須對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)需要, 也可以在單模光纖的周圍排列多層多模光纖,排列的多模光纖越多, 預(yù)拉伸時(shí), 多模光纖末端的直徑d4 就要越小。

另外, 以上所提到的多模-單模-雙包層光纖合束器可以做成多模-多模-多模光纖合束器, 即將光纖束中間的單模光纖換成多模光纖, 工藝步驟同上。然而, 當(dāng)多模光纖束輸出端直徑和雙包層光纖內(nèi)包層直徑完全相匹配時(shí), 輸出光纖數(shù)值孔徑卻未被光完全填滿, 且在合束器熔接處的光功率分布也不均勻。這是由于光纖束圍繞一根中心光纖排列, 錐體中的一些光與輸出光纖的纖芯方向成一角度, 所以光功率分布曲線呈四周高, 中間低, 且輸出光纖中的數(shù)值孔徑?jīng)]有被光完全填滿。

通過(guò)將光纖束特定部位拉伸, 形成一個(gè)直徑為d0 的束腰, 使從多模光纖傳來(lái)的光在束腰處均勻分布, 充分地注入熔接處的數(shù)值孔徑, 可以顯著提高耦合效率。束腰后面是一個(gè)均勻增大的反向錐體, 一直到輸出光纖。在輸出光纖處的光功率分布, 是完全充滿輸出光纖的。

光纖激光器具有光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易散熱、工作穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在大功率光纖激光器、光纖放大器采用的雙包層摻雜光纖, 相對(duì)于從半導(dǎo)體泵浦激光器發(fā)出的多模泵浦光束的大發(fā)散角,其內(nèi)包層的直徑很小, 因此把泵浦光有效耦合到摻雜雙包層光纖的內(nèi)包層是一個(gè)難題。人們發(fā)明了很多泵浦耦合技術(shù), 大體上可分為端面泵浦和側(cè)面泵浦。端面泵浦技術(shù)是從雙包層光纖的一個(gè)或者兩個(gè)端面將泵浦光耦合到內(nèi)包層, 主要采用直接熔接耦合、透鏡組耦合和錐導(dǎo)管耦合等方式。側(cè)面泵浦耦合技術(shù)是從雙包層光纖的側(cè)面將泵浦光耦合到內(nèi)包層, 主要有分布包層泵浦耦合 、微棱鏡側(cè)面耦合、V 型槽側(cè)面耦合 、嵌入透鏡式側(cè)面泵浦耦合 、角度磨拋側(cè)面泵浦耦合 、光柵側(cè)面泵浦耦合等。

通過(guò)對(duì)耦合效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊性、復(fù)雜度、可擴(kuò)展性、制作難易程度等相關(guān)指標(biāo)的對(duì)比發(fā)現(xiàn), 利用光纖合束器的分布包層泵浦耦合技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì), 可以滿足高功率光纖激光器泵浦耦合的需要。隨著空氣包層光子晶體光纖(PCF)制造工藝的日臻成熟, 空氣包層PCF 的大數(shù)值孔徑、大模場(chǎng)直徑有利于提高光纖激光器、光纖放大器的泵浦功率和泵浦效率, 減小光纖激光器、光纖放大器的非線性效應(yīng), 有利于提高輸出功率。下面就采用傳統(tǒng)雙包層光纖和空氣包層PCF 制作光纖合束器的主要制作工藝進(jìn)行分析。

1964 年，美國(guó)的 Snitzer 等人首次提出了光纖激光器和放大器的構(gòu)想，但受當(dāng)時(shí)光纖拉制工藝、光纖損耗、半導(dǎo)體激光器技術(shù)等方面的限制，在其后 20 多年里光纖激光器沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。1987年英國(guó)南安普頓大學(xué)及美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室用摻鉺單模光纖實(shí)現(xiàn)光通訊中的光放大，以此證明了摻鉺光纖放大器（EDFA）的可行性。由于當(dāng)時(shí)使用的是單包層光纖，纖芯直徑十分細(xì)小，只有幾微米，因此，泵浦光的耦合效率限制了激光器的輸出功率。1988 年，Snitzer 等人提出了基于雙包層光纖的包層泵浦技術(shù)，相較于傳統(tǒng)光纖，雙包層光纖多了一個(gè)可以傳光的內(nèi)包層，內(nèi)包層的橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比纖芯大得多，從而降低了泵浦光的耦合難度，大大提升了泵浦光的耦合功率。但是初期設(shè)想的圓形內(nèi)包層因?yàn)橥昝赖膶?duì)稱性導(dǎo)致泵浦光的吸收效率較低。1993 年，矩形內(nèi)包層的雙包層光纖出現(xiàn)，此后，正方形、D 形、梅花形等形狀的內(nèi)包層也相繼出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，這些內(nèi)包層形狀的光纖相對(duì)于圓形內(nèi)包層形狀的光纖對(duì)泵浦光的吸收效率有了很大提高。1994 年，由 H. M. Pask 等人首先在摻鐿石英光纖中實(shí)現(xiàn)了包層泵浦技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中得到了波長(zhǎng)為 1042nm，功率為0.5W 的最大激光輸出，斜率效率達(dá)到 80%。正是由于摻鐿雙包層光纖激光器具有更高的斜率效率，以及 Yb3 具有簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)、較寬的吸收帶和較寬的發(fā)射截面，人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)向摻鐿雙包層光纖激光器的研究。此后，光纖激光器得到了迅猛發(fā)展，輸出功率不斷飆升。1997 年，Polaroid 報(bào)道了輸出功率35.5W，波長(zhǎng) 1100nm 的雙包層激光器。1999 年，SDL（Spectra Diode Laser）首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)功率達(dá)百瓦級(jí)的摻鐿雙包層光纖激光器，輸出功率為 110W。

2003 年 Limpert 等報(bào)道了輸出功率 500W、M2為 1.1 的摻鐿雙包層光纖激光器，而 Liu 等人將輸出功率提高到了 810W。2004 年，南安普頓大學(xué)的 Y. Jeong 等人采用雙端泵浦方式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激光輸出功率為 1.36kW 的摻鐿大芯徑單模光纖激光器。從 2005 到 2009 年，美國(guó) IPG的單模光纖激光器依次突破了 2kW和 3kW，更實(shí)現(xiàn)了從 6kW 至 10kW 的跨越。 盡管光纖激光器發(fā)展迅猛，但是受熱損傷、非線性效應(yīng)、光纖端面損傷、熱透鏡效應(yīng)等因素的制約，單根單模光纖激光器的輸出功率不可能無(wú)限提升。

美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）J.W.Dawson 等人綜合考慮熱效應(yīng)、非線性光學(xué)、輸出端限制等物理因素的影響，對(duì)光纖激光輸出功率極限進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。計(jì)算結(jié)果表明，單模寬譜光纖激光的輸出功率極限約為 36.6 kW，單頻（一般譜寬小于或等于與布里淵增益的線寬量級(jí)，即小于 100MHz）光纖激光的輸出功 率極限約為 1.86 kW。級(jí)聯(lián)泵浦方案被認(rèn)為是進(jìn)一步提升光纖激光器輸出功率的有效途徑。朱家健等人分析了級(jí)聯(lián)泵浦條件下，摻鐿光纖的輸出功率極限，計(jì)算結(jié)果表明利用 1018nm 泵浦的摻鐿光纖激光器單頻單橫模輸出功率極限為70.7kW。

從上述分析可知，盡管目前單根單模光纖激光器輸出功率已經(jīng)突破萬(wàn)瓦級(jí)，并且存在一定的提升空間，但距離數(shù)百千瓦級(jí)高功率輸出還有著量級(jí)上的差距。 增大光纖纖芯直徑可以大幅提升光纖輸出功率，如果將多根中等功率的單模光纖激光通過(guò)全光纖的合束器合成到一根多模光纖中，就可以獲得大功率激光輸出。IPG 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 50kW 的多模激光輸出，這種方法要實(shí)現(xiàn)百千瓦的輸出功率也是可行的。 光纖激光器具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及功率的不斷提升使其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，目前在工業(yè)加工、生物醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在工業(yè)領(lǐng)域，激光焊接由于熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環(huán)境下加工，在航天航空器件中得到廣泛應(yīng)用。時(shí)至今日，隨著激光功率的提高，現(xiàn)在焊接十幾毫米厚的鋼板也比較容易。用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘進(jìn)行鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造，從而減輕飛機(jī)機(jī)身重量近 20%，提高強(qiáng)度近 20%，如今德國(guó)宇航 MBB，空中客車都應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。2010 年，IPG 獨(dú)一無(wú)二的波長(zhǎng)為 1070nm 的 20kW 連續(xù)商用光纖激光器，在光纖芯徑為 200μm，聚焦光斑為 420μm 的條件下，焊接厚度為 1 英寸的 304 不銹鋼，速度能夠達(dá)到 0.85m/min，焊接 0.75 英寸的鋼板能達(dá)到 2m/min。2010 年，日本獲得日本海事協(xié)會(huì)及英國(guó)勞氏船級(jí)社的許可，將 10kW 光纖激光-電弧復(fù)合焊接第一次運(yùn)用于船舶制造。2011 年，一套搭載有 IPG 20KW 光纖激光器成功應(yīng)用于通用電氣的高功率激光電弧復(fù)合焊接（HLAW）系統(tǒng)。此系統(tǒng)將激光焊接和電弧焊接組合在一起，能夠以速度大于 6feet/min 的單一過(guò)程，焊接超過(guò) 0.5 英寸厚的鋼板，并且能夠獲得比傳統(tǒng)多道工序焊接更好的焊接質(zhì)量，這將有望徹底改變未來(lái)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。此外，在激光打標(biāo)、激光切割、激光美容等方面，光纖激光器以其特有的優(yōu)勢(shì)正在逐漸取代傳統(tǒng)激光器。自 2009 年以來(lái)，光纖激光器就已經(jīng)被銷往六大主要行業(yè)，其中包括電子、食品設(shè)備和辦公用品。2011 年，該六大行業(yè)的總銷售額達(dá) 4.86 億美元，較 2010 年增長(zhǎng) 50%。

在國(guó)防領(lǐng)域，光纖激光器在體積、效率和光束質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)，在空間激光武器中有廣泛的應(yīng)用前景。2004 年美國(guó) SPATA 的“宙斯”激光掃雷系統(tǒng)采用了 IPG 的 2kW 多模光纖激光器，該系統(tǒng)在阿富汗地區(qū)成功執(zhí)行了掃雷任務(wù)。2006 年雷神構(gòu)建的激光區(qū)域防護(hù)系統(tǒng)（Laser Area Defense Syetem）在戰(zhàn)術(shù)時(shí)間內(nèi)成功引爆了超過(guò) 500m 處的 60mm 迫擊炮彈。2010 年，美國(guó)海軍的激光密集陣（Laser Phalanx）光纖激光器演示系統(tǒng)成功擊落 4 架從海上飛來(lái)的無(wú)人機(jī)，此系統(tǒng)是美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室用 6 根 5.5kW 的 IPG光纖激光器集成，合成輸出功率達(dá) 32kW，這是美國(guó)在現(xiàn)有艦載防空平臺(tái)上首次試驗(yàn)激光武器。此外，美國(guó)陸軍還把密集陣系統(tǒng)移植為地面密集陣系統(tǒng)，并賦予其百夫長(zhǎng)（Centurion）名稱，還在百夫長(zhǎng)平臺(tái)上研發(fā)光纖激光武器系統(tǒng)——激光百夫長(zhǎng)。

高能光纖激光廣闊的市場(chǎng)前景吸引了世界上眾多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)。國(guó)外光纖激光器的主要生產(chǎn)廠家有 IPG、SPI、JDSU、Coherent、ROFIN 和 TRUMPF等，英國(guó) Southampton 大學(xué)、Bath 大學(xué)、美國(guó) Michigan 大學(xué)、德國(guó) Jena 大學(xué)等也不斷推陳出新，使得高功率光纖激光器從實(shí)驗(yàn)室快速商品化走向市場(chǎng)。

美國(guó)的 IPG已經(jīng)推出了產(chǎn)品化的單模萬(wàn)瓦光纖激光器和 50kW 的多模連續(xù)光纖激光器。而 ROFIN 旗下的 Nufern也推出了 kW 量級(jí)單模光纖放大器系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的武漢銳科、中科梅曼、創(chuàng)鑫激光和國(guó)科世紀(jì)等都進(jìn)入光纖激光器領(lǐng)域。2012 年，西安中科梅曼成功推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 kW 工業(yè)級(jí)光纖激光器。清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、中國(guó)兵器裝備研究院等多家科研單位也實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)光纖激光輸出。

PCF 由于其特殊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而具有單模大模場(chǎng)面積、大的泵浦區(qū)數(shù)值孔徑、高耐熱能力等優(yōu)點(diǎn), 在光纖激光器領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。

PCF 具有大的模場(chǎng)面積。其具有大的芯-包折射率差, 空氣孔包層可以提供一個(gè)很大的數(shù)值孔徑, 此數(shù)值孔徑由空氣孔包層的空氣孔間距Δ決定, 一般在0 .55 ～ 0 .65 之間。而且, 以空氣孔為包層, 熱傳導(dǎo)性能較好, 可容許較大的功率密度。因此, 利用一小段PCF 光纖就可以得到較大的輸出光功率, 大大降低非線性效應(yīng)。

光纖合束器是在熔融拉錐光纖束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基礎(chǔ)上制備的光纖器件。它是將一束光纖剝?nèi)ネ扛矊?，然后以一定方式排列在一起，在高溫中加熱使之熔化，同時(shí)向相反方向拉伸光纖束，光纖加熱區(qū)域熔融成為熔錐光纖束。從錐腰切斷后，將錐區(qū)輸出端與一根輸出光纖熔接。TFB 最初的提出是將泵浦光纖和信號(hào)光纖熔錐合束到一根雙包層增益光纖中，應(yīng)用在高功率摻餌光纖放大器（EDFA）上。在后來(lái)的發(fā)展中，這種全光纖的合束器有了多種形變。

光纖合束器光纖合束器的分類

根據(jù)使用功能分類，光纖合束器可以分為兩大類：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是將多路單模激光合束到一根光纖中輸出，用來(lái)提高激光的輸出功率（也稱單模-多模光纖合束器）。泵浦合束器主要是將多路泵浦光合束到一根光纖中輸出，主要用來(lái)提高泵浦功率（也稱多模-多模光纖合束器）。光纖合束器按照其構(gòu)成方式又可以分成兩類，不包含信號(hào)光纖的 N?1 光纖合束器和包含信號(hào)光纖的（N 1）光纖合束器。

光纖合束器的 N 根輸入光纖是相同的，這種器件主要用在光纖激光器系統(tǒng)中。光纖合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N?1 光纖合束器的 N 路輸入光纖與多個(gè)泵浦源相連，用來(lái)提高多模泵浦光輸入功率，則是泵浦合束器；如果 N 路輸入光纖與激光器連接，用來(lái)提高激光合成功率，則是功率合束器。和 N?1 光纖合束器不同，（N 1）1 光纖合束器中心的一根光纖是信號(hào)光纖。在制作過(guò)程中，N 根多模光纖必須緊密對(duì)稱地排列信號(hào)光纖周圍，中間的信號(hào)光纖用于信號(hào)光的輸入，這種光纖合束器主要用于光纖放大器。

光纖合束器在光纖激光系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實(shí)現(xiàn)不同功能的合束器。光纖合束器在拉錐前輸入光纖端面排布示意圖，圖中的普通光纖可以是多模光纖，也可以是單模光纖，還可以是大模場(chǎng)光纖等。

泵浦合束器光纖合束器的分類

根據(jù)使用功能分類，光纖合束器可以分為兩大類：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是將多路單模激光合束到一根光纖中輸出，用來(lái)提高激光的輸出功率（也稱單模-多模光纖合束器）。泵浦合束器主要是將多路泵浦光合束到一根光纖中輸出，主要用來(lái)提高泵浦功率（也稱多模-多模光纖合束器）。光纖合束器按照其構(gòu)成方式又可以分成兩類，不包含信號(hào)光纖的 N1 光纖合束器和包含信號(hào)光纖的（N 1）光纖合束器。

N?1 光纖合束器的 N 根輸入光纖是相同的，這種器件主要用在光纖激光器系統(tǒng)中。N?1 光纖合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纖合束器的 N 路輸入光纖與多個(gè)泵浦源相連，用來(lái)提高多模泵浦光輸入功率，則是泵浦合束器；如果 N 路輸入光纖與激光器連接，用來(lái)提高激光合成功率，則是功率合束器。和 N1 光纖合束器不同，（N 1）1 光纖合束器中心的一根光纖是信號(hào)光纖。在制作過(guò)程中，N 根多模光纖必須緊密對(duì)稱地排列信號(hào)光纖周圍，中間的信號(hào)光纖用于信號(hào)光的輸入，這種光纖合束器主要用于光纖放大器。

泵浦合束器光纖合束器在光纖激光系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實(shí)現(xiàn)不同功能的合束器。光纖合束器在拉錐前輸入光纖端面排布示意圖，圖中的普通光纖可以是多模光纖，也可以是單模光纖，還可以是大模場(chǎng)光纖等。

隨著高亮度泵浦半導(dǎo)體、摻雜雙包層有源光纖等技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到飛速提升。國(guó)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單模10kW量級(jí)的全光纖激光輸出。國(guó)內(nèi)在高功率光纖激光器領(lǐng)域起步較晚，目前取得了較大的進(jìn)步，多家單位和科研院所的輸出功率已可突破千瓦。但是，國(guó)內(nèi)高功率光纖激光系統(tǒng)中，大都使用了國(guó)外的器件。在全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器/放大器中，大模場(chǎng)摻雜光纖、高亮度泵浦源、泵浦合束器是實(shí)現(xiàn)高功率的光纖激光器的關(guān)鍵器件，由于西方國(guó)家對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)，嚴(yán)重限制了中國(guó)高功率光纖激光的發(fā)展。因此，研制基于國(guó)產(chǎn)器件的高功率光纖激光器對(duì)中國(guó)光纖激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

在全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器/放大器中，除了摻雜光纖、高亮度泵浦源外，泵浦合束的功率特性直接影響激光器/放大器最終輸出功率。，國(guó)外商品化的光纖合束器單臂功率已經(jīng)突破200W，國(guó)內(nèi)尚無(wú)單臂大于50W合束器的報(bào)道。因此，研究高功率條件下，國(guó)產(chǎn)光纖泵浦合束器的熱效應(yīng)，分析器件溫度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最終實(shí)現(xiàn)基于國(guó)產(chǎn)器件高功率光纖激光器。

泵浦合束器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為全光纖結(jié)構(gòu),光纖之間一般采用直接溶接的方式結(jié)合,端面直接溶融耦合與側(cè)面溶接親合所形成的這類結(jié)構(gòu)就可稱作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度較高,穩(wěn)定性較好可承受功率和親合效率也比較高。隨著光纖激光器的全光纖化發(fā)展,泵浦合束器已作為泵浦耦合的最主要手段應(yīng)用于各類光纖激光器中。

光纖合束器制作。

多模光纖耦合器的研制工藝，采用了熔融拉錐后熔接的制作工藝。比較采用微透鏡轉(zhuǎn)換器等工藝而言，該工藝方法簡(jiǎn)單靈活，效率高，制作器件的性能較好而且穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括一臺(tái)熔融拉錐機(jī)（帶特殊夾具）、一臺(tái)熔接機(jī)，其中熔融拉錐機(jī)及其夾具：

實(shí)驗(yàn)所用熔融拉錐機(jī)的基本原理，只是所帶夾具經(jīng)過(guò)了特殊的設(shè)計(jì)。為了便于光纖組束，選擇7個(gè)與光纖尺寸匹配的鋼針，按照中間一個(gè)、外邊6個(gè)正六邊形排列的規(guī)則制作成鋼針束，鋼針束固定在一個(gè)圓形鋼管中間，圓形鋼管的尾端與磁性底座相擰，利用磁性底座吸附在拉伸平臺(tái)上。熔接機(jī)為愛(ài)利信的PM995熔接機(jī)，光纖融化利用的是電弧放電的方式，兩根鎢電極的針尖相對(duì)，在通電的情況下產(chǎn)生電弧放電，通過(guò)調(diào)整通電電流實(shí)現(xiàn)對(duì)不同芯徑光纖的融化。熔融狀態(tài)的光纖依靠精密電機(jī)的控制進(jìn)行對(duì)中和熔接，完成光纖束錐體與輸出光纖的耦合。

具體的研究方法及途經(jīng)有以下幾點(diǎn)：

（1）合束器用光纖的選擇 輸入多模光纖的參數(shù)設(shè)計(jì)值為纖芯直徑62.5μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.22和纖芯直徑105μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.22兩種；根據(jù)(2.2)式，合束器輸出光纖的BPP參數(shù)必須大于輸入光纖束的BPP值，所以輸出光纖參數(shù)設(shè)多模光纖合束器用熔融拉錐機(jī)（a）光纖夾具計(jì)值為：纖芯直徑10μm，包層直徑125μm，數(shù)值孔徑0.46以及纖芯直徑15μm，包層直徑200μm，數(shù)值孔徑0.46兩種。

（2）光纖預(yù)處理工藝 把選擇好的輸入多模光纖截成長(zhǎng)度相同的6段（長(zhǎng)度2m），在預(yù)熔接處將涂覆層去除適當(dāng)長(zhǎng)度，采用超聲波清洗的辦法去除光纖表面殘留涂料以及灰塵，清洗后用酒精擦拭干凈，并密閉保存?zhèn)溆?。輸出光纖預(yù)處理過(guò)程遵循同樣的工藝。

（3）拉錐工藝 把預(yù)處理好的光纖放置到特制的光纖夾具中固定，通過(guò)流量計(jì)控制氫氣和氧氣的流量，把火焰溫度控制在適合熔融拉錐的狀態(tài)，精確調(diào)節(jié)火焰高度、拉錐速度、拉錐長(zhǎng)度等各項(xiàng)參數(shù)，確保拉制出滿足需要的熔錐區(qū)結(jié)構(gòu)和尺寸。

（4）熔接工藝 采用特殊的光纖切割刀將熔錐后的光纖束進(jìn)行切割，用超聲波清洗切割合格的熔錐端面1～2分鐘，取出干燥。根據(jù)熔錐區(qū)的結(jié)構(gòu)和尺寸，選擇適合的夾具，放到高精度的光纖熔接機(jī)上精確對(duì)準(zhǔn)，選擇熔接機(jī)合適的熔接參數(shù)進(jìn)行熔接。

（5）封裝工藝 將熔接好的合束器放置到合適尺寸的半玻管中，用膠固定，在半玻管外套上石英管，石英管兩頭用膠封堵，石英管外套不銹鋼管，確保合束器的強(qiáng)度滿足使用要求。

采用上述工藝，實(shí)驗(yàn)分別采用不同的光纖組合進(jìn)行了多模光纖合束器的研究，研制出了結(jié)構(gòu)分別為 3x1、6x1 兩種多模光纖合束器。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不管采用哪一種結(jié)構(gòu)類型的多模光纖合束器，所使用光纖的性能對(duì)耦合效率的影響最大。

實(shí)驗(yàn)首先用纖芯直徑 105μm，包層直徑 125μm，數(shù)值孔徑 0.22 的多模光纖作為輸入輸出光纖，研制了 3x1 的多模光纖合束器，平均耦合效率的測(cè)量結(jié)果只有 30%，表明輸入光功率在耦合過(guò)程中損耗很大。所以實(shí)驗(yàn)改用了纖芯直徑10μm，包層直徑 125μm，數(shù)值孔徑 0.46 的無(wú)源雙包層光纖作為輸出光纖，其BPP 值滿足式（2.2）的要求，測(cè)量發(fā)現(xiàn)合束器平均耦合效率有了明顯提高，達(dá)到了 90%，和國(guó)際同類型產(chǎn)品的性能基本一致，而且實(shí)驗(yàn)和理論上預(yù)想的結(jié)果非常吻合。實(shí)驗(yàn)后來(lái)又分別采用纖芯直徑 15μm，包層直徑 200μm，數(shù)值孔徑 0.46 的無(wú)源雙包層光纖和纖芯直徑 200μm，包層直徑 220μm，數(shù)值孔徑 0.46 的 PCS光纖做輸出光纖，對(duì)合束器進(jìn)行了優(yōu)化，平均耦合效率分別提高到 92%和 93%，和優(yōu)化前耦合效率相比沒(méi)有明顯提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)繼續(xù)提高輸出光纖的BPP 參數(shù)，效果已經(jīng)不太明顯，所以要進(jìn)一步優(yōu)化合束器的耦合效率，必須在拉錐工藝中加強(qiáng)錐形的控制，減少附加損耗的產(chǎn)生，同時(shí)考慮減少熔接損耗。