光纖合束器制造工作站

光纖熔融拉錐。 2100433B

光纖合束器制作。

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, 光纖束中單模光纖的纖芯與雙包層光纖的纖芯必須對準。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, 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, 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。

通過將光纖束特定部位拉伸, 形成一個直徑為d0 的束腰, 使從多模光纖傳來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)ネ扛矊樱缓笠砸欢ǚ绞脚帕性谝黄?，在高溫中加熱使之熔化，同時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，不包含信號光纖的 N?1 光纖合束器和包含信號光纖的（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 路輸入光纖與多個泵浦源相連，用來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光纖。在制作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用于信號光的輸入，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

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實現(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，還可以是大模場光纖等。

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, 已經(jīng)成為世界各國的研究熱點?，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, 相對于從半導體泵浦激光器發(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或者兩個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。

通過對耦合效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊性、復(fù)雜度、可擴展性、制作難易程度等相關(guān)指標的對比發(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, 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行分析。