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(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。

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。