側面泵浦耦合器是一種新型器件,耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端及一個無用連線埠。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖,泵浦輸入端一般根據所使用泵浦光源的情況,選擇相應的匹配多模光纖,無用端有少量的光功率,要妥善處理以免造成危害。
基本介紹
- 中文名：光纖側面泵浦耦合器
- 外文名：side-pumpcoupler
1背景,2基本原理和結構,3光纖側面泵浦耦合器的實驗研究,
1背景
光纖雷射器具有光束質量好、結構緊湊、體積小、質量輕、易散熱、工作穩定等眾多優點。在大功率光纖雷射器和放大器的研究中,實現泵浦光功率高效、安全的耦合是其關鍵技術之一,泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側面泵浦兩種。現有的側面泵浦耦合技術主要有:V槽側面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側面泵浦耦合和熔錐側面泵浦耦合等。通過對比結構緊湊性、耦合效率、系統穩定。製作原理熔錐側面泵浦耦合可以大幅度提高泵浦光功率,實現增益光纖的多點泵浦。側面泵浦耦合器是一種新型器件,耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端及一個無用連線埠。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖,泵浦輸入端一般根據所使用泵浦光源的情況,選擇相應的匹配多模光纖,無用端有少量的光功率,要妥善處理以免造成危害。
與普通光纖耦合器不同,側面泵浦耦合器的主要設計目的是為了實現泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合,因此拉錐完成後,兩根光纖的纖芯之間相距較遠,能量耦合主要發生在側面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間,泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合進入信號傳輸光纖的內包層,而在信號傳輸光纖的纖芯中傳輸的雷射信號(包括正向和反向光),被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不發生能量耦合,因此側面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用。
光纖側面泵浦耦合器通過全光纖化設計實現了線上泵浦,它可以實現增益光纖的多點泵浦,有利於提高光纖雷射器和放大器的轉換效率和輸出功率,更重要的是它可以有效地禁止增益光纖中的後向傳輸光,保護泵浦光源的安全工作,這對於高功率全光纖化結構的雷射器和放大器的研究意義重大。
2基本原理和結構
在高功率光纖雷射器和放大器的研究中，實現泵浦光功率高效、安全地耦合是其關鍵技術之一，目前的泵浦方法主要包括光纖端面泵浦和光纖側面泵浦兩種。現有的側面泵浦耦合技術主要有：V槽側面泵浦耦合、嵌入反射鏡式泵浦耦合、角度磨拋側面泵浦耦合等，每一種技術均有非常明顯的優缺點。
V槽側面泵浦耦合的原理非常簡單，根據報導V形槽側面耦合效率可以高達90%左右，可耦合數瓦的泵浦功率。但是由於利用了微透鏡準直，LD泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖之間的相對位置對於耦合效率的影響較大，同時，由於V槽嵌入內包層，因此對於內包層內傳輸的泵浦光有較大損耗，不利於多點注入式泵浦功率的擴展。
嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V槽刻蝕方式上的改進，該方法可以耦合數瓦泵浦功率，效率達91%的實驗已有報導。由於多模二極體抽運雷射無需經過光束整形即可進入內包層，因此採用內嵌反射鏡側面抽運的方法具有耦合效率高、成本低、簡單易行等優點。但與V槽側面泵浦法相似，在內包層中刻槽會影響泵浦光的傳輸，因此嵌入透鏡式泵浦耦合難以用於雙包層光纖的多點泵浦。角度磨拋側面泵浦耦合是將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖用折射率相近的光學膠膠合在雙包層光纖的內包層上，並固定好兩纖的相對位置，泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層。通常該技術要求泵浦光纖端面的磨拋角較大（約80度），對於光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。更致命的弱點是，在高泵浦功率下，光學膠難以承受其功率密度會導致揮發或分解，使耦合效率下降。雖然該耦合方式獲得了高達90%的耦合效率，但是獲得的光纖雷射輸出功率也僅僅是1W左右。
光纖側面泵浦耦合器是一種實現側面泵浦耦合的新型器件，耦合器包括泵浦輸入端、信號輸入端和輸出端三個可用連線埠。耦合器的信號輸入、輸出端光纖一般為無源的雙包層光纖，泵浦輸入端一般根據所使用泵浦光源的情況，選擇相應的匹配多模光纖，閒置端可以取消。與普通光纖耦合器不同，側面泵浦耦合器的主要設計目的是為了實現泵浦光功率向信號傳輸光纖的單向耦合，因此拉錐完成後，兩根光纖的纖芯之間相距較遠，能量耦合主要發生在側面泵浦光纖的纖芯與信號光纖的包層之間，泵浦功率從泵浦輸入端光纖的纖芯耦合進入信號傳輸光纖的內包層，而在信號傳輸光纖的纖芯中傳輸的雷射信號（包括正向和反向光），被限制在傳輸光纖的纖芯中與泵浦輸入端不發生能量耦合，因此側面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合與信號隔離的雙重作用，泵浦輸入端對反向傳輸信號光的隔離度一般能達到15dB以上。
光纖側面泵浦耦合器通過全光纖化設計實現了線上泵浦，它可以實現增益光纖的多點泵浦，有利於提高光纖雷射器和放大器的轉換效率和輸出功率，更重要的是它可以有效的禁止增益光纖中的後向傳輸光，保護泵浦光源的安全工作，這對於高功率全光纖化結構的雷射器和放大器的研究意義重大。
3光纖側面泵浦耦合器的實驗研究
（一）實驗裝置及方法
根據光纖側面泵浦耦合器的工作原理和結構設計，採用了熔融拉錐工藝以及最基本的2×1耦合方式，實現把一根泵浦多模光纖中的泵浦光耦合進雙包層光纖。在本論文的大多數套用中，主要是將915nm泵浦光由泵浦輸入端注入到增益光纖中，1060nm種子光由信號輸入端注入，耦合後的光功率從輸出端輸出。閒置端沒用，但是有較弱的光功率，要作妥善處理。實驗裝置原理：該裝置為一套熔融拉錐系統，主要包括步進電機控制的平行拉伸裝置和火焰進給裝置組成，同時配有其他監測、控制和顯示設備。具體的實驗過程為：首先截取約兩米長的泵浦輸入端光纖和信號傳輸光纖各一根，在中間的合適位置剝除一定長度的保護層作為耦合區域，雙包層光纖則要剝除外包層和保護層，然後對耦合區域進行充分的清洗；清洗完畢後將兩光纖置於夾具上固定，轉移到拉錐平台上，使加熱裝置的火頭處於耦合區域的中間位置，調整拉錐參數進行熔融拉錐，實時監測兩根光纖的輸出功率和分光比，當達到所需的參數時停止拉錐；然後對耦合區域進行適當的封裝，最後是各個參數的測試。
（二）拉錐工藝的研究
從光纖的相對位置來說，拉錐工藝可分為平行燒拉技術和打結燒拉技術。實驗的開始階段，我們借鑑單模光纖耦合器的成功經驗，也採用了平行燒拉技術，即先把兩根光纖平行固定，再轉移到拉錐平台上進行拉錐操作。在嘗試了幾種光纖組合以後，發現效果並不好，從實時監測的情況來看，兩根光纖耦合到一定程度難以繼續耦合，繼續拉錐反而會使損耗增大，而不是呈現周期性的耦合機理，這和單模耦合的曲線有很大差別。後面的實驗我們採用了打結燒拉技術，即把兩根光纖相互纏繞，然後固定在拉錐平台上進行拉錐。從實驗的結果來看，打結燒拉技術要比平行燒拉技術耦合效率高，這從實時監測的數據可以直觀的反映出來。
打結燒拉技術雖然一定程度上提高了側面耦合的效率，但是實驗效果仍然難以另人滿意，根據已有的文獻報到，嘗試了泵浦傳輸光纖的預拉錐處理技術。即先把泵浦傳輸光纖拉錐一段距離，再纏繞到雙包層光纖上進行耦合拉錐。經過對預先拉錐的參數進行了一段時間的摸索後，側面耦合效率有了一定的提高，從同一種光纖組合的結果來看，採用預拉錐處理後的耦合效率要比直接拉錐高出10%。由於光纖參數對耦合效率存在較大的影響，耦合器的最佳化實驗對多種不同的光纖進行了最佳化組合，對每種組合逐一調整拉錐工藝的各個參數，包括氫氣氧氣流量、火焰高度、拉錐速度、拉錐距離等等任何可以影響拉錐結果的因素，進行了大量實驗， 為了減小吸收造成的附加損耗，實驗在多模光纖不變的情況下，信號光纖改用無源雙包層光纖代替摻鐿雙包層光纖，經過一定的實驗研究和參數最佳化後，樣品的測試結果表明，側面耦合的效率可以達到46.4%，但是仍然很難實際套用到光纖雷射器中。一方面，無源雙包層光纖本身對915nm光的損耗太大，為0.62dB/m；另一方面，多模光纖纖芯和雙包層光纖內包層在折射率上的差異仍然存在，這在兩種光纖的拉錐熔點上體現出來。
為了解決折射率匹配的問題，實驗在無源雙包層光纖不變的基礎上，選用了石英絲來代替多模光纖進行側面耦合實驗。但是實驗中耦合效率只有39.7%。拉錐過程中明顯觀察到兩種光纖熔點的差異，這是因為石英絲包層為低折射率的摻氟介質，其熔點比石英低，當兩光纖在同一火焰下加熱時，石英絲很快處於熔融狀態然後變形，而這時雙包層光纖還沒有到達熔點，所以拉錐過程很難控制。
最後，實驗採用無源雙包層光纖代替石英絲，利用兩根無源雙包層光纖製作的側面泵浦耦合器，實現了較高的耦合效率，最高可達到70%，由於兩根雙包層光纖在性能上完全一致，所以解決了光纖的匹配問題，通過實驗最佳化，主要性能指標達到：泵浦光耦合效率：74%；信號光耦合效率：95%；信號輸入端與泵浦輸入端的隔離度：>50dB；泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度:20dB；承受峰值功率：>15kW。
95%的信號光耦合效率對於光纖雷射器，尤其是光纖放大器是十分有利的，信號光功率可以幾乎沒有損耗的傳輸到增益光纖中，得到最大限度的利用；泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度達到20dB，能夠有效的阻止增益光纖中的後向傳輸光進入泵浦源，從而保證泵浦源的安全工作，防止被損壞或燒毀。
