多模光纖合束器

多模光纖合束器是高功率光纖雷射器、放大器以及光交換網路的關鍵器件。 以前傳統的通過透鏡聚焦進入光纖端面的耦合方法,其穩定性和可靠性都較差,很難獲得能夠體現全光纖無縫連線的方案設計，採用多模光纖合束器則可以解決上述問題。

基本介紹

• 中文名：多模光纖合束器
• 外文名：Multimode-fiberoptic combiner

1光纖雷射器合術技術發展現狀

隨著雷射套用技術的發展，在雷射武器、材料加工、空間光通訊、遙感、雷射雷達和光電對抗等諸多領域都需要高功率、高質量和高亮度的雷射束。在單根光纖不能達到要求時，就需要通過對單纖光纖雷射器進行組束以獲得高功率。普通的並束合束技術可以達到功率要求，但是這種方法在高功率下的光束質量惡化很快，只能滿足在近距離工作時的需要，對於長距離工作的雷射器需要使用相干組束技術。相干組束技術能使多路雷射束通過相干疊加，在輸出功率得以提高的同時保持光束質量良好，已經成為國際上研究的熱點。目前國內外的研究人員已經提出多種相干組束技術，主要有主振盪放大、熔錐型光纖合束器、光譜組束(SBC)。

(1) 主振盪放大

2003 年，美國 NG空間技術的研究人員提出了 MOPA 方案。該方案中主振盪器中的種子雷射被分成多束子光束，對每路子光束都進行兩級放大，最後通過一個準直器陣列把這些放大的子光束整合成一束輸出。其中種子雷射還要另外引出一路光束作為參考光，對參考光擴束以後與整合的輸出光束相交。利用外差法判斷每一路放大的子光束與參考光束的位相差，實時控制相位控制器，調節所有子光束的位相一致，達到鎖相的目的。實驗實現了七路子光束的相干組束，表明泵浦的耦合效率高達 86%，光－光轉換效率達到 82%。當每一路光纖放大器的輸出功率為 155W 時，系統的總功率達到 1kW。MOPA 技術屬於主動調相技術，涉及到複雜的干涉探測和每個雷射器的位相探測，需要複雜的位相探測和調節系統，這是實現該方案所需解決的難點。

(2) 光譜組束

近年來已經有將光－熱－折射率(PTR)無機玻璃中記錄高效率的體布拉格體光柵(VBG)套用於高功率雷射系統的報導，無論是透射還是反射，這種光柵均呈現出對可見光到紅外一個非常寬的光譜區域都有超過 95%的衍射效率的特性。這種光柵還呈現優異的熱、光和機械穩定性。其原理為：只有與這種光柵的布拉格條件相一致的雷射束能夠被折射，而對於其他的雷射束僅僅是一個透明片。

2004 年，中佛羅里達大學的 Ciapurin 等人提出了利用 PTR-VBG 對兩個 100W 摻鐿光纖雷射束的光譜組束。兩摻鐿光纖雷射器的波長分別為 1085nm 和 1096nm，兩雷射束經透鏡準直後入射到 VBG 上。VBG 的波長選擇範圍比單個雷射器的線寬(約 4nm)要大，而小於兩雷射器的波長差 11nm。1096nm 雷射器和 PTR-VBG 均置於高精度二維旋轉台上。調整兩旋轉台，讓兩雷射束對光柵有相同的入射角，並使 1096nm 雷射束滿足體光柵的布拉格條件，則 1085 nm 的雷射束不滿足其布拉格條件。透射過光柵的1085nm 雷射束與被光柵所反射的 1096nm 波長雷射束空間疊加，從而達到增強雷射輸出的目的。 2007 年中佛羅里達大學報導了使用光譜合束的方式，對五路雷射進行了合束，獲得了 773W 的輸出功率，耦合效率達到 91.7%。

(3) 熔錐型光纖合束器組束

全光纖組束採用一個或多個光纖耦合器，將不同光纖雷射器的輸出通過耦合器耦合到一根光纖輸出。各個雷射器之間的位相鎖定是在耦合器中光場相互疊加自動實現的，這種方法屬於被動鎖相，因此系統更加緊湊穩定。與光譜合束的方法相比，該方案對於雷射光譜的寬度和位置要求不高，但是在高功率情況下，合束器本身的損耗和散熱問題是其最大的缺點和難點。

1999 年，Kozlov 等用一個熔錐單模光纖耦合器實現了兩個光纖雷射器的相干組束，觀測到了光纖雷射器的注入鎖定。2002 年，Sabourdy 等利用一個耦合器採用麥可遜干涉腔和利用兩個耦合器採用馬赫－曾德爾干涉腔都實現了兩根摻鉺光纖雷射的相干組束，兩種腔的斜率效率很相近且達到 44%，其中麥可遜干涉腔輸出 96mW，是單個光纖雷射器輸出功率 46mW 的兩倍多；同年，Shirakawa 等用一個耦合器實現了 2 個和 4 個摻鉺光纖雷射器的相干組束，2 個光纖雷射器的相干疊加效率為 93.6%，4 個光纖雷射器相干疊加效率高達 95.6%，觀測到由光纖雷射器長度不同而導致的縱模模式疊加效應。2003 年，Sabourdy 等用 6 個 50:50 的光纖耦合器也實現了 4 個摻鉺光纖雷射器的相干疊加，用 4 個 LD 泵浦，當 4 個 LD 的功率達到 100mW 時總相干輸出功率達到 152mW。2004 年，該小組利用馬赫－曾德爾干涉腔實現了兩個脈衝光纖雷射器的相干組束，搭成了一個 Q 開關馬赫－曾德爾光纖雷射器(QSMZFL)，他們在一個光纖雷射器中接入一根單模光纖(SMF)，另一個光纖雷射器中插入一個偏振控制器(PC)，在共用反饋的光纖中接入一個聲光調 Q 關。兩個實驗裝置都獲得了 650ns 的脈衝，當泵浦功率為 200mW 時，Q 開關馬赫-曾德爾光纖雷射器脈衝重複頻率為 10kH，且平均輸出功率達到17.6mW，是 Q開關單光纖雷射器平均輸出功率10.8mW 的1.7倍。2005 年的 CLEO 會議上，來自 Malibo 高能研究室的 Hans. Bruesselbach 等人報導了使用自組織相干原理，將 10 個單纖雷射器成功組束，輸出功率達到 200W，研究小組特意強調了這種相干合成方式高功率輸出的可行性，200W 的輸出僅僅是由於泵浦源功率 的限制。 2005 年，南開大學陳昇平等採用同樣的裝置利用可調諧帶通濾波(TBF)技術實現了 1530nm 到 1570nm 的可調諧相干光纖雷射輸出。 目前 ITF已經推出了單臂輸入功率 100W 的 7×1 光纖合束器產品，並在高功率下能保證其穩定性。

2多模光纖合束器的基本原理及結構

多模光纖合束器是高功率光纖雷射器、放大器以及光交換網路的關鍵器件。 以前傳統的通過透鏡聚焦進入光纖端面的耦合方法,其穩定性和可靠性都較差,很難獲得能夠體現全光纖無縫連線的方案設計，採用多模光纖合束器則可以解決上述問題。多模光纖合束器將多根光纖組成的光纖束逐漸收縮為單根與雙包層光纖尺寸相匹配的多模光纖，再與雙包層光纖連線。這種技術適用於多個帶尾纖的大功率二極體同時泵浦。而且可以將光纖束中心的一根多模光纖替換為適於信號光傳輸的單模光纖與雙包層光纖纖芯熔接，這樣泵光可以從多模光纖耦合到摻雜光纖內包層中，而信號光可以從中心的單模光纖耦合到纖芯中，從而可以實現環形腔的結構設計，使得耦合系統結構靈活，因此多模光纖合束器是一種非常有用的耦合器件。

多模光纖合束器的套用已經非常廣泛，多模光纖合束器最早由美國的IPG 提出，主要的研製單位有美國的 OFS 、加拿大的 ITF 和法國的 HIGHWAVE 等，表 2.4 為國外主要研製產品的技術參數，國內目前仍然處於基礎研究的初級階段，我們利用現有設備和自己研製的光纖，進行了多模光纖耦合器的研究。

多模光纖合束器按其套用方式可以分成兩類,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)×1 光纖合束器。前者主要用於高功率光纖雷射器中，後者主要在高功率光纖放大器的設計中使用。

N ×1 光纖合束器將N 根多模輸入光纖熔融拉錐並截斷,然後和一根多模光纖熔接形成N ×1 結構的光纖合束器。該類型器件可以實現多個泵浦半導體雷射器到增益光纖的高效耦合，在無需信號光注入的光纖雷射器中可以作為耦合系統來使用，所以N ×1 光纖合束器特別適合於高功率光纖雷射器的研製需要，這種器件主要用在光纖雷射器中, 將N 個半導體雷射器輸出的雷射通過N ×1 光纖合束器合併進單根光纖輸出,或直接和光纖雷射器的增益光纖熔接在一起,如果在光纖中寫入光柵,則可以構成全光纖雷射器。

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單模光纖。在製作過程中,將N根多模光纖緊密地放在一根單模光纖周圍,然後熔融拉錐,從熔錐區中間截斷,並和一根雙包層光纖熔接。這種光纖合 束器可以用於光纖放大器中,構成全光纖的光纖放大器,中間的單模光纖用於信號光的輸入。

多模光纖合束器的優點是可以將多束泵浦光高效地合併到一根光纖，在耦合過程中光束參數乘積（BPP）是否匹配決定著耦合效率的高低，因此在光纖合束器的設計和製作中要滿足下面兩個基本條件：

(1) 對輸入光纖的數目 N 有一定的限制。為了使光纖束熔融拉錐後能夠與輸出光纖很好地熔接,必須要求光纖束的橫截面為圓形,並且光纖要緊密地排列在一起,以減少光纖束中光纖之間的空隙,便於光纖束的拉制。當然對於 N ×1 光纖合束器,不一定要求對稱排列。但是,對於( N + 1)×1 的光纖合束器,因為中心的一根光纖是單模信號光纖,所以多模光纖要圍繞著單模光纖排列。如果光纖是按照正六邊形的緊密排列。(2) 多根多模光纖內傳輸的光，通過合束耦合到一根光纖內傳輸，根據光束傳播過程中光束參數乘積匹配的原理。

3多模光纖合束器的研製

多模光纖耦合器的研製工藝，採用了熔融拉錐後熔接的製作工藝。比較採用微透鏡轉換器等工藝而言，該工藝方法簡單靈活，效率高，製作器件的性能較好而且穩定。實驗裝置主要包括一台熔融拉錐機（帶特殊夾具）、一台熔接機，其中熔融拉錐機及其夾具：

實驗所用熔融拉錐機的基本原理，只是所帶夾具經過了特殊的設計。為了便於光纖組束，選擇7個與光纖尺寸匹配的鋼針，按照中間一個、外邊6個正六邊形排列的規則製作成鋼針束，鋼針束固定在一個圓形鋼管中間，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台上。熔接機為愛利信的PM995熔接機，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，在通電的情況下產生電弧放電，通過調整通電電流實現對不同芯徑光纖的融化。熔融狀態的光纖依靠精密電機的控制進行對中和熔接，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有以下幾點：

（1）合束器用光纖的選擇 輸入多模光纖的參數設計值為纖芯直徑62.5μm，包層直徑125μm，數值孔徑0.22和纖芯直徑105μm，包層直徑125μm，數值孔徑0.22兩種；根據(2.2)式，合束器輸出光纖的BPP參數必須大於輸入光纖束的BPP值，所以輸出光纖參數設多模光纖合束器用熔融拉錐機（a）光纖夾具計值為：纖芯直徑10μm，包層直徑125μm，數值孔徑0.46以及纖芯直徑15μm，包層直徑200μm，數值孔徑0.46兩種。

（2）光纖預處理工藝 把選擇好的輸入多模光纖截成長度相同的6段（長度2m），在預熔接處將塗覆層去除適當長度，採用超音波清洗的辦法去除光纖表面殘留塗料以及灰塵，清洗後用酒精擦拭乾淨，並密閉保存備用。輸出光纖預處理過程遵循同樣的工藝。

（3）拉錐工藝 把預處理好的光纖放置到特製的光纖夾具中固定，通過流量計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，精確調節火焰高度、拉錐速度、拉錐長度等各項參數，確保拉制出滿足需要的熔錐區結構和尺寸。

（4）熔接工藝 採用特殊的光纖切割刀將熔錐後的光纖束進行切割，用超音波清洗切割合格的熔錐端面1～2分鐘，取出乾燥。根據熔錐區的結構和尺寸，選擇適合的夾具，放到高精度的光纖熔接機上精確對準，選擇熔接機合適的熔接參數進行熔接。

（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，石英管外套不鏽鋼管，確保合束器的強度滿足使用要求。

採用上述工藝，實驗分別採用不同的光纖組合進行了多模光纖合束器的研究，研製出了結構分別為 3x1、6x1 兩種多模光纖合束器。通過研究發現，不管採用哪一種結構類型的多模光纖合束器，所使用光纖的性能對耦合效率的影響最大。

實驗首先用纖芯直徑 105μm，包層直徑 125μm，數值孔徑 0.22 的多模光纖作為輸入輸出光纖，研製了 3x1 的多模光纖合束器，平均耦合效率的測量結果只有 30%，表明輸入光功率在耦合過程中損耗很大。所以實驗改用了纖芯直徑10μm，包層直徑 125μm，數值孔徑 0.46 的無源雙包層光纖作為輸出光纖，其BPP 值滿足式（2.2）的要求，測量發現合束器平均耦合效率有了明顯提高，達到了 90%，和國際同類型產品的性能基本一致，而且實驗和理論上預想的結果非常吻合。實驗後來又分別採用纖芯直徑 15μm，包層直徑 200μm，數值孔徑 0.46 的無源雙包層光纖和纖芯直徑 200μm，包層直徑 220μm，數值孔徑 0.46 的 PCS光纖做輸出光纖，對合束器進行了最佳化，平均耦合效率分別提高到 92%和 93%，和最佳化前耦合效率相比沒有明顯提高，實驗結果表明通過繼續提高輸出光纖的BPP 參數，效果已經不太明顯，所以要進一步最佳化合束器的耦合效率，必須在拉錐工藝中加強錐形的控制，減少附加損耗的產生，同時考慮減少熔接損耗。