多模光纤合束器是高功率光纤激光器、放大器以及光交换网络的关键器件。 以前传统的通过透镜聚焦进入光纤端面的耦合方法,其稳定性和可靠性都较差,很难获得能够体现全光纤无缝连接的方案设计，采用多模光纤合束器则可以解决上述问题。多模光纤合束器将多根光纤组成的光纤束逐渐收缩为单根与双包层光纤尺寸相匹配的多模光纤，再与双包层光纤连接。这种技术适用于多个带尾纤的大功率二极管同时泵浦。而且可以将光纤束中心的一根多模光纤替换为适于信号光传输的单模光纤与双包层光纤纤芯熔接，这样泵光可以从多模光纤耦合到掺杂光纤内包层中，而信号光可以从中心的单模光纤耦合到纤芯中，从而可以实现环形腔的结构设计，使得耦合系统结构灵活，因此多模光纤合束器是一种非常有用的耦合器件。

多模光纤合束器的应用已经非常广泛，多模光纤合束器最早由美国的IPG 提出，主要的研制单位有美国的 OFS 、加拿大的 ITF 和法国的 HIGHWAVE 等，表 2.4 为国外主要研制产品的技术参数，国内目前仍然处于基础研究的初级阶段，我们利用现有设备和自己研制的光纤，进行了多模光纤耦合器的研究。

多模光纤合束器按其应用方式可以分成两类,不包含信号光纤的N ×1 光纤合束器和包含信号光纤的(N 1)×1 光纤合束器。前者主要用于高功率光纤激光器中，后者主要在高功率光纤放大器的设计中使用。

N ×1 光纤合束器将N 根多模输入光纤熔融拉锥并截断,然后和一根多模光纤熔接形成N ×1 结构的光纤合束器。该类型器件可以实现多个泵浦半导体激光器到增益光纤的高效耦合，在无需信号光注入的光纤激光器中可以作为耦合系统来使用，所以N ×1 光纤合束器特别适合于高功率光纤激光器的研制需要，这种器件主要用在光纤激光器中, 将N 个半导体激光器输出的激光通过N ×1 光纤合束器合并进单根光纤输出,或直接和光纤激光器的增益光纤熔接在一起,如果在光纤中写入光栅,则可以构成全光纤激光器。

和N×1光纤合束器不同, ( N 1)×1光纤合束器中心的一根光纤是单模光纤。在制作过程中,将N根多模光纤紧密地放在一根单模光纤周围,然后熔融拉锥,从熔锥区中间截断,并和一根双包层光纤熔接。这种光纤合 束器可以用于光纤放大器中,构成全光纤的光纤放大器,中间的单模光纤用于信号光的输入。

多模光纤合束器的优点是可以将多束泵浦光高效地合并到一根光纤，在耦合过程中光束参数乘积（BPP）是否匹配决定着耦合效率的高低，因此在光纤合束器的设计和制作中要满足下面两个基本条件：

(1) 对输入光纤的数目 N 有一定的限制。为了使光纤束熔融拉锥后能够与输出光纤很好地熔接,必须要求光纤束的横截面为圆形,并且光纤要紧密地排列在一起,以减少光纤束中光纤之间的空隙,便于光纤束的拉制。当然对于 N ×1 光纤合束器,不一定要求对称排列。但是,对于( N 1)×1 的光纤合束器,因为中心的一根光纤是单模信号光纤,所以多模光纤要围绕着单模光纤排列。如果光纤是按照正六边形的紧密排列。(2) 多根多模光纤内传输的光，通过合束耦合到一根光纤内传输，根据光束传播过程中光束参数乘积匹配的原理。

随着激光应用技术的发展，在激光武器、材料加工、空间光通讯、遥感、激光雷达和光电对抗等诸多领域都需要高功率、高质量和高亮度的激光束。在单根光纤不能达到要求时，就需要通过对单纤光纤激光器进行组束以获得高功率。普通的并束合束技术可以达到功率要求，但是这种方法在高功率下的光束质量恶化很快，只能满足在近距离工作时的需要，对于长距离工作的激光器需要使用相干组束技术。相干组束技术能使多路激光束通过相干叠加，在输出功率得以提高的同时保持光束质量良好，已经成为国际上研究的热点。目前国内外的研究人员已经提出多种相干组束技术，主要有主振荡放大、熔锥型光纤合束器、光谱组束(SBC)。

(1) 主振荡放大

2003 年，美国 NG空间技术的研究人员提出了 MOPA 方案。该方案中主振荡器中的种子激光被分成多束子光束，对每路子光束都进行两级放大，最后通过一个准直器阵列把这些放大的子光束整合成一束输出。其中种子激光还要另外引出一路光束作为参考光，对参考光扩束以后与整合的输出光束相交。利用外差法判断每一路放大的子光束与参考光束的位相差，实时控制相位控制器，调节所有子光束的位相一致，达到锁相的目的。实验实现了七路子光束的相干组束，表明泵浦的耦合效率高达 86%，光－光转换效率达到 82%。当每一路光纤放大器的输出功率为 155W 时，系统的总功率达到 1kW。MOPA 技术属于主动调相技术，涉及到复杂的干涉探测和每个激光器的位相探测，需要复杂的位相探测和调节系统，这是实现该方案所需解决的难点。

(2) 光谱组束

近年来已经有将光－热－折射率(PTR)无机玻璃中记录高效率的体布拉格体光栅(VBG)应用于高功率激光系统的报道，无论是透射还是反射，这种光栅均呈现出对可见光到红外一个非常宽的光谱区域都有超过 95%的衍射效率的特性。这种光栅还呈现优异的热、光和机械稳定性。其原理为：只有与这种光栅的布拉格条件相一致的激光束能够被折射，而对于其他的激光束仅仅是一个透明片。

2004 年，中佛罗里达大学的 Ciapurin 等人提出了利用 PTR-VBG 对两个 100W 掺镱光纤激光束的光谱组束。两掺镱光纤激光器的波长分别为 1085nm 和 1096nm，两激光束经透镜准直后入射到 VBG 上。VBG 的波长选择范围比单个激光器的线宽(约 4nm)要大，而小于两激光器的波长差 11nm。1096nm 激光器和 PTR-VBG 均置于高精度二维旋转台上。调整两旋转台，让两激光束对光栅有相同的入射角，并使 1096nm 激光束满足体光栅的布拉格条件，则 1085 nm 的激光束不满足其布拉格条件。透射过光栅的1085nm 激光束与被光栅所反射的 1096nm 波长激光束空间叠加，从而达到增强激光输出的目的。 2007 年中佛罗里达大学报道了使用光谱合束的方式，对五路激光进行了合束，获得了 773W 的输出功率，耦合效率达到 91.7%。

(3) 熔锥型光纤合束器组束

全光纤组束采用一个或多个光纤耦合器，将不同光纤激光器的输出通过耦合器耦合到一根光纤输出。各个激光器之间的位相锁定是在耦合器中光场相互叠加自动实现的，这种方法属于被动锁相，因此系统更加紧凑稳定。与光谱合束的方法相比，该方案对于激光光谱的宽度和位置要求不高，但是在高功率情况下，合束器本身的损耗和散热问题是其最大的缺点和难点。

1999 年，Kozlov 等用一个熔锥单模光纤耦合器实现了两个光纤激光器的相干组束，观测到了光纤激光器的注入锁定。2002 年，Sabourdy 等利用一个耦合器采用迈克尔逊干涉腔和利用两个耦合器采用马赫－曾德尔干涉腔都实现了两根掺铒光纤激光的相干组束，两种腔的斜率效率很相近且达到 44%，其中迈克尔逊干涉腔输出 96mW，是单个光纤激光器输出功率 46mW 的两倍多；同年，Shirakawa 等用一个耦合器实现了 2 个和 4 个掺铒光纤激光器的相干组束，2 个光纤激光器的相干叠加效率为 93.6%，4 个光纤激光器相干叠加效率高达 95.6%，观测到由光纤激光器长度不同而导致的纵模模式叠加效应。2003 年，Sabourdy 等用 6 个 50:50 的光纤耦合器也实现了 4 个掺铒光纤激光器的相干叠加，用 4 个 LD 泵浦，当 4 个 LD 的功率达到 100mW 时总相干输出功率达到 152mW。2004 年，该小组利用马赫－曾德尔干涉腔实现了两个脉冲光纤激光器的相干组束，搭成了一个 Q 开关马赫－曾德尔光纤激光器(QSMZFL)，他们在一个光纤激光器中接入一根单模光纤(SMF)，另一个光纤激光器中插入一个偏振控制器(PC)，在共用反馈的光纤中接入一个声光调 Q 关。两个实验装置都获得了 650ns 的脉冲，当泵浦功率为 200mW 时，Q 开关马赫-曾德尔光纤激光器脉冲重复频率为 10kH，且平均输出功率达到17.6mW，是 Q开关单光纤激光器平均输出功率10.8mW 的1.7倍。2005 年的 CLEO 会议上，来自 Malibo 高能研究室的 Hans. Bruesselbach 等人报道了使用自组织相干原理，将 10 个单纤激光器成功组束，输出功率达到 200W，研究小组特意强调了这种相干合成方式高功率输出的可行性，200W 的输出仅仅是由于泵浦源功率 的限制。 2005 年，南开大学陈升平等采用同样的装置利用可调谐带通滤波(TBF)技术实现了 1530nm 到 1570nm 的可调谐相干光纤激光输出。 目前 ITF已经推出了单臂输入功率 100W 的 7×1 光纤合束器产品，并在高功率下能保证其稳定性。

多模光纤耦合器的研制工艺，采用了熔融拉锥后熔接的制作工艺。比较采用微透镜转换器等工艺而言，该工艺方法简单灵活，效率高，制作器件的性能较好而且稳定。实验装置主要包括一台熔融拉锥机（带特殊夹具）、一台熔接机，其中熔融拉锥机及其夹具：

实验所用熔融拉锥机的基本原理，只是所带夹具经过了特殊的设计。为了便于光纤组束，选择7个与光纤尺寸匹配的钢针，按照中间一个、外边6个正六边形排列的规则制作成钢针束，钢针束固定在一个圆形钢管中间，圆形钢管的尾端与磁性底座相拧，利用磁性底座吸附在拉伸平台上。熔接机为爱利信的PM995熔接机，光纤融化利用的是电弧放电的方式，两根钨电极的针尖相对，在通电的情况下产生电弧放电，通过调整通电电流实现对不同芯径光纤的融化。熔融状态的光纤依靠精密电机的控制进行对中和熔接，完成光纤束锥体与输出光纤的耦合。

具体的研究方法及途经有以下几点：

（1）合束器用光纤的选择 输入多模光纤的参数设计值为纤芯直径62.5μm，包层直径125μm，数值孔径0.22和纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22两种；根据(2.2)式，合束器输出光纤的BPP参数必须大于输入光纤束的BPP值，所以输出光纤参数设多模光纤合束器用熔融拉锥机（a）光纤夹具计值为：纤芯直径10μm，包层直径125μm，数值孔径0.46以及纤芯直径15μm，包层直径200μm，数值孔径0.46两种。

（2）光纤预处理工艺 把选择好的输入多模光纤截成长度相同的6段（长度2m），在预熔接处将涂覆层去除适当长度，采用超声波清洗的办法去除光纤表面残留涂料以及灰尘，清洗后用酒精擦拭干净，并密闭保存备用。输出光纤预处理过程遵循同样的工艺。

（3）拉锥工艺 把预处理好的光纤放置到特制的光纤夹具中固定，通过流量计控制氢气和氧气的流量，把火焰温度控制在适合熔融拉锥的状态，精确调节火焰高度、拉锥速度、拉锥长度等各项参数，确保拉制出满足需要的熔锥区结构和尺寸。

（4）熔接工艺 采用特殊的光纤切割刀将熔锥后的光纤束进行切割，用超声波清洗切割合格的熔锥端面1～2分钟，取出干燥。根据熔锥区的结构和尺寸，选择适合的夹具，放到高精度的光纤熔接机上精确对准，选择熔接机合适的熔接参数进行熔接。

（5）封装工艺 将熔接好的合束器放置到合适尺寸的半玻管中，用胶固定，在半玻管外套上石英管，石英管两头用胶封堵，石英管外套不锈钢管，确保合束器的强度满足使用要求。

采用上述工艺，实验分别采用不同的光纤组合进行了多模光纤合束器的研究，研制出了结构分别为 3x1、6x1 两种多模光纤合束器。通过研究发现，不管采用哪一种结构类型的多模光纤合束器，所使用光纤的性能对耦合效率的影响最大。

实验首先用纤芯直径 105μm，包层直径 125μm，数值孔径 0.22 的多模光纤作为输入输出光纤，研制了 3x1 的多模光纤合束器，平均耦合效率的测量结果只有 30%，表明输入光功率在耦合过程中损耗很大。所以实验改用了纤芯直径10μm，包层直径 125μm，数值孔径 0.46 的无源双包层光纤作为输出光纤，其BPP 值满足式（2.2）的要求，测量发现合束器平均耦合效率有了明显提高，达到了 90%，和国际同类型产品的性能基本一致，而且实验和理论上预想的结果非常吻合。实验后来又分别采用纤芯直径 15μm，包层直径 200μm，数值孔径 0.46 的无源双包层光纤和纤芯直径 200μm，包层直径 220μm，数值孔径 0.46 的 PCS光纤做输出光纤，对合束器进行了优化，平均耦合效率分别提高到 92%和 93%，和优化前耦合效率相比没有明显提高，实验结果表明通过继续提高输出光纤的BPP 参数，效果已经不太明显，所以要进一步优化合束器的耦合效率，必须在拉锥工艺中加强锥形的控制，减少附加损耗的产生，同时考虑减少熔接损耗。

泵浦合束器光纤合束器的分类

根据使用功能分类，光纤合束器可以分为两大类：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是将多路单模激光合束到一根光纤中输出，用来提高激光的输出功率（也称单模-多模光纤合束器）。泵浦合束器主要是将多路泵浦光合束到一根光纤中输出，主要用来提高泵浦功率（也称多模-多模光纤合束器）。光纤合束器按照其构成方式又可以分成两类，不包含信号光纤的 N1 光纤合束器和包含信号光纤的（N 1）光纤合束器。

N1 光纤合束器的 N 根输入光纤是相同的，这种器件主要用在光纤激光器系统中。N1 光纤合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纤合束器的 N 路输入光纤与多个泵浦源相连，用来提高多模泵浦光输入功率，则是泵浦合束器；如果 N 路输入光纤与激光器连接，用来提高激光合成功率，则是功率合束器。和 N1 光纤合束器不同，（N 1）1 光纤合束器中心的一根光纤是信号光纤。在制作过程中，N 根多模光纤必须紧密对称地排列信号光纤周围，中间的信号光纤用于信号光的输入，这种光纤合束器主要用于光纤放大器。

泵浦合束器光纤合束器在光纤激光系统中的应用

通过改变光纤合束器的输入光纤类型，就可以实现不同功能的合束器。光纤合束器在拉锥前输入光纤端面排布示意图，图中的普通光纤可以是多模光纤，也可以是单模光纤，还可以是大模场光纤等。

随着高亮度泵浦半导体、掺杂双包层有源光纤等技术的发展，光纤激光器的输出功率得到飞速提升。国际上已经实现了单模10kW量级的全光纤激光输出。国内在高功率光纤激光器领域起步较晚，目前取得了较大的进步，多家单位和科研院所的输出功率已可突破千瓦。但是，国内高功率光纤激光系统中，大都使用了国外的器件。在全光纤结构光纤激光器/放大器中，大模场掺杂光纤、高亮度泵浦源、泵浦合束器是实现高功率的光纤激光器的关键器件，由于西方国家对中国的技术封锁和产品禁运，严重限制了中国高功率光纤激光的发展。因此，研制基于国产器件的高功率光纤激光器对中国光纤激光技术的发展具有重要的战略意义。

在全光纤结构光纤激光器/放大器中，除了掺杂光纤、高亮度泵浦源外，泵浦合束的功率特性直接影响激光器/放大器最终输出功率。，国外商品化的光纤合束器单臂功率已经突破200W，国内尚无单臂大于50W合束器的报道。因此，研究高功率条件下，国产光纤泵浦合束器的热效应，分析器件温度分布规律，设计相应的热管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最终实现基于国产器件高功率光纤激光器。

泵浦合束器的内部结构一般为全光纤结构,光纤之间一般采用直接溶接的方式结合,端面直接溶融耦合与侧面溶接亲合所形成的这类结构就可称作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度较高,稳定性较好可承受功率和亲合效率也比较高。随着光纤激光器的全光纤化发展,泵浦合束器已作为泵浦耦合的最主要手段应用于各类光纤激光器中。