光纤熔融拉锥。 2100433B

光纤合束器制作。

基于传统双包层光纤的光纤合束器以(6 1)×1 光纤合束器制作为例, 分析利用传统双包层光纤制作光纤合束器的工艺。(6 1)×1 光纤合束器由6 根多模光纤和1 根单模光纤熔融拉锥后和一根双包层光纤熔接在一起构成, 可称之为多模-单模-双包层光纤合束器。双包层光纤, 它由纤芯、内包层和外包层组成, 纤芯的模场直径为2ω1 , 内包层的直径为d1 , 数值孔径(NA)为DNA1 ;所示为单模光纤, 其模场直径近似于2ω1 , 包层直径为d2 , 其中d2

(3)把预拉伸后的多模光纤均匀排列在单模光纤的周围成为光纤束, 用特制的夹具将其两端固定,将光纤束放在约1 000 ℃的火焰下加热, 同时夹具围绕单模光纤纤芯方向旋转, 使夹具间的光纤束受热均匀, 并熔融。

(4)在光纤束横截面直径为d5 处切割, 形成光滑的切面, d5 约等于双包层光纤的内包层直径　(5)将切割后的光纤束与双包层光纤熔接在一起。值得注意的是, 在熔接时, 光纤束中单模光纤的纤芯与双包层光纤的纤芯必须对准。根据需要, 也可以在单模光纤的周围排列多层多模光纤,排列的多模光纤越多, 预拉伸时, 多模光纤末端的直径d4 就要越小。

另外, 以上所提到的多模-单模-双包层光纤合束器可以做成多模-多模-多模光纤合束器, 即将光纤束中间的单模光纤换成多模光纤, 工艺步骤同上。然而, 当多模光纤束输出端直径和双包层光纤内包层直径完全相匹配时, 输出光纤数值孔径却未被光完全填满, 且在合束器熔接处的光功率分布也不均匀。这是由于光纤束围绕一根中心光纤排列, 锥体中的一些光与输出光纤的纤芯方向成一角度, 所以光功率分布曲线呈四周高, 中间低, 且输出光纤中的数值孔径没有被光完全填满。

通过将光纤束特定部位拉伸, 形成一个直径为d0 的束腰, 使从多模光纤传来的光在束腰处均匀分布, 充分地注入熔接处的数值孔径, 可以显著提高耦合效率。束腰后面是一个均匀增大的反向锥体, 一直到输出光纤。在输出光纤处的光功率分布, 是完全充满输出光纤的。

光纤合束器是在熔融拉锥光纤束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基础上制备的光纤器件。它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束。从锥腰切断后，将锥区输出端与一根输出光纤熔接。TFB 最初的提出是将泵浦光纤和信号光纤熔锥合束到一根双包层增益光纤中，应用在高功率掺饵光纤放大器（EDFA）上。在后来的发展中，这种全光纤的合束器有了多种形变。

光纤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 N1 光纤合束器和包含信号光纤的（N 1）光纤合束器。

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。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 N1 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 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。

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。

光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、体积小、质量轻、易散热、工作稳定性好等众多优点, 已经成为世界各国的研究热点。现在大功率光纤激光器、光纤放大器采用的双包层掺杂光纤, 相对于从半导体泵浦激光器发出的多模泵浦光束的大发散角,其内包层的直径很小, 因此把泵浦光有效耦合到掺杂双包层光纤的内包层是一个难题。人们发明了很多泵浦耦合技术, 大体上可分为端面泵浦和侧面泵浦。端面泵浦技术是从双包层光纤的一个或者两个端面将泵浦光耦合到内包层, 主要采用直接熔接耦合、透镜组耦合和锥导管耦合等方式。侧面泵浦耦合技术是从双包层光纤的侧面将泵浦光耦合到内包层, 主要有分布包层泵浦耦合 、微棱镜侧面耦合、V 型槽侧面耦合 、嵌入透镜式侧面泵浦耦合 、角度磨抛侧面泵浦耦合 、光栅侧面泵浦耦合等。

通过对耦合效率、系统稳定性、结构紧凑性、复杂度、可扩展性、制作难易程度等相关指标的对比发现, 利用光纤合束器的分布包层泵浦耦合技术具有很大的优势, 可以满足高功率光纤激光器泵浦耦合的需要。随着空气包层光子晶体光纤(PCF)制造工艺的日臻成熟, 空气包层PCF 的大数值孔径、大模场直径有利于提高光纤激光器、光纤放大器的泵浦功率和泵浦效率, 减小光纤激光器、光纤放大器的非线性效应, 有利于提高输出功率。下面就采用传统双包层光纤和空气包层PCF 制作光纤合束器的主要制作工艺进行分析。