熔錐型光纖側面泵浦耦合器的研究

申向偉，王大貴，吳中超，王曉新，何曉亮

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

近年來，高功率光纖激光器應用廣泛，如在計算機和微電子制造業中用于各種不同類型的數據存儲和微電子加工,在印刷業和圖像顯示中用于各種圖像處理,在工業制造業中用于傳統工業制造加工和金屬切割焊接,在醫藥衛生業中用于心血管病的心臟造影、激光美容等。泵浦耦合器的好壞是決定光纖激光器輸出性能優劣的關鍵。

制作高效泵浦耦合的常用方式有光纖側面泵浦和光纖端面泵浦兩種。光纖端面泵浦制作方式會產生與泵浦光注入方向幾乎垂直的熔接端面，該端面產生的反射光會沿原光路返回泵浦，對泵浦產生損壞，極大地限制了注入泵浦光功率。光纖側面泵浦耦合方式中注入的泵浦光方向與耦合端面有較大的角度，反射光不會沿泵浦光原光路返回，避免了對泵浦光的影響，如此能夠提高泵浦光的注入能量。因此，側面泵浦耦合技術成為高功率泵浦注入技術的主要研究方向。側面泵浦耦合技術主要有以下幾種：側面V呈槽泵浦耦合技術[1]、側面角度磨拋泵浦耦合技術[2]、側面嵌入反射鏡泵浦耦合技術[3]及側面熔錐泵浦耦合技術[4-6]等。側面V槽泵浦耦合技術，因V槽嵌入內包層，對在內包層內傳輸的泵浦光損耗較大。側面角度磨拋泵浦耦合技術對光纖端面磨拋工藝要求很高，且在高功率泵浦光注入下，粘合的光學膠會吸收泵浦光能量，產生分解或揮發，從而降低泵浦效率。該方法可以得到較高的耦合效率，但能承受的功率較低[7-9]。側面V槽和側面嵌入反射鏡耦合技術都會對內包層中傳輸的泵浦光產生較大的損耗。側面熔錐泵浦耦合技術不但可以實現增益光纖的多點泵浦，還可有效屏蔽增益光纖的后向傳輸光，這樣既可提高信號光輸出光功率，還可避免反射泵浦光對泵浦源的損壞。

本文使用熔融拉錐方法制作側面泵浦耦合器，創新性地提出了在熔融拉錐過程中對粗光纖進行預拉的方式。

1 制作原理和實驗裝置

1.1 制作原理

熔錐側面泵浦耦合器不僅可以提高注入增益光纖的泵浦光功率，而且可以實現增益光纖的多泵浦耦合，結構示意圖如圖1所示。整個耦合器由泵浦輸入端、信號輸入/輸出端以及閑置端組成。泵浦輸入端一般根據所使用的泵浦光源選擇相匹配光纖。為了盡量減小與前后系統熔接損耗，信號輸入/輸出端光纖采用與前后系統匹配的光纖。閑置端是泵浦光纖耦合后形成的無用端，其功率較少，一般可以去掉。

全光纖化設計的光纖熔錐側面泵浦耦合技術具備增益光纖在線泵浦和多點泵浦的功能。在有效放大信號光的同時，還可以通過熔錐斜面有效抑制后向反射光，提高整個光路系統的穩定性，對全光纖結構的高功率激光器輸出功率和穩定性都具有提升作用。

1.2 實驗裝置

采用高溫H2/O2火焰熔融拉錐方法制作側面泵浦耦合器的裝置原理圖如圖2所示。其主要包括915 nm泵浦光源，105/125 μm多模光纖，10/125 μm非摻雜雙包層光纖，熔融型耦合平臺。

具體實驗過程如下：采用輸出波長為915 nm、輸出功率為1 W的多模半導體激光器作為泵浦源，輸出尾纖為105/125 μm、數值孔徑為0.22的標準多模光纖。在泵浦源的尾纖上熔接一段同種類型的多模光纖備用。信號光纖采用10/125 μm非摻雜雙包層光纖。將泵浦和信號光纖后端各預留約1 m長度(根據實際需求確定)，然后將光纖涂覆層剝除2～3 cm作為熔融耦合拉錐區域。首先將105/125 μm光纖清洗并固定在光纖夾具上進行預拉，然后清洗10/125 μm非摻雜雙包層光纖，反向轉動拉錐機電機，將兩根光纖纏繞成一定角度，最后移動火頭熔融拉錐。預拉光纖前后對照圖、兩根光纖纏繞圖和光纖熔拉圖分別如圖3～5所示。

通過光功率計(PM)實時探測10/125 μm非摻雜雙包層光纖的輸出功率，當輸出光功率最大時停止拉錐。對光纖耦合區進行封裝，并采用915 nm和 1 064 nm光源分別作為泵浦光源和信號光源進行參數測試。

2 結果與討論

側面泵浦耦合器注入的泵浦光功率通過泵浦光纖的纖芯耦合到信號光纖的內包層，實現泵浦光對信號光的放大作用。泵浦光纖(105/125 μm光纖)預拉長度決定了泵浦光纖的纖芯直徑，泵浦光纖纖芯直徑決定了兩根光纖打結時(未熔融拉錐時)泵浦光耦合進入信號光纖(10/125 μm非摻雜雙包層光纖)的功率。取泵浦光輸入功率為1 W，η初表示泵浦光纖和信號光纖打結完成未熔融拉錐時，泵浦光從纖芯耦合進入信號光纖的功率與泵浦光原功率之比。圖6為泵浦光纖預拉長度對η初的影響。

由圖6可以看出，隨著泵浦光纖預拉長度的增加，初始耦合進入信號光纖的功率不斷增加，但隨著泵浦光纖預拉長度的增加，泵浦光纖的纖芯逐漸變細，這樣既不利于后續的熔融拉錐耦合，也不利于手工操作，所以需要合理選擇泵浦光纖的預拉長度。

在上述的預拉長度基礎上，使信號光纖和泵浦光纖打結熔融拉錐，使用功率計PM測量信號光纖中的輸出功率η終表示兩個光纖熔融拉錐后，泵浦光功率耦合到信號光纖功率與泵浦光原功率之比。圖7為泵浦光纖預拉長度對η終的影響關系圖。

由圖7可以看出，隨著泵浦光纖預拉長度的增加，耦合進入信號光纖的功率先增加后減小，在預拉長度為9 000 μm時達到最大耦合輸出功率820 mW，實現了泵浦光能量(1 W)到信號光纖的82%的轉化效率。最后對耦合器進行封裝，并采用915 nm和1 064 nm光源分別作為泵浦光源和信號光源測試了信號光通過率，信號輸入與泵浦輸入的隔離度，耦合器泵浦光反向隔離度。測試結果表明，泵浦光纖-信號光纖轉換效率82%，信號光損耗0.09 dB，信號光輸入-泵浦光輸入隔離度33 dB，泵浦光反向隔離度24 dB。泵浦合束器實物圖如圖8所示。

由圖7可以看出，隨著泵浦光纖預拉長度的增加，η終先增加后減小。在光纖、火頭等參數確定的情況下，本方案泵浦光纖預拉長度9 000 μm為最佳值。我們采用自制的泵浦耦合器制作了平均20 W，峰值功率為7 kW的脈沖光纖激光器，激光器實物圖和光脈沖測試圖分別如圖9、10所示。

該激光器經用戶試用后，其性能和可靠性得到用戶的認可，進一步驗證了采用本方案制作泵浦耦合器的可靠性。

3 結束語

本文采用高溫H2/O2火焰熔融拉錐方法得到了泵浦光纖-信號光纖轉換效率82%，信號光損耗0.09 dB，信號光輸入-泵浦光輸入隔離度33 dB，泵浦光反向隔離度24 dB的高效泵浦耦合器。采用該耦合器在自制脈沖光纖激光器上進行實驗，驗證了該耦合器的性能和可靠性，實現了峰值功率7 kW，平均功率20 W的穩定激光輸出。采用此預拉方法制作的側面泵浦耦合器在高功率光纖激光器和放大器中具有良好的應用前景。