熔錐型光纖側(cè)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

近年來(lái)，高功率光纖激光器應(yīng)用廣泛，如在計(jì)算機(jī)和微電子制造業(yè)中用于各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和微電子加工,在印刷業(yè)和圖像顯示中用于各種圖像處理,在工業(yè)制造業(yè)中用于傳統(tǒng)工業(yè)制造加工和金屬切割焊接,在醫(yī)藥衛(wèi)生業(yè)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(yōu)劣的關(guān)鍵。

制作高效泵浦耦合的常用方式有光纖側(cè)面泵浦和光纖端面泵浦兩種。光纖端面泵浦制作方式會(huì)產(chǎn)生與泵浦光注入方向幾乎垂直的熔接端面，該端面產(chǎn)生的反射光會(huì)沿原光路返回泵浦，對(duì)泵浦產(chǎn)生損壞，極大地限制了注入泵浦光功率。光纖側(cè)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(huì)沿泵浦光原光路返回，避免了對(duì)泵浦光的影響，如此能夠提高泵浦光的注入能量。因此，側(cè)面泵浦耦合技術(shù)成為高功率泵浦注入技術(shù)的主要研究方向。側(cè)面泵浦耦合技術(shù)主要有以下幾種：側(cè)面V呈槽泵浦耦合技術(shù)[1]、側(cè)面角度磨拋泵浦耦合技術(shù)[2]、側(cè)面嵌入反射鏡泵浦耦合技術(shù)[3]及側(cè)面熔錐泵浦耦合技術(shù)[4-6]等。側(cè)面V槽泵浦耦合技術(shù)，因V槽嵌入內(nèi)包層，對(duì)在內(nèi)包層內(nèi)傳輸?shù)谋闷止鈸p耗較大。側(cè)面角度磨拋泵浦耦合技術(shù)對(duì)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(xué)膠會(huì)吸收泵浦光能量，產(chǎn)生分解或揮發(fā)，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(cè)面V槽和側(cè)面嵌入反射鏡耦合技術(shù)都會(huì)對(duì)內(nèi)包層中傳輸?shù)谋闷止猱a(chǎn)生較大的損耗。側(cè)面熔錐泵浦耦合技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)增益光纖的多點(diǎn)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(hào)光輸出光功率，還可避免反射泵浦光對(duì)泵浦源的損壞。

本文使用熔融拉錐方法制作側(cè)面泵浦耦合器，創(chuàng)新性地提出了在熔融拉錐過(guò)程中對(duì)粗光纖進(jìn)行預(yù)拉的方式。

1 制作原理和實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 制作原理

熔錐側(cè)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(shí)現(xiàn)增益光纖的多泵浦耦合，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整個(gè)耦合器由泵浦輸入端、信號(hào)輸入/輸出端以及閑置端組成。泵浦輸入端一般根據(jù)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(tǒng)熔接損耗，信號(hào)輸入/輸出端光纖采用與前后系統(tǒng)匹配的光纖。閑置端是泵浦光纖耦合后形成的無(wú)用端，其功率較少，一般可以去掉。

全光纖化設(shè)計(jì)的光纖熔錐側(cè)面泵浦耦合技術(shù)具備增益光纖在線(xiàn)泵浦和多點(diǎn)泵浦的功能。在有效放大信號(hào)光的同時(shí)，還可以通過(guò)熔錐斜面有效抑制后向反射光，提高整個(gè)光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)全光纖結(jié)構(gòu)的高功率激光器輸出功率和穩(wěn)定性都具有提升作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用高溫H2/O2火焰熔融拉錐方法制作側(cè)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(tái)。

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：采用輸出波長(zhǎng)為915 nm、輸出功率為1 W的多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，輸出尾纖為105/125 μm、數(shù)值孔徑為0.22的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖。在泵浦源的尾纖上熔接一段同種類(lèi)型的多模光纖備用。信號(hào)光纖采用10/125 μm非摻雜雙包層光纖。將泵浦和信號(hào)光纖后端各預(yù)留約1 m長(zhǎng)度(根據(jù)實(shí)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(qū)域。首先將105/125 μm光纖清洗并固定在光纖夾具上進(jìn)行預(yù)拉，然后清洗10/125 μm非摻雜雙包層光纖，反向轉(zhuǎn)動(dòng)拉錐機(jī)電機(jī)，將兩根光纖纏繞成一定角度，最后移動(dòng)火頭熔融拉錐。預(yù)拉光纖前后對(duì)照?qǐng)D、兩根光纖纏繞圖和光纖熔拉圖分別如圖3～5所示。

通過(guò)光功率計(jì)(PM)實(shí)時(shí)探測(cè)10/125 μm非摻雜雙包層光纖的輸出功率，當(dāng)輸出光功率最大時(shí)停止拉錐。對(duì)光纖耦合區(qū)進(jìn)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(hào)光源進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

側(cè)面泵浦耦合器注入的泵浦光功率通過(guò)泵浦光纖的纖芯耦合到信號(hào)光纖的內(nèi)包層，實(shí)現(xiàn)泵浦光對(duì)信號(hào)光的放大作用。泵浦光纖(105/125 μm光纖)預(yù)拉長(zhǎng)度決定了泵浦光纖的纖芯直徑，泵浦光纖纖芯直徑?jīng)Q定了兩根光纖打結(jié)時(shí)(未熔融拉錐時(shí))泵浦光耦合進(jìn)入信號(hào)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(hào)光纖打結(jié)完成未熔融拉錐時(shí)，泵浦光從纖芯耦合進(jìn)入信號(hào)光纖的功率與泵浦光原功率之比。圖6為泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度對(duì)η初的影響。

由圖6可以看出，隨著泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度的增加，初始耦合進(jìn)入信號(hào)光纖的功率不斷增加，但隨著泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度的增加，泵浦光纖的纖芯逐漸變細(xì)，這樣既不利于后續(xù)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(yù)拉長(zhǎng)度。

在上述的預(yù)拉長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，使信號(hào)光纖和泵浦光纖打結(jié)熔融拉錐，使用功率計(jì)PM測(cè)量信號(hào)光纖中的輸出功率η終表示兩個(gè)光纖熔融拉錐后，泵浦光功率耦合到信號(hào)光纖功率與泵浦光原功率之比。圖7為泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度對(duì)η終的影響關(guān)系圖。

由圖7可以看出，隨著泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度的增加，耦合進(jìn)入信號(hào)光纖的功率先增加后減小，在預(yù)拉長(zhǎng)度為9 000 μm時(shí)達(dá)到最大耦合輸出功率820 mW，實(shí)現(xiàn)了泵浦光能量(1 W)到信號(hào)光纖的82%的轉(zhuǎn)化效率。最后對(duì)耦合器進(jìn)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(hào)光源測(cè)試了信號(hào)光通過(guò)率，信號(hào)輸入與泵浦輸入的隔離度，耦合器泵浦光反向隔離度。測(cè)試結(jié)果表明，泵浦光纖-信號(hào)光纖轉(zhuǎn)換效率82%，信號(hào)光損耗0.09 dB，信號(hào)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(shí)物圖如圖8所示。

由圖7可以看出，隨著泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)度的增加，η終先增加后減小。在光纖、火頭等參數(shù)確定的情況下，本方案泵浦光纖預(yù)拉長(zhǎng)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(shí)物圖和光脈沖測(cè)試圖分別如圖9、10所示。

該激光器經(jīng)用戶(hù)試用后，其性能和可靠性得到用戶(hù)的認(rèn)可，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用本方案制作泵浦耦合器的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(hào)光纖轉(zhuǎn)換效率82%，信號(hào)光損耗0.09 dB，信號(hào)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該耦合器的性能和可靠性，實(shí)現(xiàn)了峰值功率7 kW，平均功率20 W的穩(wěn)定激光輸出。采用此預(yù)拉方法制作的側(cè)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(yīng)用前景。