1998年，經(jīng)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定發(fā)布。

《電氣工程名詞》第一版。

泵浦合束器光纖合束器的分類

根據(jù)使用功能分類，光纖合束器可以分為兩大類：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是將多路單模激光合束到一根光纖中輸出，用來提高激光的輸出功率（也稱單模-多模光纖合束器）。泵浦合束器主要是將多路泵浦光合束到一根光纖中輸出，主要用來提高泵浦功率（也稱多模-多模光纖合束器）。光纖合束器按照其構(gòu)成方式又可以分成兩類，不包含信號光纖的 N1 光纖合束器和包含信號光纖的（N 1）光纖合束器。

N?1 光纖合束器的 N 根輸入光纖是相同的，這種器件主要用在光纖激光器系統(tǒng)中。N?1 光纖合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纖合束器的 N 路輸入光纖與多個泵浦源相連，用來提高多模泵浦光輸入功率，則是泵浦合束器；如果 N 路輸入光纖與激光器連接，用來提高激光合成功率，則是功率合束器。和 N1 光纖合束器不同，（N 1）1 光纖合束器中心的一根光纖是信號光纖。在制作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用于信號光的輸入，這種光纖合束器主要用于光纖放大器。

泵浦合束器光纖合束器在光纖激光系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實(shí)現(xiàn)不同功能的合束器。光纖合束器在拉錐前輸入光纖端面排布示意圖，圖中的普通光纖可以是多模光纖，也可以是單模光纖，還可以是大模場光纖等。

隨著高亮度泵浦半導(dǎo)體、摻雜雙包層有源光纖等技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到飛速提升。國際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單模10kW量級的全光纖激光輸出。國內(nèi)在高功率光纖激光器領(lǐng)域起步較晚，目前取得了較大的進(jìn)步，多家單位和科研院所的輸出功率已可突破千瓦。但是，國內(nèi)高功率光纖激光系統(tǒng)中，大都使用了國外的器件。在全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器/放大器中，大模場摻雜光纖、高亮度泵浦源、泵浦合束器是實(shí)現(xiàn)高功率的光纖激光器的關(guān)鍵器件，由于西方國家對中國的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)，嚴(yán)重限制了中國高功率光纖激光的發(fā)展。因此，研制基于國產(chǎn)器件的高功率光纖激光器對中國光纖激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

在全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器/放大器中，除了摻雜光纖、高亮度泵浦源外，泵浦合束的功率特性直接影響激光器/放大器最終輸出功率。，國外商品化的光纖合束器單臂功率已經(jīng)突破200W，國內(nèi)尚無單臂大于50W合束器的報(bào)道。因此，研究高功率條件下，國產(chǎn)光纖泵浦合束器的熱效應(yīng)，分析器件溫度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最終實(shí)現(xiàn)基于國產(chǎn)器件高功率光纖激光器。

泵浦合束器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為全光纖結(jié)構(gòu),光纖之間一般采用直接溶接的方式結(jié)合,端面直接溶融耦合與側(cè)面溶接親合所形成的這類結(jié)構(gòu)就可稱作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度較高,穩(wěn)定性較好可承受功率和親合效率也比較高。隨著光纖激光器的全光纖化發(fā)展,泵浦合束器已作為泵浦耦合的最主要手段應(yīng)用于各類光纖激光器中。

基于傳統(tǒng)雙包層光纖的光纖合束器以(6 1)×1 光纖合束器制作為例, 分析利用傳統(tǒng)雙包層光纖制作光纖合束器的工藝。(6 1)×1 光纖合束器由6 根多模光纖和1 根單模光纖熔融拉錐后和一根雙包層光纖熔接在一起構(gòu)成, 可稱之為多模-單模-雙包層光纖合束器。雙包層光纖, 它由纖芯、內(nèi)包層和外包層組成, 纖芯的模場直徑為2ω1 , 內(nèi)包層的直徑為d1 , 數(shù)值孔徑(NA)為DNA1 ;所示為單模光纖, 其模場直徑近似于2ω1 , 包層直徑為d2 , 其中d2

(3)把預(yù)拉伸后的多模光纖均勻排列在單模光纖的周圍成為光纖束, 用特制的夾具將其兩端固定,將光纖束放在約1 000 ℃的火焰下加熱, 同時夾具圍繞單模光纖纖芯方向旋轉(zhuǎn), 使夾具間的光纖束受熱均勻, 并熔融。

(4)在光纖束橫截面直徑為d5 處切割, 形成光滑的切面, d5 約等于雙包層光纖的內(nèi)包層直徑　(5)將切割后的光纖束與雙包層光纖熔接在一起。值得注意的是, 在熔接時, 光纖束中單模光纖的纖芯與雙包層光纖的纖芯必須對準(zhǔn)。根據(jù)需要, 也可以在單模光纖的周圍排列多層多模光纖,排列的多模光纖越多, 預(yù)拉伸時, 多模光纖末端的直徑d4 就要越小。

另外, 以上所提到的多模-單模-雙包層光纖合束器可以做成多模-多模-多模光纖合束器, 即將光纖束中間的單模光纖換成多模光纖, 工藝步驟同上。然而, 當(dāng)多模光纖束輸出端直徑和雙包層光纖內(nèi)包層直徑完全相匹配時, 輸出光纖數(shù)值孔徑卻未被光完全填滿, 且在合束器熔接處的光功率分布也不均勻。這是由于光纖束圍繞一根中心光纖排列, 錐體中的一些光與輸出光纖的纖芯方向成一角度, 所以光功率分布曲線呈四周高, 中間低, 且輸出光纖中的數(shù)值孔徑?jīng)]有被光完全填滿。

通過將光纖束特定部位拉伸, 形成一個直徑為d0 的束腰, 使從多模光纖傳來的光在束腰處均勻分布, 充分地注入熔接處的數(shù)值孔徑, 可以顯著提高耦合效率。束腰后面是一個均勻增大的反向錐體, 一直到輸出光纖。在輸出光纖處的光功率分布, 是完全充滿輸出光纖的。

泵浦合束器的基本原理是對光纖塑形后直接利用溶接的方式實(shí)現(xiàn)光束耦合,為達(dá)到高的耦合效率,泵浦合束器滿足的條件是:耦合輸入光纖(束)的數(shù)值孔徑不大于親合輸出光纖的數(shù)值孔徑NA_out即:

NA_in<=NA_out(式1-1)

泵浦合束器的分類可以從結(jié)構(gòu)上分為兩大類,一類為NX1型泵浦合束器,另一類為(N 1)XI型泵浦合束器。NX1型泵浦合束器主要應(yīng)用于光纖振蕩器,而由于(N 1)X1型泵浦合束器結(jié)構(gòu)中有一根信號光纖貫穿其中,因此(N 1)XI型泵浦合束器主要應(yīng)用于光纖放大器。

NX1型泵浦合束器是一種端泵型泵浦合束器。將N根泵浦光纖合束拉錐后與1根輸出光纖館接,此即形成了NX1型泵浦合束器。

按照公式的要求,拉錐后的單根泵浦光纖的數(shù)值孔徑AM,應(yīng)不大于輸出光纖的數(shù)值孔徑,而泵浦光纖拉錐前的數(shù)值孔徑AH"para" label-module="para">

NA_in*D_in=N_at*D_out(式1-2)

其中,為拉錐前輸入光纖束的總直徑,為拉錐后輸入光纖束的直徑,即輸出光纖的直徑,將可得:

NA_in*D_in<=NA_out*D_out(式1-3)

式(1-3)即為NX1型泵浦合束器應(yīng)滿足的條件。

(N 1)XI型泵浦合束器的結(jié)構(gòu)有兩種,一種為端泵型,另一種為側(cè)泵型。端泵型(N 1)XI泵浦合束器的結(jié)構(gòu)與NX1型泵浦合束器基本一致,唯一區(qū)別在于端錄型(N 1)XI泵浦合束器的輸入光纖束由N根泵浦光纖圍繞一根信號光纖組成,因此信號光纖也被拉錐了。為實(shí)現(xiàn)高的泵浦親合效率,端泵浦型的(N 1)XI泵浦合束器也需要滿足式(1-3)的要求。側(cè)泵型(N 1)XI泵浦合束器則是在一根信號光纖的外圍分布N根被拉錐的泵浦光纖,而信號光纖并沒有被拉錐。為達(dá)到高的耦合效率,它亦需滿足式1的條件,即從側(cè)面耦合到輸出光纖的光線角度不應(yīng)大于輸出光纖的臨界角。側(cè)泵浦型(N 1)XI泵浦合束器是由側(cè)面溶接親合技術(shù)發(fā)展而來的,器件的工作原理一致,但是由于其制備工藝復(fù)雜,目前市面上能夠購買的泵浦合束器大部分是端泵型的。