《電氣工程名詞》第一版。

1998年，經全國科學技術名詞審定委員會審定發布。

泵浦合束器光纖合束器的分類

根據使用功能分類，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中的應用

通過改變光纖合束器的輸入光纖類型，就可以實現不同功能的合束器。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體、摻雜雙包層有源光纖等技術的發展，光纖激光器的輸出功率得到飛速提升。國際上已經實現了單模10kW量級的全光纖激光輸出。國內在高功率光纖激光器領域起步較晚，目前取得了較大的進步，多家單位和科研院所的輸出功率已可突破千瓦。但是，國內高功率光纖激光系統中，大都使用了國外的器件。在全光纖結構光纖激光器/放大器中，大模場摻雜光纖、高亮度泵浦源、泵浦合束器是實現高功率的光纖激光器的關鍵器件，由于西方國家對中國的技術封鎖和產品禁運，嚴重限制了中國高功率光纖激光的發展。因此，研制基于國產器件的高功率光纖激光器對中國光纖激光技術的發展具有重要的戰略意義。

在全光纖結構光纖激光器/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突破200W，國內尚無單臂大于50W合束器的報道。因此，研究高功率條件下，國產光纖泵浦合束器的熱效應，分析器件溫度分布規律，設計相應的熱管理方案，有助于提升合束器可承受的泵浦功率，最終實現基于國產器件高功率光纖激光器。

泵浦合束器的內部結構一般為全光纖結構,光纖之間一般采用直接溶接的方式結合,端面直接溶融耦合與側面溶接親合所形成的這類結構就可稱作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度較高,穩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展,泵浦合束器已作為泵浦耦合的最主要手段應用于各類光纖激光器中。

基于傳統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、內包層和外包層組成, 纖芯的模場直徑為2ω1 , 內包層的直徑為d1 , 數值孔徑(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, 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。根據需要, 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, 當多模光纖束輸出端直徑和雙包層光纖內包層直徑完全相匹配時, 輸出光纖數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, 且輸出光纖中的數值孔徑沒有被光完全填滿。

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現光束耦合,為達到高的耦合效率,泵浦合束器滿足的條件是:耦合輸入光纖(束)的數值孔徑不大于親合輸出光纖的數值孔徑NA_out即:

NA_in<=NA_out(式1-1)

泵浦合束器的分類可以從結構上分為兩大類,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用于光纖振蕩器,而由于(N 1)X1型泵浦合束器結構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值孔徑AM,應不大于輸出光纖的數值孔徑,而泵浦光纖拉錐前的數值孔徑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型泵浦合束器應滿足的條件。

(N 1)XI型泵浦合束器的結構有兩種,一種為端泵型,另一種為側泵型。端泵型(N 1)XI泵浦合束器的結構與NX1型泵浦合束器基本一致,唯一區別在于端錄型(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。為實現高的泵浦親合效率,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。為達到高的耦合效率,它亦需滿足式1的條件,即從側面耦合到輸出光纖的光線角度不應大于輸出光纖的臨界角。側泵浦型(N 1)XI泵浦合束器是由側面溶接親合技術發展而來的,器件的工作原理一致,但是由于其制備工藝復雜,目前市面上能夠購買的泵浦合束器大部分是端泵型的。