光纖合束器

光纖合束器是在熔融拉錐光纖束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基礎上製備的光纖器件。它是將一束光纖剝去塗覆層，然後以一定方式排列在一起，在高溫中加熱使之熔化，同時向相反方向拉伸光纖束，光纖加熱區域熔融成為熔錐光纖束。

基本介紹

• 中文名：光纖合束器
• 外文名：fiberoptic combiner

1背景

1964 年，美國的 Snitzer 等人首次提出了光纖雷射器和放大器的構想，但受當時光纖拉制工藝、光纖損耗、半導體雷射器技術等方面的限制，在其後 20 多年裡光纖雷射器沒有得到實質性的發展。1987年英國南安普頓大學及美國貝爾實驗室用摻鉺單模光纖實現光通訊中的光放大，以此證明了摻鉺光纖放大器（EDFA）的可行性。由於當時使用的是單包層光纖，纖芯直徑十分細小，只有幾微米，因此，泵浦光的耦合效率限制了雷射器的輸出功率。1988 年，Snitzer 等人提出了基於雙包層光纖的包層泵浦技術，相較於傳統光纖，雙包層光纖多了一個可以傳光的內包層，內包層的橫向尺寸和數值孔徑都比纖芯大得多，從而降低了泵浦光的耦合難度，大大提升了泵浦光的耦合功率。但是初期構想的圓形內包層因為完美的對稱性導致泵浦光的吸收效率較低。1993 年，矩形內包層的雙包層光纖出現，此後，正方形、D 形、梅花形等形狀的內包層也相繼出現，實驗表明，這些內包層形狀的光纖相對於圓形內包層形狀的光纖對泵浦光的吸收效率有了很大提高。1994 年，由 H. M. Pask 等人首先在摻鐿石英光纖中實現了包層泵浦技術，實驗中得到了波長為 1042nm，功率為0.5W 的最大雷射輸出，斜率效率達到 80%。正是由於摻鐿雙包層光纖雷射器具有更高的斜率效率，以及 Yb3+具有簡單的能級結構、較寬的吸收帶和較寬的發射截面，人們的注意力逐漸轉向摻鐿雙包層光纖雷射器的研究。此後，光纖雷射器得到了迅猛發展，輸出功率不斷飆升。1997 年，Polaroid 報導了輸出功率35.5W，波長 1100nm 的雙包層雷射器。1999 年，SDL（Spectra Diode Laser）首次實現了連續功率達百瓦級的摻鐿雙包層光纖雷射器，輸出功率為 110W。

2003 年 Limpert 等報導了輸出功率 500W、M2為 1.1 的摻鐿雙包層光纖雷射器，而 Liu 等人將輸出功率提高到了 810W。2004 年，南安普頓大學的 Y. Jeong 等人採用雙端泵浦方式實現了連續雷射輸出功率為 1.36kW 的摻鐿大芯徑單模光纖雷射器。從 2005 到 2009 年，美國 IPG的單模光纖雷射器依次突破了 2kW和 3kW，更實現了從 6kW 至 10kW 的跨越。 儘管光纖雷射器發展迅猛，但是受熱損傷、非線性效應、光纖端面損傷、熱透鏡效應等因素的制約，單根單模光纖雷射器的輸出功率不可能無限提升。

美國利弗莫爾實驗室（LLNL）J.W.Dawson 等人綜合考慮熱效應、非線性光學、輸出端限制等物理因素的影響，對光纖雷射輸出功率極限進行了較為詳細的分析。計算結果表明，單模寬譜光纖雷射的輸出功率極限約為 36.6 kW，單頻（一般譜寬小於或等於與布里淵增益的線寬量級，即小於 100MHz）光纖雷射的輸出功 率極限約為 1.86 kW。級聯泵浦方案被認為是進一步提升光纖雷射器輸出功率的有效途徑。朱家健等人分析了級聯泵浦條件下，摻鐿光纖的輸出功率極限，計算結果表明利用 1018nm 泵浦的摻鐿光纖雷射器單頻單橫模輸出功率極限為70.7kW。

從上述分析可知，儘管目前單根單模光纖雷射器輸出功率已經突破萬瓦級，並且存在一定的提升空間，但距離數百千瓦級高功率輸出還有著量級上的差距。 增大光纖纖芯直徑可以大幅提升光纖輸出功率，如果將多根中等功率的單模光纖雷射通過全光纖的合束器合成到一根多模光纖中，就可以獲得大功率雷射輸出。IPG 已經實現了 50kW 的多模雷射輸出，這種方法要實現百千瓦的輸出功率也是可行的。 光纖雷射器具有的獨特優勢以及功率的不斷提升使其套用範圍不斷擴展，目前在工業加工、生物醫療、國防軍事等領域得到了廣泛的套用。

在工業領域，雷射焊接由於熱影響小、密封性好、適合在真空等特殊環境下加工，在航天航空器件中得到廣泛套用。時至今日，隨著雷射功率的提高，現在焊接十幾毫米厚的鋼板也比較容易。用雷射焊接技術取代傳統的鉚釘進行鋁合金飛機機身的製造，從而減輕飛機機身重量近 20%，提高強度近 20%，如今德國宇航 MBB，空中客車都套用了此項技術。2010 年，IPG 獨一無二的波長為 1070nm 的 20kW 連續商用光纖雷射器，在光纖芯徑為 200µm，聚焦光斑為 420µm 的條件下，焊接厚度為 1 英寸的 304 不鏽鋼，速度能夠達到 0.85m/min，焊接 0.75 英寸的鋼板能達到 2m/min。2010 年，日本獲得日本海事協會及英國勞氏船級社的許可，將 10kW 光纖雷射-電弧複合焊接第一次運用於船舶製造。2011 年，一套搭載有 IPG 20KW 光纖雷射器成功套用於通用電氣的高功率雷射電弧複合焊接（HLAW）系統。此系統將雷射焊接和電弧焊接組合在一起，能夠以速度大於 6feet/min 的單一過程，焊接超過 0.5 英寸厚的鋼板，並且能夠獲得比傳統多道工序焊接更好的焊接質量，這將有望徹底改變未來工業產品的生產方式。此外，在雷射打標、雷射切割、雷射美容等方面，光纖雷射器以其特有的優勢正在逐漸取代傳統雷射器。自 2009 年以來，光纖雷射器就已經被銷往六大主要行業，其中包括電子、食品設備和辦公用品。2011 年，該六大行業的總銷售額達 4.86 億美元，較 2010 年增長 50%。

在國防領域，光纖雷射器在體積、效率和光束質量等方面的優勢，在空間雷射武器中有廣泛的套用前景。2004 年美國 SPATA 的“宙斯”雷射掃雷系統採用了 IPG 的 2kW 多模光纖雷射器，該系統在阿富汗地區成功執行了掃雷任務。2006 年雷神構建的雷射區域防護系統（Laser Area Defense Syetem）在戰術時間內成功引爆了超過 500m 處的 60mm 迫擊炮彈。2010 年，美國海軍的雷射密集陣（Laser Phalanx）光纖雷射器演示系統成功擊落 4 架從海上飛來的無人機，此系統是美國空軍實驗室用 6 根 5.5kW 的 IPG光纖雷射器集成，合成輸出功率達 32kW，這是美國在現有艦載防空平台上首次試驗雷射武器。此外，美國陸軍還把密集陣系統移植為地面密集陣系統，並賦予其百夫長（Centurion）名稱，還在百夫長平台上研發光纖雷射武器系統——雷射百夫長。

高能光纖雷射廣闊的市場前景吸引了世界上眾多的科研機構和企業。國外光纖雷射器的主要生產廠家有 IPG、SPI、JDSU、Coherent、ROFIN 和 TRUMPF等，英國 Southampton 大學、Bath 大學、美國 Michigan 大學、德國 Jena 大學等也不斷推陳出新，使得高功率光纖雷射器從實驗室快速商品化走向市場。

美國的 IPG已經推出了產品化的單模萬瓦光纖雷射器和 50kW 的多模連續光纖雷射器。而 ROFIN 旗下的 Nufern也推出了 kW 量級單模光纖放大器系統。國內的武漢銳科、中科梅曼、創鑫雷射和國科世紀等都進入光纖雷射器領域。2012 年，西安中科梅曼成功推出了國內首台擁有自主智慧財產權的 kW 工業級光纖雷射器。清華大學、國防科技大學、中科院上海光機所、西安光機所、中國兵器裝備研究院等多家科研單位也實現了千瓦級光纖雷射輸出。

2概述

光纖雷射器具有光束質量好、結構緊湊、體積小、質量輕、易散熱、工作穩定性好等眾多優點, 已經成為世界各國的研究熱點。現在大功率光纖雷射器、光纖放大器採用的雙包層摻雜光纖, 相對於從半導體泵浦雷射器發出的多模泵浦光束的大發散角,其內包層的直徑很小, 因此把泵浦光有效耦合到摻雜雙包層光纖的內包層是一個難題。人們發明了很多泵浦耦合技術, 大體上可分為端面泵浦和側面泵浦。端面泵浦技術是從雙包層光纖的一個或者兩個端面將泵浦光耦合到內包層, 主要採用直接熔接耦合、透鏡組耦合和錐導管耦合等方式。側面泵浦耦合技術是從雙包層光纖的側面將泵浦光耦合到內包層, 主要有分布包層泵浦耦合 、微稜鏡側面耦合、V 型槽側面耦合 、嵌入透鏡式側面泵浦耦合 、角度磨拋側面泵浦耦合 、光柵側面泵浦耦合等。

通過對耦合效率、系統穩定性、結構緊湊性、複雜度、可擴展性、製作難易程度等相關指標的對比發現, 利用光纖合束器的分布包層泵浦耦合技術具有很大的優勢, 可以滿足高功率光纖雷射器泵浦耦合的需要。隨著空氣包層光子晶體光纖(PCF)製造工藝的日臻成熟, 空氣包層PCF 的大數值孔徑、大模場直徑有利於提高光纖雷射器、光纖放大器的泵浦功率和泵浦效率, 減小光纖雷射器、光纖放大器的非線性效應, 有利於提高輸出功率。下面就採用傳統雙包層光纖和空氣包層PCF 製作光纖合束器的主要製作工藝進行分析。

3合束器的製作工藝

基於傳統雙包層光纖的光纖合束器以(6 +1)×1 光纖合束器製作為例, 分析利用傳統雙包層光纖製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後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, 其模場直徑近似於2ω1 , 包層直徑為d2 , 其中d2 <d1 ;多模光纖, 它由一個較大的芯徑和直徑為d3 、數值孔徑為DNA3 的包層組成, 其中DNA3 <DN A1 。多模-單模-雙包層光纖合束器製作工藝如下:

(1)分別將用於製作合束器的6 根多模光纖一端加熱到熔融狀態, 然後被拉伸　(2)在不影響模場直徑的前提下, 把單模光纖的包層侵蝕掉一部分, 使其包層直徑從d2 變為d′2 。

(3)把預拉伸後的多模光纖均勻排列在單模光纖的周圍成為光纖束, 用特製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, 並熔融。

(4)在光纖束橫截面直徑為d5 處切割, 形成光滑的切面, d5 約等於雙包層光纖的內包層直徑　(5)將切割後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。這是由於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。束腰後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。

4利用PCF 製作合束器

PCF 由於其特殊的波導結構而具有單模大模場面積、大的泵浦區數值孔徑、高耐熱能力等優點, 在光纖雷射器領域受到了廣泛的關注。

PCF 具有大的模場面積。其具有大的芯-包折射率差, 空氣孔包層可以提供一個很大的數值孔徑, 此數值孔徑由空氣孔包層的空氣孔間距Δ決定, 一般在0 .55 ～ 0 .65 之間。而且, 以空氣孔為包層, 熱傳導性能較好, 可容許較大的功率密度。因此, 利用一小段PCF 光纖就可以得到較大的輸出光功率, 大大降低非線性效應。

5光纖合束器的發展和套用

光纖合束器是在熔融拉錐光纖束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基礎上製備的光纖器件。它是將一束光纖剝去塗覆層，然後以一定方式排列在一起，在高溫中加熱使之熔化，同時向相反方向拉伸光纖束，光纖加熱區域熔融成為熔錐光纖束。從錐腰切斷後，將錐區輸出端與一根輸出光纖熔接。TFB 最初的提出是將泵浦光纖和信號光纖熔錐合束到一根雙包層增益光纖中，套用在高功率摻餌光纖放大器（EDFA）上。在後來的發展中，這種全光纖的合束器有了多種形變。

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雷射合束到一根光纖中輸出，用來提高雷射的輸出功率（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 N1 光纖合束器和包含信號光纖的（N+1）光纖合束器。

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雷射器系統中。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 N1 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 路輸入光纖與雷射器連線，用來提高雷射合成功率，則是功率合束器。和 N1 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。在製作過程中，N 根多模光纖必須緊密對稱地排列信號光纖周圍，中間的信號光纖用於信號光的輸入，這種光纖合束器主要用於光纖放大器。

光纖合束器在光纖雷射系統中的套用

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。