包层泵浦耦合技术

端面泵浦是双包层光纤有源器件最早采用的泵浦方式，也是比较容易实现的泵浦方式，在纳秒脉冲放大技术中应用也很广泛。 在端面泵浦方式里，泵浦光经过透镜耦合系统直接聚焦到光纤端面上，二向色镜紧贴光纤端面。如果光路中有很好的隔离措施，二向色镜可以与准直系统共轴放置，光纤端面正切为菲涅耳端面。但光路如果缺乏很好的隔离措施，在放大技术中应尽量避免反馈，故可以将二向色镜倾斜放置并与光纤端面磨制的倾角平行。该技术需要对耦合系统进行精心的设计，设计时需要考虑到泵浦光的输出孔径、光斑的尺寸，掺杂光纤的内包层形状、尺寸、数值孔径等参数，使泵浦光能够高效地耦合进入双包层光纤的内包层。二向色镜要求对泵浦光高透，对信号激光高反。输出端可以利用光纤端面直接输出，也可以通过一个特定反射率的二向色镜反馈输出。由于大功率泵浦光直接聚焦到与二向色镜紧贴的光纤端面上，二向色镜的镀膜需要具有高的损伤阈值。 端面泵浦方式具有一些本身的缺陷:由于利用二向色镜作为耦合镜，需要精密的调整机构，对放大器工作环境要求非常高，放大器的结构不够紧凑。另外这种技术由于聚焦光斑大小、数值孔径与光纤内包层端面尺寸的完全匹配难以实现，耦合效率一般不高。

为了克服端面泵浦方式对光纤端面的束缚，人们发明了 V 型槽泵浦技术。 V 型槽泵浦技术利用双包层光纤内包层尺寸较大的特点，将双包层光纤的一段剥除涂敷层及外包层后，在内包层的一个侧面开一"V"形槽，泵浦光经微透镜聚焦后从相对的另一侧垂直注入双包层光纤内包层，泵浦光从光纤的另一边经透镜聚焦入射到 V 型槽的斜边上，然后经斜边全反射进入纤芯并传播。V 型槽的斜角根据光纤和泵光的参数确定，经反射进入纤芯的泵浦需满足在内包层传播的全反射条件。利用这种技术，光纤的端面可以得到自由，从而方便构成激光器环形腔结构，在制作放大器时也方便信号光的注入。而且泵浦位置可自由选择，便于实现双向泵浦及多点阵列式泵浦，得到较高功率。较端面泵浦方式，也不存在泵浦光聚焦到腔镜上损伤镀膜的问题。但是在内包层上刻制V 型槽需要非常高的微刻技术，不容易加工，目前在国内还没有这种工艺手段，另外 V 形槽泵浦结构也比较复杂。

前面提到的两种技术，都需要附加透镜准直等设备，将泵浦光聚焦至光纤内包层上，系统复杂。锥形光纤耦合技术是一种改进的端泵浦耦合方式，这种方式不需要耦合透镜，而是依靠锥形光纤将尾纤输出的大模场直径光斑压缩进横截面相对较小的双包层光纤中。即多根光纤组成的光纤束逐渐收缩为单根与双包层光纤尺寸相匹配的多模光纤，再与双包层光纤连接。前端的每一根光纤都可以与一个泵浦源连接，利用这个技术可以获得非常高的输出功率。经设计，可以将光纤束中心一路光纤作为信号光输入，方便光纤放大器的研制，也可以构成环形腔激光器。这种方式消除了透镜组带来的附加损耗，耦合效率高于普通的端泵耦合方式，可达到 98%。而且整个系统成为一体，结构紧凑、稳定，对放大器的工作环境也不是很严格，有利于放大器的大规模应用。

但这种锥形光纤耦合技术对信号光与泵浦光的隔离度不高，在放大器的研究中微弱的光反馈都可能造成光器件严重的损失。国内的工艺技术水平逐渐接近国际先进水平。中国电子科技集团第 46 研究所已研制成功耦合效率达80%的多路泵浦合束器。

树杈形耦合技术是一种更为先进的泵浦手段，是一种边泵浦技术。跟锥形光纤耦合技术不同的是，它实行多点泵浦方案，在一根单模光纤的多个不同位置接合了多模光纤，每一路多模光纤跟一个半导体泵浦激光器相连接。从理论上讲，可以根据需要随意增加泵浦激光器的数量，因此可以获得 非常高的输出功率。并且每个泵浦激光器的功率相对较小，工作更稳定，接合点也不容易产生损伤问题，可以方便地应用于工业生产等领域。 采用这种泵浦技术还可以方便地构成环形腔激光器，在输入端输入信号还可以作为高功率光纤放大器。这种技术目前世界上只有 IPG 等或研究所掌握，受工艺水平限制，国内还处于初期研究阶段。

熔锥侧面泵浦耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起, 在高温火焰中加热使之熔化, 同时在光纤两端拉伸光纤, 使光纤熔融区成为锥形过渡段, 能够将泵浦光由多模光纤由双包层光纤侧面导入内包层, 从而实现定向侧面泵浦耦合。

国内外用于通讯方面光纤无源器件-光纤定向耦合器主要用于光分路或者合路连接器,采用较为成熟的熔锥法生产, 工艺较简单, 制作周期短, 适于实现微机控制的半自动化生产。但是, 这种用于通讯的单模光纤定向耦合器是将一路或一路以上输入光信号按一定比例要求分配到两路或多路输出的光信号中去。其原理决定其只能进行对输入信号光功率分配, 因此, 输出的信号光功率必定小于输入最大信号的光功率, 因而无法用于实现光功率的扩展。在双包层光纤侧面泵浦耦合技术中, 在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去除露出纤芯, 同时双包层的外包层也要去除露出内包层, 并且要使之能够融合在一起, 因此, 其生产工艺较为复杂, 虽然已有相关专利可供查询参考, 但是最为重要的关键过程未见报道。DIGIOVANNI 等介绍了一种双包层熔锥侧面耦合器的生产工艺, 从中也可以看出, 其生产过程与目前的单模光纤耦合器有很大不同。国外已有一些能够生产多模光纤侧面耦合器, 例如美国的OFS , 他们已将此项术用于高功率的光纤激光器以及Raman 光纤放大器等领域.

嵌入反射镜式泵浦耦合方式是在V 槽侧面泵浦耦合方式上的改进,首先将双包层光纤的外包层去除一小部分, 然后在内包层上刻蚀出一个小槽, 槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌入微反射镜, 但是距纤芯还有一定距离, 以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面可以是平面或是根据优化设计的曲面, 为了得到高的耦合效率, 其反射面事先镀上了高反率的膜层, 入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出射面和光纤内包层粘接固定, 同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。LD 泵浦源应当与嵌入微反镜足够近, 以保证具有较大发散角的泵浦光能够全部照射到微反镜的反射面上。

嵌入反射镜式泵浦耦合避免了V 槽侧面泵浦耦合要求利用侧面作为反光面的方式, 因此, 对于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保证槽深不能破坏纤芯。KOPLOW 等利用此方式获得了5 .2W(波长1064nm)和2 .6W(波长1550nm)的光纤激光输出。实验获得的嵌入反射镜式泵浦耦合效率受x , y , z 3 个方向偏移失调量影响的曲线图。实验中采用了SDL-6380-A 多模半导体激光器作为泵浦源,其发光面为1μm ×100μm 长条形, 两个方向发散角分别为28°和12°, 所用的双包层光纤内包层为135μm ×135μm 正方形, 数值孔径约0 .45 。

其基本原理是在双包层光纤去一小段, 剥去涂敷层和外包层, 将内包层沿纵向进行磨抛, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(对于内包层形状为矩形、D型、六角形等双包层光纤, 内包层已有窄平面, 如果平面宽度足够, 可以不必磨抛双包层光纤)。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴合并固定好两纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层.

实际上, 由于泵浦光纤按一定角度磨抛好的端面并不能完全和双包层光纤内包层紧贴, 因此, 还需要利用光学胶将其空隙填充。一方面光学胶能够将泵浦光纤端面和内包层侧面固定好, 另一方面又作为折射率匹配介质将泵浦光有效导入内包层中。由于采用了光学胶, 因此, 不必对内包层纵向进行磨抛而得到平面, 直接利用光学胶也可将泵浦光由内包层的弯曲侧面导入。通常该侧面泵浦耦合技术要求泵浦光纤端面的磨抛角A 较小(约10°), 对于光纤端面磨抛工艺提出了很高的要求。利用该侧面泵浦耦合方式获得了高达90 %的耦合效率, 但是获得的光纤激光输出功率还未见有高于1W 的报道。可能是由于在高泵浦功率下, 光学胶难以承受其功率密度而导致挥发或分解所致。这里泵浦光纤的芯径100μm, 数值孔径0 .22 , 双包层光纤的芯径350μm , 数值孔径0 .37 。

如何将高功率多模泵浦激光器出射的光耦合进入光纤是包层泵浦技术中最关键的技术之一，也是建立整个双包层光纤放大系统的重要环节，它直接关系到放大系统的最大输出功率和系统的转换效率。

采用的泵浦耦合方式可以分为端面耦合、V 型槽耦合、锥形光纤耦合及树杈形耦合。 端面泵浦是最早采用的泵浦方式，泵浦光经过透镜耦合系统直接聚焦到双包层的光纤端面进入内包层。这种耦合技术对加工工艺相对要求较低，比较容易实现;但其对工作环境要求非常高，放大器的结构不够紧凑。另外，端面耦合由于聚焦光斑大小、数值孔径与内包层端面尺寸、受光角的完全匹配难以实现，耦合效率一般不高。

V 型槽泵浦技术的出现克服了端面泵浦方式对光纤端面的束缚，将双包层光纤固定在玻璃基底上，在内包层开一个 V 形槽，泵浦光被 V 形槽全反射进入内包层。利用这种技术，光纤的端面可以得到自由，从而方便构成环形腔结构，在放大系统中方便信号光的注入。同时泵浦位置可自由选择，便于实现双向泵浦及多点阵列式泵浦，得到较高的功率。但是在内包层上刻制 V 型槽需要非常高的微刻技术，不易加工，目前在国内还没有这种工艺手段，另外 V 形槽泵浦结构也比较复杂。

锥形光纤耦合技术是一种改进的端泵浦耦合方式，这种方式不需要耦合透镜，而是依靠锥形光纤将尾纤输出的大模场直径光斑压缩进横截面相对较小的双包层光纤中。另外还研制出锥形光纤束耦合技术，即多根光纤组成的光纤束逐渐收缩为单根与双包层光纤尺寸相匹配的多模光纤。

但这种锥形光纤耦合技术对信号光与泵浦光的隔离度不高，在放大器的研究中微弱的光反馈都可能造成光器件严重的损失。 树杈形耦合技术是一种更为先进的泵浦手段，是一种边泵浦技术。跟锥形光纤耦合技术不同的是，它实行多点泵浦方案，在一根单模光纤的多个不同位置接合了多模光纤，每一路多模光纤跟一个半导体泵浦激光器相连接。采用这种泵浦技术还可以方便地构成环形腔激光器，在输入端输入信号还可以作为高功率光纤放大器。这种技术目前世界上只有 IPG 等几家或研究所掌握，受工艺水平限制，国内还处于初期研究阶段。