側(cè)面泵浦耦合技術(shù)

熔錐側(cè)面泵浦耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起, 在高溫火焰中加熱使之熔化, 同時(shí)在光纖兩端拉伸光纖, 使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段, 能夠?qū)⒈闷止庥啥嗄９饫w由雙包層光纖側(cè)面導(dǎo)入內(nèi)包層, 從而實(shí)現(xiàn)定向側(cè)面泵浦耦合。

國內(nèi)外用于通訊方面光纖無源器件-光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器,采用較為成熟的熔錐法生產(chǎn), 工藝較簡單, 制作周期短, 適于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制的半自動(dòng)化生產(chǎn)。但是, 這種用于通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號(hào)按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號(hào)中去。其原理決定其只能進(jìn)行對輸入信號(hào)光功率分配, 因此, 輸出的信號(hào)光功率必定小于輸入最大信號(hào)的光功率, 因而無法用于實(shí)現(xiàn)光功率的擴(kuò)展。在雙包層光纖側(cè)面泵浦耦合技術(shù)中, 在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯, 同時(shí)雙包層的外包層也要去除露出內(nèi)包層, 并且要使之能夠融合在一起, 因此, 其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜, 雖然已有相關(guān)專利可供查詢參考, 但是最為重要的關(guān)鍵過程未見報(bào)道。DIGIOVANNI 等介紹了一種雙包層熔錐側(cè)面耦合器的生產(chǎn)工藝, 從中也可以看出, 其生產(chǎn)過程與目前的單模光纖耦合器有很大不同。國外已有一些能夠生產(chǎn)多模光纖側(cè)面耦合器, 例如美國的OFS , 他們已將此項(xiàng)術(shù)用于高功率的光纖激光器以及Raman 光纖放大器等領(lǐng)域.

該技術(shù)先將雙包層光纖外包層去除一小段, 然后在裸露的內(nèi)包層刻蝕出一個(gè)V 槽, 槽的一個(gè)斜面用作反射面, 也可將兩個(gè)面都用于反射。泵浦光由半導(dǎo)體激光器經(jīng)微透鏡耦合, 使泵浦光在V 槽的側(cè)面匯聚,經(jīng)過側(cè)面反射后改變方向進(jìn)入雙包層光纖內(nèi)包層,從而沿著光纖的軸向傳輸。

為了提高耦合效率,V 槽側(cè)面的面型要求能夠?qū)Ρ闷止馊? 此外, 還需在泵浦光入射的內(nèi)包層一側(cè)增加一層襯底, 襯底材料的折射率應(yīng)該與光纖內(nèi)包層折射率相近, 并且可以加鍍增透膜。利用該側(cè)面泵浦耦合技術(shù)的光線激光放大器可以得到數(shù)瓦的激光輸出。GOLDBERG 等報(bào)道的耦合效率為76 %。

該側(cè)面泵浦耦合方式原理簡單, 但工藝加工要求卻很高, 因?yàn)閂 槽的側(cè)面要作為反射面, 要對其進(jìn)行拋光等相應(yīng)處理。加工的時(shí)候還要避免對于纖芯的破壞, 因此, 要確保槽的精細(xì)結(jié)構(gòu)。此外, 由于利用了微透鏡準(zhǔn)直, LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對位置對于耦合效率的影響較大。

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V 槽側(cè)面泵浦耦合方式上的改進(jìn),首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分, 然后在內(nèi)包層上刻蝕出一個(gè)小槽, 槽的深度足夠放入用來反射泵浦光的嵌入微反射鏡, 但是距纖芯還有一定距離, 以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的曲面, 為了得到高的耦合效率, 其反射面事先鍍上了高反率的膜層, 入射面鍍了對泵浦光的增透膜。該技術(shù)中采用了光學(xué)膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內(nèi)包層粘接固定, 同時(shí)光學(xué)膠還作為折射率匹配介質(zhì)用來降低界面的反射損耗。LD 泵浦源應(yīng)當(dāng)與嵌入微反鏡足夠近, 以保證具有較大發(fā)散角的泵浦光能夠全部照射到微反鏡的反射面上。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了V 槽側(cè)面泵浦耦合要求利用側(cè)面作為反光面的方式, 因此, 對于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。KOPLOW 等利用此方式獲得了5 .2W(波長1064nm)和2 .6W(波長1550nm)的光纖激光輸出。

實(shí)驗(yàn)獲得的嵌入反射鏡式泵浦耦合效率受x , y , z 3 個(gè)方向偏移失調(diào)量影響的曲線圖。實(shí)驗(yàn)中采用了SDL-6380-A 多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,其發(fā)光面為1μm ×100μm 長條形, 兩個(gè)方向發(fā)散角分別為28°和12°, 所用的雙包層光纖內(nèi)包層為135μm ×135μm 正方形, 數(shù)值孔徑約0 .45 。

其基本原理是在雙包層光纖去一小段, 剝?nèi)ネ糠髮雍屯獍鼘? 將內(nèi)包層沿縱向進(jìn)行磨拋, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(對于內(nèi)包層形狀為矩形、D型、六角形等雙包層光纖, 內(nèi)包層已有窄平面, 如果平面寬度足夠, 可以不必磨拋雙包層光纖)。然后將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖的纖芯相對該平面緊密貼合并固定好兩纖的相對位置。泵浦光即可由泵浦光纖側(cè)面耦合進(jìn)入雙包層光纖的內(nèi)包層.

實(shí)際上, 由于泵浦光纖按一定角度磨拋好的端面并不能完全和雙包層光纖內(nèi)包層緊貼, 因此, 還需要利用光學(xué)膠將其空隙填充。一方面光學(xué)膠能夠?qū)⒈闷止饫w端面和內(nèi)包層側(cè)面固定好, 另一方面又作為折射率匹配介質(zhì)將泵浦光有效導(dǎo)入內(nèi)包層中。由于采用了光學(xué)膠, 因此, 不必對內(nèi)包層縱向進(jìn)行磨拋而得到平面, 直接利用光學(xué)膠也可將泵浦光由內(nèi)包層的彎曲側(cè)面導(dǎo)入。通常該側(cè)面泵浦耦合技術(shù)要求泵浦光纖端面的磨拋角A 較小(約10°), 對于光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。

利用該側(cè)面泵浦耦合方式獲得了高達(dá)90 %的耦合效率, 但是獲得的光纖激光輸出功率還未見有高于1W 的報(bào)道?？赡苁怯捎谠诟弑闷止β氏? 光學(xué)膠難以承受其功率密度而導(dǎo)致?lián)]發(fā)或分解所致。這里泵浦光纖的芯徑100μm, 數(shù)值孔徑0 .22 , 雙包層光纖的芯徑350μm , 數(shù)值孔徑0 .37 。與光纖角度磨拋側(cè)面泵浦耦合技術(shù)相類似的是微棱鏡來進(jìn)行側(cè)面耦合, 但是微棱鏡寬度不能大于內(nèi)包層的直徑, 因此, 給微棱鏡的加工帶來了技術(shù)上的困難。

1背景

高功率光纖激光器自從1997 年出現(xiàn)20W ~35W 器件, 1998 年發(fā)展到55W 后, 至1999 年已發(fā)展到110W 連續(xù)激光輸出。目前, 10W ~ 20W 輸出的光纖激光器已經(jīng)商品化。近年來, 美國IPG Photonics和德國Jena 大學(xué)的應(yīng)用物理所分別報(bào)道了單根雙包層光纖連續(xù)輸出功率高達(dá)135W和150W的光纖激光器。與現(xiàn)有的其它激光器相比, 高功率光纖激光器以其獨(dú)特的高亮度(135W 激光連續(xù)輸出光束質(zhì)量:M2 <1 .05)和高效率(高功率輸出情況下斜率效率高達(dá)50 %以上性能, 將在激光器家族中占據(jù)重要的地位。

側(cè)面耦合技術(shù)主要有內(nèi)包層"V"型槽耦合技術(shù)、內(nèi)包層內(nèi)嵌反射鏡耦合技術(shù)、斜角光纖耦合技術(shù)(包括側(cè)面熔接、膠合兩種途徑)、棱鏡耦合技術(shù)以及光纖盤耦合技術(shù)等形式。根據(jù)技術(shù)原理來劃分，內(nèi)包層"V"型槽耦合技術(shù)和內(nèi)包層內(nèi)嵌反射鏡耦合技術(shù)的原理基本類似，分別是利用 V 形槽斜面處和內(nèi)嵌的反射鏡的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)泵浦光與雙包層光纖內(nèi)包層間的耦合，該技術(shù)對工藝要求較高，而且不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式泵浦。而斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)剛好解決了多點(diǎn)分布式泵浦的問題。 斜角光纖耦合技術(shù)和棱鏡耦合技術(shù)屬于同一種泵浦原理的耦合技術(shù)，但從工藝難度相比而言，斜角光纖耦合技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)，根據(jù)有關(guān)理論分析,斜角光纖的耦合效率與端面斜角有關(guān)，最大耦合效率時(shí)存在唯一一個(gè)最佳角度，該最大耦合效率值與光纖參數(shù)有關(guān)。另外，斜角光纖耦合技術(shù)對于非尾纖輸出的條狀半導(dǎo)體激光器泵浦光的耦合特別有效，將數(shù)根矩形光纖或玻璃絲排列成光纖排，前端面與條狀 LD 輸出面通過微柱透鏡耦合，后端的光纖或玻璃絲各自獨(dú)立，每根末端均磨成斜角，分別在雙包層光纖內(nèi)包層側(cè)面的不同位置耦合，適用于多點(diǎn)泵浦。 利用二元衍射光柵進(jìn)行側(cè)面耦合，也是一種可以實(shí)現(xiàn)側(cè)面、分布式多點(diǎn)泵浦的耦合技術(shù)，該技術(shù)將衍射光柵放置在光纖內(nèi)包層的表面，不會(huì)損害光纖的外表面，對 TM 偏振入射光具有高達(dá) 94%的耦合效率。由于這種方法使用了折射率匹配液，所以不能承受大功率的泵浦光。張帆等人提出一種基于亞波長衍射光柵理論的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)的對稱夾層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)因?yàn)闆]有使用諸如折射率匹配液、光學(xué)固化膠等難以承受較高溫度的黏接物質(zhì),所以可以用于大功率激光二極管陣列的側(cè)面泵浦,其耦合效率可以達(dá)到 80%以上。

由于光纖激光輸出具有光束質(zhì)量好(基模輸出)、功率密度高、不需要復(fù)雜的散熱裝置、工作時(shí)間長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬, 已從目前最為成熟的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)方面迅速地向其它更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展, 諸如金屬和非金屬材料的加工與處理、激光雕刻、激光產(chǎn)品打標(biāo)、激光焊接、焊縫清理、精密打孔、激光檢測和測量、激光圖形藝術(shù)成像、激光雷達(dá)系統(tǒng)、污染控制、傳感技術(shù)和空間技術(shù)以及激光醫(yī)學(xué)等等。國內(nèi)也有學(xué)者對其作為激光武器的能力進(jìn)行了分析。

單模光纖的自然限制, 使得在單模纖芯內(nèi)傳輸?shù)募す饩哂心Ｊ胶?、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但是, 單模纖芯的芯徑小, 難以將高功率的泵浦光耦合入內(nèi), 因此, 難以獲得高功率的光纖激光輸出。為了將更多的泵浦光功率耦合進(jìn)入光纖, 采用了包層泵浦技術(shù),研制出雙包層光纖。在雙包層光纖中, 泵浦光在尺寸較大的內(nèi)包層中傳輸, 由于內(nèi)包層的尺寸通常在幾十甚至數(shù)百微米, 能夠容納數(shù)以萬計(jì)的傳輸模式,因而能夠很好地與高功率的半導(dǎo)體激光器(LD)相匹配, 從而獲得高的泵浦功率。同時(shí)雙包層光纖的纖芯芯徑仍然保持在幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米, 因此, 由內(nèi)包層限制的泵浦光經(jīng)過摻雜稀土離子的纖芯時(shí), 將會(huì)引起稀土離子的能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 導(dǎo)致光的受激輻射放大, 在諧振腔的作用下, 能夠獲得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出。

泵浦耦合技術(shù)作為高功率光纖激光器和光纖放側(cè)面泵浦耦合方式大器的核心技術(shù)之一, 目的是要把幾十瓦甚至數(shù)百瓦的LD 泵浦光功率耦合入直徑只有數(shù)百微米的雙包層光纖內(nèi)包層, 以獲得高的泵浦功率。在高功率光纖激光器的發(fā)展過程中, 端面泵浦耦合技術(shù)是較為簡單的方式。該方式通常是先將LD 發(fā)出的泵浦光耦合進(jìn)入多模光纖, 或直接用微透鏡對LD 的較大發(fā)散角泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直, 然后再通過透鏡系統(tǒng)將泵浦光聚焦由光纖端面耦合入雙包層光纖。光纖端面被用來進(jìn)行端面泵浦耦合, 因此, 無法與其它光纖融接以用于光纖放大器。此外, 該方式需采用高精度的多維光纖調(diào)節(jié)系統(tǒng), 也帶來了因調(diào)節(jié)系統(tǒng)的漂移引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。有鑒于此, 光纖側(cè)面泵浦耦合技術(shù)用于將泵浦光耦合進(jìn)入雙包層光纖內(nèi)包層的研究也逐漸展開。針對于雙包層光纖的特點(diǎn)先后發(fā)展了多種側(cè)面泵浦耦合技術(shù)。