熔融侧面泵浦耦合器光纤夹角对耦合效率的影响

谭祺瑞，葛廷武，王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

引言

泵浦耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件，它将多路由大功率半导体激光器产生的泵浦光耦合进主光纤中，为高功率光纤激光器提供所需的泵浦光功率[1-3]。所以泵浦耦合器是研制高功率光纤激光器研究人员首先要解决的一个问题，近年来成为了国内外的研究热点。目前泵浦耦合器的制作工艺是采用将泵浦光纤和主光纤侧面熔融的方法[4-6]，该方法既要将泵浦光纤熔接到主光纤上，又要防止主光纤的形状发生变化，从而保持主光纤中信号光的低插入损耗[7-8]。但是这种熔融侧面泵浦耦合器的泵浦光纤和主光纤之间会存在一定夹角，对耦合效率产生影响。2008年清华大学欧攀等人提出了采用CO2激光器制作熔融侧面泵浦耦合器的方法[9-10]，他们将10°耦合角端面磨抛的多模光纤通过六维调整架与主光纤的侧壁接触，用CO2激光对二者低功率预热后再进行高功率熔接，并测试了该泵浦耦合器耦合功率达到7.23 W，耦合效率为70.5%，但并没有理论分析和实验论证泵浦光纤和主光纤的夹角对耦合效率的影响，同时能够看出耦合角过大是导致耦合效率较低的主要原因。

为了研究光纤夹角对耦合效率的影响，本文根据熔融侧面泵浦耦合器的结构特点，建立了物理模型，在双波导定向耦合器不完全耦合理论的基础上，对耦合波方程组作了进一步的推导，得出各光纤中光功率与夹角关系的方程组，并针对不同数值孔径的泵浦光纤，进行了仿真研究和实验论证，该研究结果对熔融侧面泵浦耦合器的设计及制作均具有指导意义。

1 理论分析

熔融侧面泵浦耦合器的物理模型如图1所示。由图1可以看出，泵浦光纤和主光纤物理参数不同，而且在耦合区泵浦光纤的直径逐渐变小而主光纤的直径保持不变，这符合双波导定向耦合器的不完全耦合理论，即泵浦光纤中的泵浦光不能完全耦合进主光纤中。

图1 熔融侧面泵浦耦合器Fig.1 Fused side-pump coupler

根据双波导定向耦合器的不完全耦合理论[11]，熔融侧面泵浦耦合器的耦合系数为

(1)

(2)

耦合系数K12描述波导1中的模场对波导2传输模场影响的大小，耦合系数K21描述波导2中的模场对波导1传输模场影响的大小。由于泵浦光是从泵浦光纤的纤芯中耦合进主光纤的内包层，因此(1)式和(2)式中模式场e1e2h1h2仅考虑纤芯中的模场分布形式，其表达式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中β为两根光纤在孤立状态时的传播常数，其含义是描述单位长度内光相位的变化量，其形式为β1=n1ksinθ1，β2=n2ksinθ2，其中θ1和θ2是泵浦光纤中光传输的全反射角，由此可知传播常数β与泵浦光纤的NA值有关。将(3)式～(6)式代入(1)式、(2)式得到耦合系数K12和K21的最终形式为

(7)

(8)

在(7)式～(8)式中，耦合区长度l的取值范围为0～2R1/sinθ，由此可以看出耦合系数K12和K21与泵浦光纤半径R1、主光纤半径R2、两光纤夹角θ、两光纤纤芯折射率和耦合光波长等参量有关，其中波导1的直径沿z轴正向逐渐变小，而波导2的直径保持不变。考虑到当光场由波导1的端口输入时，设此位置为初始位置，其坐标z=0，有c1(z)=c1(0)，c2(z)=0，令2δ=β1-β2，则两波导中的功率方程组为

(9)

(10)

由以上推导过程可知，因为耦合系数K12和K21与泵浦光纤和主光纤夹角、NA值、半径、折射率等参量有关，所以只要确定了泵浦光纤、主光纤的物理参数和夹角θ，由(9)式和(10)式就可以计算出泵浦光纤和主光纤中的光功率，进而推导出耦合效率与夹角θ的关系。

2 仿真研究

根据以上熔融侧面泵浦耦合器的理论分析结果，在仿真过程中采用的光波导1即泵浦光纤是Nufern公司的MM-S105/125多模功率传输光纤，光波导2即主光纤是YDF-20/400-VIII大模场面积双包层掺镱光纤，其中选取的2种泵浦光纤的数值孔径分别为0.15和0.22，泵浦光纤纤芯和双包层光纤内包层的折射率相同，泵浦光的波长为976 nm，根据理论模型1中所推导出的泵浦光纤和主光纤光功率分布方程组，得到耦合效率与两光纤夹角θ的变化关系如图2所示。

图2 不同NA泵浦光纤和主光纤夹角θ对耦合效率的影响Fig.2 Relation curve of coupling efficiency with angle between different NA couple fibers and main fibers

从图2可以看出，不同直径的泵浦光纤和主光纤之间的耦合是不完全耦合，即耦合效率小于100%，泵浦光纤的NA值越小，最大耦合效率越高，说明光束质量对耦合效率有着显著的影响。对于NA为0.22的泵浦光纤，夹角临界值为9.7°，耦合效率最大值为96.9%，而对于NA为0.15的泵浦光纤，夹角临界值为11.5°，耦合效率最大值为97.8%，由此可见泵浦光纤和主光纤之间的夹角存在临界值，当夹角小于该临界值时，耦合效率达到最大值，当夹角大于该临界值时，耦合效率迅速下降，说明泵浦光只有按特定的角度耦合进主光纤中，才能在主光纤中全反射传输，否则会有不符合全反射的泵浦光耗散在周围介质中。泵浦光纤的NA值越小，夹角的临界值越大，这对泵浦光纤磨抛工艺的精度要求降低，有利于泵浦耦合器产品的制作。

图3 夹角小于临界角泵浦光追迹图Fig.3 Pump light tracing figure with angle less than critical angle

图3是NA值为0.22的泵浦光纤和主光纤夹角小于临界角时用TracePro软件模拟的耦合光线追迹图。在模拟过程中，泵浦光纤纤芯和双包层光纤内包层折射率相同，泵浦光纤包层和双包层光纤外包层折射率根据其各自NA值进行设定，泵浦光源采用点光源，设定其波长为976 nm，功率为1 W，其发散角符合泵浦光纤的NA值，从图中可以看出夹角小于临界角时，泵浦光完全耦合进了主光纤中，耦合光模场被限制在了双包层光纤的内包层中，并符合全反射原理传输。图4(a)是夹角小于临界角时的耦合光斑图，图4(b)是夹角大于临界角时的耦合光斑图，从两幅图的对比中可以看出，图4(a)的耦合光能量主要集中在主光纤的圆心附近，图4(b)的耦合光能量均匀散落分布在主光纤内，夹角小于临界角的耦合可以获得较好光束质量的泵浦光，这有利于主光纤纤芯稀土离子对泵浦光的吸收。

图4 夹角小于和大于临界角时耦合光光斑图Fig.4 Coupling light spot diagrams with angle less than and greater than critical angle

3 实验结果

根据熔融侧面泵浦耦合器的制作工艺，搭建图5所示的实验装置。热源采用氢氧焰，燃烧产物易挥发，不会引入影响泵浦光耦合的杂质。另外氢氧焰温度高，火焰大小可控制，满足不同直径光纤之间熔接对温度的需求。通过计算机对夹具1的位置进行精密调整从而控制泵浦光纤和主光纤之间的夹角。

图5 实验装置图Fig.5 Experimental setup

图6是测试熔融侧面泵浦耦合器耦合效率的装置图，采用105/125 μm光纤输出的半导体激光器作为泵浦源，其输出功率为10 W，中心波长为976 nm，为了保证测试结果的准确性，避免光纤端面的菲涅尔反射影响，将主光纤的输出端切割8°。从图7耦合效率测试结果可以看出，耦合效率随角度变化趋势与仿真研究的结果相同，但由于制作工艺不够完善，耦合效率无法达到理论值水平。

图6 耦合效率测试Fig.6 Test of coupling efficiency

图7 耦合效率测试结果Fig.7 Results of coupling efficiency

4 结论

本文从理论上分析了两种不同NA值的泵浦光纤以不同角度与主光纤侧壁熔接后的耦合效率与夹角变化关系，并通过实验论证了理论分析结果。研究结果表明随着泵浦光纤和主光纤之间夹角的减小，耦合效率会逐渐增大，但存在临界值。对于NA为0.22的泵浦光纤，夹角临界值为9.7°，耦合效率最大值为96.9%，而对于NA为0.15的泵浦光纤，夹角临界值为11.5°，耦合效率最大值为97.8%，由此可见NA值小的泵浦光纤夹角临界值较大，泵浦光的耦合效率也较高。另外光束质量对耦合效率有着显著的影响，NA值小的泵浦光纤可以耦合进主光纤中较好光束质量的泵浦光。

[1] Zeringue C, Vergien C, Dajani I. Pump-limited, 203 W single-frequency monolithic fiber amplifier based on laser gain competition [J]. Opt. Lett., 2011, 36(5), 618-620.

[2] Dai Shoujun, He Bing, Zhou Jun, et al. 1.5 kW near single-mode all-fiber laser [J]. Chinese J. Lasers, 2013, 40(7): 0702001.

代守军，何兵，周军，等. 1.5 kW近单模全光纤激光器[J]. 中国激光，2013，40(7)：0702001.

[3] Theeg T, Sayinc H, Neumann J, et al. All-fiber counter-propagation pumped single frequency amplifier stage with 300W output power [J]. IEEE Photon. Technol. Lett., 2012, 24(20), 1864-1867.

[4] Li Ruichen, Zhang Peng, Pang Lu, et al. Fused biconical taper side-pmped fiber coupler [J]. Journal of Applied Optics, 2011, 32(3): 522-525.

李瑞辰，张鹏，庞璐，等. 熔锥型侧面泵浦耦合器的研究[J]. 应用光学，2011，32(3)：522-525.

[5] Lyu Min, Feng Zhijiang, Yang Di, et al. Development of fused biconical taper wide band coupler [J]. Journal of Applied Optics, 2007, 28(6): 793-796.

吕敏，冯志江，杨笛，等. 熔锥型宽带耦合器的研制[J]. 应用光学，2007,28(6)：522-525.

[6] Wei Wenlou, Ou Pan, Yan Pin, et al. Side-pumping coupler technology for double-clad fiber [J]. Laser Technology, 2004, 28(2): 116-120.

韦文楼，欧攀，闫平，等. 双包层光纤的侧面泵浦耦合技术[J]. 激光技术，2004，28(2)：116-120.

[7] Theeg T, Sayinc H, Neumann J, et al. Pump and signal combiner for bi-directional pumping of all-fiber lasers and amplifiers [J]. Optics Express, 2012, 20(27): 28125-28141.

[8] Dong Shufu, Cheng Guanghua, Yang Lingzhen, et al. Studies on the pump coupling and laser feedback in double cladding fiber lasers [J]. Laser Technology, 2003, 27(6): 523-525.

董淑福，程光华，杨玲珍，等. 双包层光纤激光器泵浦光耦合及激光反馈研究[J]. 激光技术，2003，27(6)：523-525.

[9] Ou Pan, Yan Ping, Gong Mali, et al. Fused side-coupler for double-clad fiber lasers [J]. Laser Technology, 2008, 32(1): 8-11.

欧攀，闫平，巩马理，等. 双包层光纤激光器的熔接型侧面耦合器[J]. 激光技术，2008，32(1)：8-11.

[10] Shao Tong, Yan Ping, Zhang Haitao, et al. Fused side-coupler for double-clad fiber lasers with CO2laser [J]. Laser Technology, 2010, 34(3): 367-369.

邵檀，闫平，张海涛，等. CO2激光熔接型双包层光纤侧面抽运耦合器[J]. 激光技术，2010，34(3)：367-369.

[11] Ma Chunsheng, Liu Shiyong. Mode theory of optical waveguides [M]. Changchun: Jilin University Press, 2007, 302-329.

马春生，刘式庸. 光波导模式理论[M]. 长春:吉林大学出版社，2007，322-329.