多芯光纤耦合效率的提升方法研究

刘德鑫 朱珊珊

摘  要：针对目前多芯光纤耦合效率低的问题，本文提供一种提高多芯光纤耦合效率的方法，该方法对光纤进行简单熔接和扩芯处理，让激光从小芯径多芯普通光纤的扩芯端面入射，可以将激光与小芯径多芯光子晶体光纤的耦合效率提高到80%以上。同时该方法具有简单实用、制备周期短、制备成本低的特点。

关键词：多芯光纤;耦合效率;提升方法;研究

1概述

超连续谱是指强脉冲入射到非线性介质中引起剧烈光谱展宽的非线性光学现象。使用的非线性光纤有合适的零色散点、模场小，非线性高是产生超连续谱的必要条件。然而，小芯径单芯光纤的损伤阈值低，严重限制了超连续谱的输出功率。与相同包层占空比的单芯光子晶体光纤相比，多芯光子晶体光纤的模场面积较大，而色散曲线变化不大。对多芯光纤的纤芯均匀打光，各个纤芯中传输的光场以倏逝场的形式耦合，最终形成超模。同相的超模，也就是所有的纤芯中传输的光的相位相同，具有完美的近高斯的远场光斑分布。这些特性使得多芯光子晶体光纤经常被用来提高超连续谱产生的功率。

2多芯光纤耦合效率分析

泵浦光与小芯径多芯光子晶体光纤之间稳定、高效的耦合对于产生稳定、高功率的超连续谱是十分重要的，一般采用空间耦合、熔接耦合的方式。若直接用透镜将泵浦光聚焦，使聚焦后的激光光斑均匀覆盖小芯径多芯光纤的各个纤芯，对单个纤芯直径约4微米的多芯光纤，耦合效率仅为60%。对单个纤芯直径更小的情况，耦合效率还会降低。若采用直接熔接的方式，泵浦激光器的光纤尾纤与小芯径多芯光子晶体光纤之间的模场失配会带来很大的损耗。通过选择性塌缩小芯径多芯光子晶体光纤的内圈空气孔，匹配其与大模场光纤之间的模场，可以将耦合效率提高到90%以上。但是光子晶体光纤空气孔非常小，都是微米量级，精确堵孔非常困难。

3多芯光纤耦合效率的提升方法研究

图1为多芯光纤熔接后的结构示意图。图2为小芯径7芯光子晶体光纤的端面示意图。图3为纤芯掺杂的小芯径7芯普通光纤端面示意图。图4为实施例1纤芯掺杂的小芯径7芯普通光纤扩芯后的光纤端面示意图。图中，1为小芯径多芯普通光纤的扩芯区域，2为小芯径多芯普通光纤，3为小芯径多芯普通光纤与小芯径多芯光子晶体光纤之间的低损耗熔接点，4为小芯径多芯光子晶体光纤，5为包层空气孔，6为纤芯，7为掺锗的纤芯，8为扩芯区域。

多芯光纤耦合效率的提升方法包括以下步骤：

1）取一段小芯径7芯光子晶体光纤4，其光纤端面如图2所示。光纤外径125微米，包层空气孔5的直径1.08微米，孔间距1.54微米，纤芯6的直径约2微米。切割光纤，获得平整无碎屑的光纤端面;

取一段小芯径7芯普通光纤2，其光纤端面如图3所示。普通光纤2的纤芯7掺锗，提高纤芯折射率，光纤外径125微米，纖芯7的直径约2微米，7个纤芯的位置分布与小芯径7芯光子晶体光纤4的纤芯位置分布基本相同，切割光纤，获得平整无碎屑的光纤端面。

2）将切割好的小芯径7芯光子晶体光纤4和小芯径7芯普通光纤2放置在熔接机两侧，驱动熔接机旋转马达，观察光纤端面，精确对准7芯光纤的7个纤芯，驱动熔接机的纵向平移马达，使熔接机的放电中心偏移熔接点，在小芯径7芯普通光纤2的一侧，防止熔接机放电时，光子晶体光纤4中的空气孔塌缩。采用多次放电的方式进行光纤熔接，降低熔接损耗，增加熔接点的机械强度。用CO2激光熔接机进行上述光纤熔接，激光放电功率为标准STD-75bit，每次放电时间750ms，放电次数为3次，熔接点损耗约0.5dB。

3）将小芯径7芯普通光纤2未熔接的另一端剥除涂覆，放置在熔接机两侧，熔接机放电，对小芯径7芯普通光纤2的纤芯7进行加热扩芯处理，使光纤的各个纤芯变大，形成一个大的均匀的纤芯区域。用CO2激光熔接机进行上述光纤处理，激光放电功率为标准STD+75bit，每次放电时间8000ms。

4）从小芯径的7芯普通光纤的扩芯区域中间进行切割，获得平整无碎屑的、有大的均匀纤芯区域8的光纤端面，扩芯后的光纤端面如图4所示。

让激光从图1中的1处入射，可以将激光与小芯径光子晶体光纤之间的耦合效率提高到至少80%以上。

4结语

本多芯光纤耦合效率的提升方法通过对光纤进行简单熔接和扩芯处理，让激光从小芯径多芯普通光纤的扩芯端面入射，可以有效提高激光与小芯径多芯光子晶体光纤的耦合效率，该方法简单实用、制备周期短、制备成本低。

参考文献

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[2]张晓磊.多芯光纤激光器及新波长固体激光器[D].山东大学，2012.

[3]周旋风.大功率光纤端帽和光纤功率合束器研究[D].国防科学技术大学，2015.

[4]张羽、刘志海.纤芯圆对称分布多芯光纤的耦合特性[J].发光学报，2011.

作者简介

1.刘德鑫，男，1996年06月，单位：长春理工大学，学生，研究方向：光纤。

2.朱珊珊，女，1998年06月，单位：长春理工大学，学生，研究方向：光纤。