直接影响激光输出功率的抽运耦合技术

与传统的固体激光器类似，

光纤激光器的主要抽运方式，

也可以分为端面抽运耦合

与侧面抽运耦合。

这两种耦合方式细分为哪些技术方案？

各种方式又有何特点？

下文为你介绍。

光纤激光器中的端面抽运

端面抽运耦合是指抽运光从光纤的端面进入增益光纤，其优点是只要满足光纤内包层直径和数值孔径(NA)与抽运源输出尾纤尺寸和数值孔径相匹配，就能够实现高效率耦合，同时端面抽运结构简单，易于实现。但是，一根完整的光纤只有两个端面，最多只能容纳两个端面抽运耦合点，这将会限制抽运耦合功率的扩展。此外，抽运耦合处容易形成过热点，可能对光纤造成损伤或者直接烧毁光纤。端面抽运耦合方法众多，比如分立光学元件端面耦合、直接熔接端面耦合、普通光纤熔融拉锥端面耦合、光子晶体光纤(PCF)熔融拉锥端面耦合等。

分立光学元件端面耦合

分立光学元件耦合是采用透镜(组)等分立光学系统将激光二极管输出激光耦合进入增益光纤内包层，如图1所示，图中DCF为色散补偿光纤。通常激光二极管的输出要经过光学整形。此方法要获得高耦合效率，需要保证激光二极管整形后的输出激光亮度高于光纤内包层能够容纳的激光亮度，并且需要确保抽运源输出端、耦合系统和增益光纤入口之间位置的精密对准。

图1 分立光学元件端面耦合示意图

2014年Ramachandran等利用二向色镜以及数值孔径低至0.046的掺镱光纤，采用2个975 nm的二极管阵列作为抽运源，得到了3 kW的激光输出，如图3所示(HR表示高反射率)。如果光纤的数值孔径变得更低，可以获得更高的激光输出。这种方法利用分立的光学元件来实现抽运光耦合，需要非常精密的调节，系统稳定性不高，并且扩展能力较差，一般局限于实验室研究。

图2 分立光学元件固体激光器端面抽运示意图

图3 分立光学元件二向色镜端面抽运的(a)示意图和(b)实物图

直接熔接端面耦合

对于自由空间输出的LD，需要采用分立光学系统进行耦合。随着LD的发展，尾纤输出的LD在输出功率、输出激光亮度和稳定性方面都有极大的提升。而采用尾纤输出的LD作为抽运源，其尾纤可以与双包层光纤直接进行熔接，从而实现高效抽运耦合。

基于普通双包层光纤

以直接熔接端面耦合的方式对普通双包层光纤进行抽运，示意图如图4所示。由于熔接后双包层光纤与LD尾纤成为一体，无法在它们之间插入分立光学元件而构成谐振腔，需要用光纤光栅(FBG)来为激光提供反馈谐振。另外，LD尾纤的熔接占用了双包层光纤的整个端面，无法再注入信号光，所以此结构只能应用于光纤激光振荡器。

图4 直接熔接端面耦合示意图

基于定制光纤

基于定制光纤的端面耦合方法是由Peterka等在2005年提出的一种新的端面抽运方法。此方法的最大特点是掺杂的双包层光纤为截面形状定制的光纤，截面形状如图5所示。

图5 基于定制光纤的端面抽运耦合原理示意图

掺杂双包层截面形状设计需要满足两个要求：

双包层光纤与两根输入光纤的形状尽量接近以实现与信号光纤和抽运光纤的良好熔接；需要保证抽运光在双包层光纤中能够被纤芯有效吸收。

实验中，只需要将抽运光纤与信号光纤平行排列，并与定制的双包层光纤熔接即可实现抽运光到双包层光纤的耦合。2006年，Peterka等采用此方法搭建了一台环形腔光纤激光器，实现了斜率效率为26%的激光输出。此方法既可以应用于光纤激光振荡器，也可以应用于光纤激光放大器，但其结构复杂，耦合效率低。

普通光纤熔融拉锥端面抽运耦合

熔融拉锥端面抽运耦合器是将多个光纤合成到一根待耦合光纤。待耦合光纤可以是多模(MM)光纤也可以是双包层光纤。其制作过程是将多根光纤组成一束，然后在高温下加热拉伸，使其互相熔合并形成锥形过渡区，最后将其切断，与输出光纤熔接。根据应用方式可以将熔融拉锥端面耦合器分成两类：N×1光纤熔锥端面耦合器和(N+1)×1光纤熔锥端面耦合器。

N×1光纤熔锥端面耦合器的制作过程是：将N根多模输入光纤熔融拉锥并截断，然后和一根多模光纤熔接。这种器件主要应用于光纤激光振荡器中。7×1抽运耦合器示意图如图6(a)所示。(6+1)×1抽运耦合器示意图如图6(b)所示。

图6 熔融拉锥端面抽运耦合器示意图.(a)7×1抽运耦合器;(b)(6+1)×1抽运耦合器

对于这种耦合方式，各大公司和研究单位都进行了大量研究。一种方法是直接将光纤进行合束拉锥，如图6所示。为了保证在高温加热时光纤能够互相贴合，在拉锥之前需要将光纤束进行缠绕。另一种方法是Kosterin等提出的采用低折射率石英管将光纤束包裹，如图7所示。在熔融拉锥过程中，利用石英管塌陷的压力来实现光纤束的贴合。2007年，加拿大ITF公司实现了7×1熔锥端面耦合器的千瓦级激光合成。

图7 石英玻璃管包裹熔融拉锥端面耦合示意图

在国内，2015年国防科技大学以及2011-2015年间清华大学都进行了相关实验。

图8 国防科技大学熔融拉锥端面横截面示意图

光子晶体光纤熔融拉锥端面抽运耦合

光子晶体光纤熔融拉锥端面耦合与普通光纤熔融拉锥端面耦合类似，也可分为(N+1)×1光子晶体熔锥端面耦合器和N×1光子晶体熔锥端面耦合器，不同点在于输出光纤为光子晶体光纤。

丹麦NKT公司于2007年提出了光子晶体光纤耦合器。光子晶体光纤熔锥端面耦合器由普通光纤束、光子晶体光纤锥形过渡区和作为输出的光子晶体光纤组成。它与普通光纤耦合器有两个不同点：一是输出光纤不同；二是锥形过渡区不同，光子晶体光纤熔锥端面耦合器的锥形过渡区是一个熔融拉锥的光子晶体光纤。

NKT公司也开展了(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器的研制工作。Ward等于2010年提出了与图10类似的(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器，不同点是锥形过渡区采用了化学腐蚀阶跃折射率光纤制作而成。这个方法的优点是在锥形过渡区，光纤的纤芯没有发生形变，可以降低信号光的插入损耗；缺点是制作工艺特别复杂。

此外，NKT公司开发出了另一种端面抽运(N+1)×1光子晶体光纤熔锥端面耦合器。多根抽运光纤围绕中心的光子晶体光纤对称排列，形成反向光纤束。光纤束的端面处，每根光纤切割成镜面，并排列成一个平面，然后将这个平面与一个平凸透镜的平面紧密接触。平凸透镜的曲面处镀有双色膜层，能够对抽运光形成高反射，对信号光形成高透射，利用该透镜可以使抽运光通过透镜凸面的反射而耦合进入中心光子晶体光纤内包层，同时保证信号光透过透镜输出。采用此方法，NKT公司于2010年实现了55 W抽运耦合，耦合效率达到86.5%。

2014年，NKT公司设计了(6+1)×1型耦合器。2016年，Glebov等利用法国ALphANOV公司生产的(6+1)×1耦合器以及NKT公司生产的DCG200/40GPZGYb光子晶体光纤设计了一种激光器，其抽运功率超过了300 W。

光纤激光器中的侧面抽运

侧面抽运耦合是指抽运光从光纤的侧面耦合进入增益光纤内包层。光纤的侧表面积远远大于端面面积，为侧面抽运提供了非常广阔的耦合区域。侧面抽运将不再像端面抽运一样仅仅局限于两个点，因而有非常强大的可扩展性。

侧面抽运耦合的种类繁多，根据抽运源的不同将其分为两类：

采用自由空间输出LD作为抽运源，以分立光学元件作为耦合元件；采用尾纤输出LD作为抽运源。

表1 光纤激光器中的由空间输出LD侧面抽运

尾纤输出LD侧面抽运是以自由空间输出LD作为抽运源，可以降低成本，但是系统需要复杂的分立光学耦合系统，并且需要精密调节，这导致系统稳定性较差，集成度不高。采用尾纤输出的LD作为抽运源，配合全光纤侧面抽运耦合器，可以实现全光纤化的抽运结构。全光纤侧面抽运耦合器由抽运光纤和待耦合光纤组成，抽运光纤将抽运光从侧面耦合进入待耦合光纤。通常待耦合光纤为双包层光纤，双包层光纤的大内包层面积和大数值孔径可以容许多模高功率低成本的LD作为抽运源。

表2 光纤激光器中的尾纤输出LD侧面抽运

总 结

高功率光纤激光器的应用前景巨大，输出功率的进一步提升将是未来主要的发展方向，而光纤激光器的抽运水平将直接影响激光器输出功率的高低。目前高功率光纤激光器正在向集成化、全光纤化方向发展，GTGwave技术和双向侧面抽运耦合是卓有成效的抽运方式，代表了目前高功率光纤激光器的最高发展水平。今后光纤激光器的抽运功率、输出功率将会不断提升，耦合效率也将不断提升，另外，也势必会有更加完美的抽运耦合方式出现。

作者：

肖起榕1,2,张大勇2,王泽晖1,黄昱升1,张利明2,李丹1,闫平1,巩马理1

1清华大学精密仪器系2固体激光技术重点实验室

肖起榕,张大勇,王泽晖,黄昱升,张利明,李 丹,闫 平,巩马理 高功率光纤激光抽运耦合技术综述[J]. 中国激光, 2017, 44(2): 201008

FRED应用：激光二极管光源耦合到光纤的仿真

简介

本文讨论了如何使用FRED对球透镜封装的半导体激光二极管耦合到单模光纤进行准确的建模，这是在光纤通信领域很常见的一个光学系统。该模型演示了FRED传播相干光场的能力、它的精确激光二极管束(Laser Diode Beam)光源模型以及准确的计算光纤耦合效率。

模型

在FRED模型中使用的半导体激光二极管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，这是一个InGaAsP / InP多量子阱(MQW)激光器，工作波长是1310nm。Mitsubishi光源说明书定义了输出光束的在x和y方向的发散角分别是25和30度（远场功率分布的全1/e宽度)。没有提及在x和y焦点位置的任何偏移，所以我们假定它们和光源处的分布是一致的。

我们在FRED中使用激光二极管束光源类型对激光二极管光源建模，以及设置光源产生相干输出。

图1. 激光二极管光源编辑

注意到在激光二极管光束光源的设置里面，发散角由功率的1/e2标准定义。这就要求制造商提供的发散角要乘以一个开方因子。

图2. 球透镜封装的激光二极管耦合到光纤系统原理图（侧视图）

直径为1.5mm的球透镜是Mitsubishi激光二极管集成的一部分，它的位置在距离激光二极管发射表面1.88mm处。

在FRED中使用球形元件基元，就可以创建该透镜。为方便起见，全局坐标原点选在球透镜的输出表面与光轴的交点处。

图3. 全局坐标原点的定义

值得注意的是，我们使用了FRED的N-BK7模型来定义球透镜的材料，在1310nm波长处折射率大小是1.5036。

模型中使用的单模光纤(SMF)位于距离全局坐标原点1.9mm处，它的结构(由下图定义)基于单模光纤的典型值。光纤纤心的半径是5μm，且由直径为125μm包层包裹着。纤心和包层的折射率大小分别是1.465和1.47，它们之间的折射率差为0.36%。

图4. 单模光纤示意图

模型中还包含了一个吸收涂敷层，或者是夹层，覆盖在光纤表面。

在FRED中定义的光纤是一个组件，它包含了多个元件基元：一个圆柱体用于纤芯、光管用于包层和涂敷层。

注意到“Fiber Cladding”管道的内壁恰好与“Fiber Core”圆柱体的外壁是重合的。为了正确的建模，用户需要手动的设置包层管道的内壁为不可追迹(Never Traceable)。不这样做的话将会导致光线追迹错误，因为两个表面放置在空间里完全一样的位置，而且它们具有两个不同的材料设置。对于“Fiber Coating”的内壁需要同样的设置。

在这一模型中光纤涂层认为是吸收的，且拥有停止所有(Halt All)光线追迹控制。所有其它的表面是不加涂层的。

仿真

FRED使用如下的方程来计算光纤耦合效率(CE)：

其中Einc是入射场分布，Efiber是光纤基模的场分布(由FRED根据光纤规格参数自动计算)。

一般来说，CE是一个复数，所以耦合功率实际上是：

因此，我们要想精确的计算光纤耦合，需要在光纤入口的后面放置一个分析面来保证该表面的反射系数能够准确的纳入考虑之中。

非常重要的是，分析面是大于我们所期望的基模的模场直径(MFD)，以便进行精确的重叠积分。同样重要的是，我们应该意识到数值积分的精确性依赖于分析面中划分网格的数目。在本例中，50μm宽的分析面上251×251的网格，可认为是足够的。

图5. 分析面放置在光纤界面的后面

图6. 光源用128*128采样点光线追迹与渲染

由FRED光纤耦合效率计算得出的返回值是两个场分布之间的重叠部分，且没有考虑入射场的功率。因此要想知道多少功率耦合到该模式中一定要做到以下两步：

1.通过辐射照度的计算确定分析面处的功率值(P)

2.通过光纤耦合效率分析确定CE的值

耦合到光纤模式中的功率大小可以简单的表示为P * CEpower。

追迹完从具有2048×2048个样本点的光源发出的光线后，当我们计算辐射照度时，输出窗口里就会显示出到达光纤接口后面的分析面处的光源功率值。

图7. 分析面处的积分功率值

可以看出，26.55%的光功率到达了分析面。为了确定到光纤模式中的耦合，这里使用了FRED光纤耦合效率分析。注意到0.005mm的光纤纤芯半径在这里需要准确的输入。

图.8 光纤耦合效率分析对话框

点击完OK后，结果会显示在输出窗口中。

图9. 光纤耦合效率显示在输出窗口

可以看出，耦合效率为71.44%。因此，在这个系统总的耦合功率百分比为71.44%*26.55% = 19.0%。

ML725C8F激光二极管工作光源是在5mW，因此在该配置中，光纤传输的信号差点不到1mW。

对齐灵敏度

对于测定设计公差以及激光二极管/光纤包的可行性，理解光纤对齐灵敏度是非常有必要的。使用FRED脚本功能可以很容易的完成这件事。

与该FRED文件相关联的共有三个内置脚本：

 纵向距离扫描

 横向偏移扫描

 倾斜扫描

这三个脚本之间是相似的：通过用户控制的步长，每个脚本调整了光纤的位置、计算了耦合系数并打印到输出窗口或者到Microsoft Excel电子表格中(如果有需要)。

纵向对齐灵敏度

在距离扫描脚本文本的顶端，用户输入光纤的开始和结束位置，以及希望运行的扫描分辨率（步长）。

如果用户希望FRED将数据打印到Microsoft Excel电子表格中并绘图，就要设置exportToExcel标签值为True。

就在这定义了光纤的参数，这只是用于光纤耦合效率的计算。

头部打印出来后，脚本的主循环就开始了。这是一个“for”循环，它会一步一步的改变光纤的位置-[1]，追迹光线-[2]，计算照度并确定总功率-[3]，计算光纤耦合效率-[4]，最后计算模式功率-[5]。

图10. 位置扫描脚本的主循环

注意到函数FiberCoupleStepIndex返回了两个值-“coupleReal” 和“coupleImag”，这些变量是耦合系数的实部和虚部。

下图表示的是，对于球透镜到光纤的距离从1.5mm到2.5mm变化的结果。

图11. 光纤耦合vs距离

激光二极管的制造商Mitsubishi指定了在距球透镜1.9mm位置处，光纤耦合功率的最大值为0.8mW(16%的效率)，FRED在耦合中计算出了稍微偏大的值。这种差异可以解释为：耦合对光纤模式尺寸和折射率分布极为敏感。很遗憾的是，Mitsubishi没有给出使用光纤的具体细节。

横向准直灵敏度

“横向偏移扫描”脚本与之前十分相似，除了用户为扫描定义了如下的参数：

图12. 在Z=1.86mm位置处：光纤耦合vs横向偏移

方向灵敏度

该脚本同样与先前的脚本十分相似，这里用户定义了取向的角度范围。注意到该脚本只是在水平方向倾斜了光纤，并不是一个任意的角度。

图13. 在Z=1.86mm位置处：光纤耦合vs水平方向旋转

结束语

在本文中，FRED展现出了从激光二极管到光纤耦合准确计算的能力。其计算结果与激光二极管生产商提供的耦合信息一致。FRED的相干传输能力以及高散射相干的精确定义对于这种类型问题的仿真是很关键的。

本例系统数据(单位是mm)

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