摘 要： 将高功率半导体激光器与7×1光纤耦合器、 (6+1) ×1光纤耦合器进行结合, 利用全光纤式光束合成技术对高功率光纤耦合器回光功率进行测试。对高功率半导体激光器在两种不同光纤耦合器下的激光回光功率, 并将其输入光纤端面直径, 以及从光纤末端输出后等因素对回波损耗产生影响。本文通过对光纤耦合器回波损耗进行分析, 以期为相关工作人员提供一些参考意见。
关键词： 光纤耦合器; 回波损耗; 瑞利散射; 光纤放大器; 高功率;
在高功率光纤放大器的快速发展中, 人们对光纤耦合器相关的性能及参数的要求越来越高。两束及两束以上的光纤进行接触捆绑过后为光纤耦合器, 通过机械研磨加工等方法对接触捆绑部位进行处理。在光纤耦合器应用过程中, 要对回波损耗等参数进行分析, 这样能够帮助光纤耦合器内部结构因素在工作中克服激光的功率合成与分离技术的输出, 从而提高光束的质量。本文分析是通过实验对比的方式进行的, 这样能够更加直白的看到不同条件与环境下的光纤耦合器回波损耗。
一、光纤端面直径和耦合器腰束纤芯排列结构
在对光纤耦合器输出端面的菲涅尔反射不进行考虑时, 一般情况下回波损耗主要是光纤自身存在的随机密度等产生的, 光纤的瑞利散射在与相对折射率差变动等进行比较时, 纤芯大小在变化中十分敏感。[1]光纤耦合器腰束的形成并不复杂, 是通过不同的光纤进行捆绑, 并经过双向相对拉动熔融形成。对相对折射率的大小影响因素有很多, 而光纤耦合器腰束纤芯排列结构就是其中十分重要的一个内容, 且对折射率的大小具有重要影响。在实验过程中, 将高功率半导体激光器与7×1光纤耦合器合并、高功率半导体激光器与 (6+1) ×1光纤耦合器合并进行比较, 并对实验结果进行分析。
在实验中, 保证室内温度是24度, 湿度也有具体要求, 控制在45%。在7×1光纤耦合器中, 进光纤纤芯直径控制在105μm, 且输入7束, 对输出端光纤纤芯直径进行控制, 保证其直径为220μm。在实验中还有一根直径为20μm的光纤, 以及将400μm的双包层光纤确定为内包层。为对两种结合体的端面反射进行消除, 通过高精密光纤切割刀对输入与输出的部位记行切割, 且切割后为0度角, 作业采用光纤输出端与空置光纤耦合器输入端熔接。在7×1光纤耦合器中选择一根光纤, 并将半导体激光器与光纤相熔接, 利用激光功率计对空置光纤末端的激光功率进行测试。并在 (6+1) ×1光纤耦合器中, 选择5根光纤, 并将半导体激光器进行熔接, 且利用激光功率计对余下的一根小直径多模光纤的激光功率进行计算。对高功率半导体激光器的电流逐渐进行调节, 并对光纤耦合器输出的功率进行测试。在 (6+1) ×1光纤耦合器的中心光纤与普通的输入端光纤教学对比时, 发现回光功率有所不同。
在其他因素相同的情况下, 光纤耦合器纤芯直径率与回光功率呈正比, 与回波损耗呈反比, 回光波与回波损耗呈反比。[2]光纤耦合器腰束的纤芯排列结构的差异, 是由两种光纤耦合器中心光纤纤芯直径的不同造成的, 在两种光纤耦合器中对输入的激光功率存在很多差异。在对7×1与 (6+1) ×1光纤耦合器进行对比时, 发现光纤耦合器中心光纤、邻近光纤的回光功率、整体回光功率百分比差值验证光纤耦合器腰束纤芯排列结构对回光损耗的影响为:
在公式中相关的指代为:光纤耦合器输入端, 光纤输入端、周围普通光纤输入端返回的光功率分布为PR、PCOF/PR、PSOF。
在7×1光纤耦合器中, CPV变化幅度不是很大, 发现腰束纤芯结构如果较为紧凑, 那么折射率较大的7×1光纤耦合器的后向瑞利散射也就会变小, 这时回波损耗也就会越小。在 (6+1) ×1光纤耦合器中, 如果CPV变化幅度较大, 则纤芯结构越松散, 瑞利散射越明显, 也就是说明回波损耗较小。
二、输出光纤端面纵向角度
本段分析是对光纤自身的瑞利散射不进行考虑的, 一般情况下光纤末端回波反射是由输出光纤末端端面菲涅尔反射造成的, 这就对光器件的整体性能造成极大影响。在进行试验过程汇总将室内温度控制在23.5度, 湿度控制在48%。 (6+1) ×1光纤耦合器中, 对双包层光纤端面进行切割对比, 切割为0度与8度进行对比。在本实验中通过对 (6+1) ×1光纤耦合器的光纤端面进行切割过程中, 采用精密光纤切割刀完成切割, 并将 (6+1) ×1光纤耦合器中的一个非中心输入光纤端部, 并与高功率半导体机关器进行熔接, 这时对高功率激光器电流进行调节, 这时还要做好监测工作, 对光纤末端的激光功率进行有效监测。实验表明, 在同一个光纤耦合器中, 两个不同的非中心输入光纤的回光功率之间的差异不大, 因此可以忽略不计。
在 (6+1) ×1光纤耦合器, 发现切0°角的输出功率耦合效率要低于切8°角的, 这也说明双包层光纤输出耦合效率的提高能够对双包层光纤端面角度设计真确性进行改变。光耦合效率较高时, 回波损耗与0度角相对较大。[3]两个角在光耦合效率高时, 回光功率也较小, 0度角的输出耦合效率不高, 回光功率也不高, 但相比之下, 回光波的损耗较大。在8°角中, 输出耦合效率更高, 回波损耗较小。在实验中, 输出光纤切8度角时, 当耦合效率较高时, 就能对激光振荡进行有效抑制。当在0°角时, 无法抑制激光振荡, 这时回波损耗就会变大。
三、结语
综上所述:对影响高功率激光传输型光纤耦合器回波损耗的物理因素进行分析, 并对与之相关的物理问题进行研究, 从而对提高功率光纤放大器的探究打下坚实基础, 进而能够对高功率光纤放大器的整体性能进行提高。在实验中通过同光纤端面直径和耦合器腰束纤芯排列结构、输出光纤端面纵向角度进行研究, 发现不同的角度下回波损耗会不同。通过研究有助于提高功率光纤放大器的质量, 促进我国相关行业的可持续发展。
参考文献
[1]潘武, 承皓, 尹霞, 等.一种基于E面分支线电桥3dB耦合器的太赫兹四路功分器[J].应用激光, 2017 (3) :446-451.
[2]何如龙, 孙强.免缠绕型光回波损耗测试仪在双工光纤跳线测试中的应用[J].科技与创新, 2018 (2) :138-139.
[3]张焕卿, 白雪婧, 王德波.热电式MEMS微波功率传感器模型的研究[J].仪器仪表学报, 2018 (1) :110-117.
