光纖耦合器回波損耗分析

鄭鎮(zhèn)宏

摘 要：將高功率半導(dǎo)體激光器與7×1光纖耦合器、（6+1）×1光纖耦合器進(jìn)行結(jié)合，利用全光纖式光束合成技術(shù)對高功率光纖耦合器回光功率進(jìn)行測試。對高功率半導(dǎo)體激光器在兩種不同光纖耦合器下的激光回光功率，并將其輸入光纖端面直徑，以及從光纖末端輸出后等因素對回波損耗產(chǎn)生影響。本文通過對光纖耦合器回波損耗進(jìn)行分析，以期為相關(guān)工作人員提供一些參考意見。

關(guān)鍵詞：光纖耦合器;回波損耗;瑞利散射;光纖放大器;高功率

在高功率光纖放大器的快速發(fā)展中，人們對光纖耦合器相關(guān)的性能及參數(shù)的要求越來越高。兩束及兩束以上的光纖進(jìn)行接觸捆綁過后為光纖耦合器，通過機(jī)械研磨加工等方法對接觸捆綁部位進(jìn)行處理。在光纖耦合器應(yīng)用過程中，要對回波損耗等參數(shù)進(jìn)行分析，這樣能夠幫助光纖耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素在工作中克服激光的功率合成與分離技術(shù)的輸出，從而提高光束的質(zhì)量。本文分析是通過實(shí)驗(yàn)對比的方式進(jìn)行的，這樣能夠更加直白的看到不同條件與環(huán)境下的光纖耦合器回波損耗。

一、光纖端面直徑和耦合器腰束纖芯排列結(jié)構(gòu)

在對光纖耦合器輸出端面的菲涅爾反射不進(jìn)行考慮時，一般情況下回波損耗主要是光纖自身存在的隨機(jī)密度等產(chǎn)生的，光纖的瑞利散射在與相對折射率差變動等進(jìn)行比較時，纖芯大小在變化中十分敏感。[1]光纖耦合器腰束的形成并不復(fù)雜，是通過不同的光纖進(jìn)行捆綁，并經(jīng)過雙向相對拉動熔融形成。對相對折射率的大小影響因素有很多，而光纖耦合器腰束纖芯排列結(jié)構(gòu)就是其中十分重要的一個內(nèi)容，且對折射率的大小具有重要影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，將高功率半導(dǎo)體激光器與7×1光纖耦合器合并、高功率半導(dǎo)體激光器與（6+1）×1光纖耦合器合并進(jìn)行比較，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

在實(shí)驗(yàn)中，保證室內(nèi)溫度是24度，濕度也有具體要求，控制在45%。在7×1光纖耦合器中，進(jìn)光纖纖芯直徑控制在105μm，且輸入7束，對輸出端光纖纖芯直徑進(jìn)行控制，保證其直徑為220μm。在實(shí)驗(yàn)中還有一根直徑為20μm的光纖，以及將400μm的雙包層光纖確定為內(nèi)包層。為對兩種結(jié)合體的端面反射進(jìn)行消除，通過高精密光纖切割刀對輸入與輸出的部位記行切割，且切割后為0度角，作業(yè)采用光纖輸出端與空置光纖耦合器輸入端熔接。在7×1光纖耦合器中選擇一根光纖，并將半導(dǎo)體激光器與光纖相熔接，利用激光功率計對空置光纖末端的激光功率進(jìn)行測試。并在（6+1）×1光纖耦合器中，選擇5根光纖，并將半導(dǎo)體激光器進(jìn)行熔接，且利用激光功率計對余下的一根小直徑多模光纖的激光功率進(jìn)行計算。對高功率半導(dǎo)體激光器的電流逐漸進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對光纖耦合器輸出的功率進(jìn)行測試。在（6+1）×1光纖耦合器的中心光纖與普通的輸入端光纖教學(xué)對比時，發(fā)現(xiàn)回光功率有所不同。

在其他因素相同的情況下，光纖耦合器纖芯直徑率與回光功率呈正比，與回波損耗呈反比，回光波與回波損耗呈反比。[2]光纖耦合器腰束的纖芯排列結(jié)構(gòu)的差異，是由兩種光纖耦合器中心光纖纖芯直徑的不同造成的，在兩種光纖耦合器中對輸入的激光功率存在很多差異。在對7×1與（6+1）×1光纖耦合器進(jìn)行對比時，發(fā)現(xiàn)光纖耦合器中心光纖、鄰近光纖的回光功率、整體回光功率百分比差值驗(yàn)證光纖耦合器腰束纖芯排列結(jié)構(gòu)對回光損耗的影響為：

CPV=（PCOF/PR-PSOF/PR）*100%

在公式中相關(guān)的指代為：光纖耦合器輸入端，光纖輸入端、周圍普通光纖輸入端返回的光功率分布為PR、PCOF/PR、PSOF。

在7×1光纖耦合器中，CPV變化幅度不是很大，發(fā)現(xiàn)腰束纖芯結(jié)構(gòu)如果較為緊湊，那么折射率較大的7×1光纖耦合器的后向瑞利散射也就會變小，這時回波損耗也就會越小。在（6+1）×1光纖耦合器中，如果CPV變化幅度較大，則纖芯結(jié)構(gòu)越松散，瑞利散射越明顯，也就是說明回波損耗較小。

二、輸出光纖端面縱向角度

本段分析是對光纖自身的瑞利散射不進(jìn)行考慮的，一般情況下光纖末端回波反射是由輸出光纖末端端面菲涅爾反射造成的，這就對光器件的整體性能造成極大影響。在進(jìn)行試驗(yàn)過程匯總將室內(nèi)溫度控制在23.5度，濕度控制在48%。（6+1）×1光纖耦合器中，對雙包層光纖端面進(jìn)行切割對比，切割為0度與8度進(jìn)行對比。在本實(shí)驗(yàn)中通過對（6+1）×1光纖耦合器的光纖端面進(jìn)行切割過程中，采用精密光纖切割刀完成切割，并將（6+1）×1光纖耦合器中的一個非中心輸入光纖端部，并與高功率半導(dǎo)體機(jī)關(guān)器進(jìn)行熔接，這時對高功率激光器電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時還要做好監(jiān)測工作，對光纖末端的激光功率進(jìn)行有效監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)表明，在同一個光纖耦合器中，兩個不同的非中心輸入光纖的回光功率之間的差異不大，因此可以忽略不計。

在（6+1）×1光纖耦合器，發(fā)現(xiàn)切 0°角的輸出功率耦合效率要低于切 8°角的，這也說明雙包層光纖輸出耦合效率的提高能夠?qū)﹄p包層光纖端面角度設(shè)計真確性進(jìn)行改變。光耦合效率較高時，回波損耗與0度角相對較大。[3]兩個角在光耦合效率高時，回光功率也較小，0度角的輸出耦合效率不高，回光功率也不高，但相比之下，回光波的損耗較大。在8°角中，輸出耦合效率更高，回波損耗較小。在實(shí)驗(yàn)中，輸出光纖切 8度角時，當(dāng)耦合效率較高時，就能對激光振蕩進(jìn)行有效抑制。當(dāng)在0°角時，無法抑制激光振蕩，這時回波損耗就會變大。

三、結(jié)語

綜上所述：對影響高功率激光傳輸型光纖耦合器回波損耗的物理因素進(jìn)行分析，并對與之相關(guān)的物理問題進(jìn)行研究，從而對提高功率光纖放大器的探究打下堅實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)而能夠?qū)Ω吖β使饫w放大器的整體性能進(jìn)行提高。在實(shí)驗(yàn)中通過同光纖端面直徑和耦合器腰束纖芯排列結(jié)構(gòu)、輸出光纖端面縱向角度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同的角度下回波損耗會不同。通過研究有助于提高功率光纖放大器的質(zhì)量，促進(jìn)我國相關(guān)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘武，承皓，尹霞，等.一種基于E面分支線電橋3dB耦合器的太赫茲四路功分器[J].應(yīng)用激光，2017（3）：446-451.

[2]何如龍，孫強(qiáng).免纏繞型光回波損耗測試儀在雙工光纖跳線測試中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2018（2）：138-139.

[3]張煥卿，白雪婧，王德波.熱電式MEMS微波功率傳感器模型的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2018（1）：110-117.