單模與多模光纖耦合器的光束合波

1、文章編號(hào):025322239(200506274323單模與多模光纖耦合器的光束合波3柳春郁1,2,3余有龍2,4高應(yīng)俊1,41中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安7100682黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所,哈爾濱1500803中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京1000394暨南大學(xué)物理系,廣州510632摘要:現(xiàn)有的光纖耦合器在作為分波器使用時(shí)具有較低的插入損耗,在作為合波器時(shí)插入損耗較大,為實(shí)現(xiàn)低損耗合波目的,提出一種由單模與多模光纖共同構(gòu)成的混合型光纖耦合器。利用耦合波方程理論分析其工作原理,計(jì)算機(jī)模擬其耦合過程。采用熔錐法制作工藝,完成單模與多模光纖耦合器的制作,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬相吻合;該器件單

2、模到多模光纖的耦合效率、多模到多模光纖的耦合效率均在90%以上,實(shí)現(xiàn)了兩路光束的功率合波。作為低插入損耗合波器件可廣泛應(yīng)用于光通信以及雙包層光纖激光器抽運(yùn)光的注入。關(guān)鍵詞:導(dǎo)波與光纖光學(xué);合波器;熔錐型;光纖耦合器中圖分類號(hào):TN253文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A3黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目(10531Z010,10531132和廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(04105843資助課題。收稿日期:2004206207;收到修改稿日期:2004211208The Co m bi n a t i o n of B ea ms bet wee n Si n gle 2Mode a n d M ul t i m ode F

3、i be rsi n F us ed Coup le rLiu Chunyu 1,2,3Yu Youlong 2,4Gao Y ingjun 1,41Xi a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics ,The Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Xi a n 7100682I nstit ute of Fiber Op tics ,Heilongji a ng U niversi t y ,Ha rbi n 1500803Gr a d u a te School of t he Chi nese Ac

4、a dem y of Scie nces ,Beiji ng 1000394Dep a r t me nt of Physics ,J i n a n U niversi t y ,Gu a ngzhou 510632Abs t r act :As a splitter ,t he common fiber coupler has a low insert loss ,while as a combiner it exhibits high loss.In order to obtain the combining beams with low insert loss ,a new confi

5、guration coupler is p resented ,which is consituted with a single 2mode fiber and a multimode fiber.The working p rinciple is theoretically analyzed by the coupling wave equation and t he coupling p rocedure is simulated by the computer.The coupler was made with a single 2mode fiber and a multimode

6、fiber by f used 2taper technology.The result agreed well with the simulating drawing.The combining of two beams is realized.The coupling ratio of each arm is more than 90%.As a combiner ,with low insert loss ,this component could be used in optical communication and double cladding fiber laser to im

7、p rove coupling efficiency of pumping light.Key w or ds :guided wave and fiber optics ;combiner ;f used taper ;fiber coupler1引言普通對(duì)稱結(jié)構(gòu)的熔錐型光纖耦合器在分波方面效果很好,能夠?qū)⒁宦饭庑盘?hào)以極低的功率損耗(插入損耗l in 0.1dB 為代價(jià)分配到兩個(gè)或多個(gè)支路中去;但是在作為合波器、上下載復(fù)用器時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較大的插入損耗,如3dB 、6dB 1?，F(xiàn)有的波分復(fù)用器是非對(duì)稱結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)980nm/1550nm 、1480nm/1550nm 的功率合波,由單模

8、光纖制成。結(jié)合寬帶耦合器、波分復(fù)用器的非對(duì)稱結(jié)構(gòu),本文提出了利用熔錐法制作單模與多模光纖的混合型耦合器實(shí)現(xiàn)光束合波。該器件能夠以較低的插入損耗,將兩路光束注入到一根光纖中,實(shí)現(xiàn)功率上的合波,彌補(bǔ)第25卷第6期2005年6月光學(xué)學(xué)報(bào)AC TAO P TICA SIN ICAVol.25,No.6J une ,2005普通合波器的功率高損耗缺陷。也可以用于大功率雙包層光纖激光器抽運(yùn)光注入。文獻(xiàn)29中大功率光纖激光器的抽運(yùn)都是利用非球面鏡組將激光二極管抽運(yùn)光耦合到雙包層光纖中,激光二極管抽運(yùn)光經(jīng)過耦合透鏡組后又經(jīng)過一個(gè)由雙色鏡構(gòu)成的端鏡,造成激光二極管抽運(yùn)光的耦合效率較低,只有5055%左右,而且利

9、用透鏡實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光耦合導(dǎo)致激光器體積龐大,穩(wěn)定性差,易受環(huán)鏡條件干擾。利用本文提出的混合型光纖耦合器可以克服以上缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)低成本全光纖雙包層激光器。2實(shí)驗(yàn)原理忽略光纖的傳輸損耗,在弱導(dǎo)近似下,耦合器兩輸出端的功率可由下式描述:P1(z=1-F2sin2CFz,P2( z=F2sin2CFz,(1 z為耦合器制作過程中光纖的拉伸長(zhǎng)度,其中F=1+(1-224C21/2=1+(24C21/2,(2C=(21/2U2K0(W d/V2K21(W,(31、2是兩根光纖在孤立狀態(tài)的縱向傳播常量,=1-2,是光纖半徑,d是兩光纖中心距離, U是纖芯橫向傳播常量,W是包層橫向衰減常量,V 是孤立光纖的歸一化頻率

10、,K0和K1是零階和一階修正第二類貝塞爾函數(shù)。單模光纖與多模光纖間的耦合現(xiàn)象在文獻(xiàn)10也有理論論述,本文主要從傳播常量差對(duì)耦合程度影響方面進(jìn)行討論。不為零時(shí)根據(jù)(1式可以看出功率耦合比不可能達(dá)到100%,根據(jù)(1式分別做出=0,0.01, 0.03時(shí)耦合比隨耦合長(zhǎng)度的振蕩曲線,如圖1所示?？梢钥闯?為零,即傳播常量匹配時(shí),才能實(shí)現(xiàn)功率的100%耦合;當(dāng)傳播常量稍有差異= 0.01時(shí),耦合比最大值下降到60%左右;當(dāng)= 0.03時(shí),耦合比最大值已不足20%?？梢?傳播常量不匹配的程度越大耦合比的振蕩周期越小。本單模與多模光纖的混合型光纖耦合器 ,光纖的芯徑、材質(zhì)均不同,傳播常量在拉錐初期顯然不匹

11、配,理論計(jì)算單模光纖基模L P01與多模光纖一階模L P11的傳播常量隨光纖錐區(qū)半徑的變化。如圖2所示,當(dāng)兩根光纖芯徑變化到原有尺寸的30%時(shí)單模光纖L P01與多模光纖L P11的傳播常量相等, 這時(shí)滿圖1不同情況下耦合比與耦合長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.1Relationship between coupling ratio and couplinglength at different situations足傳播常量匹配條件,也就是說能夠?qū)崿F(xiàn)百分之百的光束耦合,但這是在不同模式之間實(shí)現(xiàn)的光功率耦合L P01模到L P11的耦合。圖2傳播常量隨光纖半徑變化圖Fig.2Relationship bet

12、ween the fiber radius changeand the propagation constant圖3耦合比與耦合長(zhǎng)度關(guān)系模擬曲線Fig.3Simulating curve between coupling ratioand coupling length在光纖被熔融拉錐過程中,隨著耦合長(zhǎng)度的增加,光纖芯徑隨之變小,兩根光纖中的L P01和L P11的傳播常量差逐漸減小,利用計(jì)算機(jī)模擬耦合比隨耦合長(zhǎng)度增加時(shí)發(fā)生的變化,如圖3所示。從圖中447光學(xué)學(xué)報(bào)25卷可以看出耦合比最大值隨著耦合長(zhǎng)度增大逐漸升高,直至100%。圖4熔錐監(jiān)視圖Fig.4Monitoring drawing of

13、 f used taper3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中利用熔融拉錐機(jī),將康寧SM F28光纖與烽火62.5m 多模光纖制作成混合型光纖耦合器,熔錐監(jiān)視如圖4所示。在拉錐初期耦合比振蕩周期較小,耦合較弱;隨著拉錐時(shí)間增加,耦合長(zhǎng)度變長(zhǎng),耦合有所加強(qiáng),耦合比振蕩幅度增大;第三階段,耦合進(jìn)一步加強(qiáng),耦合比接近100%。與計(jì)算機(jī)模擬曲線圖3吻合。用電子顯微鏡對(duì)拉錐后的光纖錐區(qū)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得錐區(qū)光纖最小直徑為40m ,所用光纖包層直徑均為125m ,可知光纖芯徑變化到原來的32%,與圖2中=0時(shí)纖芯變化到30%時(shí)接近,由此推斷這時(shí)耦合仍為傳播常量不匹配耦合,耦合比不會(huì)達(dá)到100%。對(duì)所制作的合波器進(jìn)行測(cè)試,分別在單

14、模光纖、多模光纖注入L P 01模式光束,多模光纖利用濾模器實(shí)現(xiàn)L P 01模注入。在耦合器對(duì)稱端口處,只有多模光纖有較大光功率輸出,每路耦合效率均在90%以上;當(dāng)在單模光纖與多模光纖中同時(shí)注入L P 01模式光束時(shí),多模光纖處有較大光功率輸出,單模光纖只有少部分光能量。測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了器件的不匹配耦合。分析未實(shí)現(xiàn)100%耦合的原因:這是由于制作工藝造成的。實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)控制火頭退出、光纖夾具停止,這兩個(gè)動(dòng)作是計(jì)算機(jī)比較探測(cè)器測(cè)量值與耦合比設(shè)定值相等時(shí)發(fā)出指令來完成的,探測(cè)器響應(yīng)到火頭退出、光纖夾具停止存在時(shí)延;若耦合比設(shè)定值為100%,那么實(shí)際上會(huì)發(fā)生耦合過量,耦合比下降;因此只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將設(shè)

15、定值設(shè)為略小于100%,利用時(shí)延補(bǔ)充,才能得到接近100%的耦合比,因此單模光纖不可避免有少部分能量輸出,耦合比的提高需要進(jìn)一步的工藝完善。4結(jié)論提出了一種單模與多模光纖的混合型光纖耦合器。單路耦合效率均在90%以上。這類耦合器適用于光通信,作為合波器能夠大大降低插入損耗;同時(shí)也可用于大功率雙包層光纖激光器中(采用單模光纖輸出的抽運(yùn)光源,只需將多個(gè)此種器件串連就能夠方便地增加抽運(yùn)光的注入路數(shù)。我們引入的混合型結(jié)構(gòu),其多模光纖數(shù)值孔徑較大,能夠有效接收注入光能;多模光纖芯徑增大,可以降低光能量密度,不會(huì)導(dǎo)致光纖的損傷。下階段實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步提高耦合比,嘗試不同種類多模光纖間的混合耦合器,實(shí)驗(yàn)大孔徑光

16、纖間的功率合波,計(jì)劃應(yīng)用于強(qiáng)光的光束耦合,拓寬光纖耦合器的應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)5Ning Ding ,Huang Bangcai ,Xiang Yang et al.Effect of back 2cavity mirror on Yb 3+2doped double 2clad fiber laser J .Acta Optica S inica ,2003,23(3:313316(in Chinese 寧鼎,黃榜才,項(xiàng)陽等.后腔鏡對(duì)摻Y(jié)b 3+雙包層光纖激光器性能影響的研究J .光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(3:3133166Zhou J un ,Lou Qihong ,Li Tiejun et

17、 al.4.9W CW ytterbium 2doped double 2cladding fiber laser and it s output characteristics J .Acta Optica S inica ,2003,23(4:476479(in Chinese 周軍,樓祺洪,李鐵軍等. 4.9W 摻Y(jié)b 3+雙包層光纖激光器及其輸出特性研究J .光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(4:4764797Lou Qihong ,Zhou J un ,Zhu Jianqiang et al.10W double 2cladding fiber laser J .Acta Optica S i