LZM-100制作模场适配器大揭秘

大模场光纤（Large mode area fiber, LMA）是指拥有较大模场面积和较少横模数量的光纤。由于主要用于包层泵浦，大模场光纤一般是双包层结构，具有较大的纤芯直径和较小的纤芯数值孔径。其中内包层是泵浦光通道,  纤芯为信号光通道。泵浦光进入尺寸较大的内包层，在内包层中内反射并多次穿越纤芯被掺杂离子吸收，实现激光输出或放大， 获得高光束质量、高功率的激光输出，如图1所示。 

由于大模场光纤的模场面积较大，单位面积上的光能量较小，因而有效地增大了光纤损伤阈值，同时抑制了非线性效应的产生。大模场光纤和包层泵浦技术的应用对光纤激光器输出功率的提高起到了巨大推动作用，因而相关研究也显非常重要，其中一个关键课题就是大模场光纤和普通单模光纤的熔接问题。

由于大模场光纤往往具有较大的纤芯直径和模场面积，与普通单模光纤相差很大，这使得两者在熔接时存在很大损耗，不利于光纤激光器输出功率的提高。另一方面，损耗的能量进入包层并转化为热量堆积，很容易导致熔接点处的温度过高而损伤光纤。因而，普通单模光纤和大模场光纤的连接需要一个能够有效降低传输损耗的模场适配器。

使用设备

1) 熔接设备：LZM-100激光熔接平台，主要用于热扩芯、拉锥、熔接等操作。

2) 模场测量仪：主要用于热扩芯后的模场测量，用于优化热扩芯的程序。

3) 定长切割刀：主要用于热扩芯后熔点切割，保证充分发挥热扩芯的效果。

制作方法

1) 热扩芯法

A. 制作原理

通过熔接扩大光纤的模场直径；

减小不同模场直径光纤之间熔接时的损耗；

制作重点：熔点切割，定长切刀，如CT-32。

图3 纤芯膨胀与加热时间关系

备注：光纤模场直径随熔接时间增加而增大，到一定值时则不再增大！

图4 针对不同的需求，LZM-100开发了不同的热扩芯程序

实例结果：

Nufern 1060XP 1310 nm MFD 可扩芯至 209%

Nufern PM980C-HP 1310 nm MFD可扩芯至156%

单模光子晶体光纤1060 nm MFD 可扩芯至176%

B. 制作步骤：制作方法如图5所示。

图5：热扩芯模场适配器制作步骤

1、小模场光纤熔接扩芯；2、扩芯熔点切割；3、扩芯后切割的小模场光纤与大模场光纤熔接。

2) 拉锥+热扩芯法：

A. 制作原理

有些情况由于纤芯相差太大，单纯用热扩芯的方法达不到所需的结果，因此，会采用光纤拉锥结合热扩芯的方法进行模场适配器的制作。即将大模场直径采用拉锥方式变小，小模场直径采用热扩芯的方式变大，使二者更接近，然后熔接，从而得到更小的熔接损耗。

B. 制作方法：制作步骤如图6所示：

图6 拉锥及热扩芯法

1.粗光纤拉锥及切割；2. 细光纤的热扩芯及切割；3.拉锥后粗光纤及热扩芯细光纤熔接。

C. 注意事项：

1) 光延光纤传输的方向，要保证低损耗，除了纤芯要匹配，纤芯的数值孔径匹配也很重要，如果数值孔径相差很多，即便是纤芯匹配也会造成很大的损耗。

图7 正确的光束传输与错误的传输方向

2)拉锥过程纤芯会随着包层等比例变小，但数值孔径会增大。

图8 光纤拉锥后纤芯及NA变化示意图

1.光纤纤芯：随锥率TR=d1/d2增大而变小；2.数值孔径NA：随锥率TR=d1/d2 增大而增大。

3) 因此，采用拉锥法结合热扩芯方法制作模场适配器，拉锥后光纤的NA≤输出光纤NA。

图9 拉锥及热扩芯后的模场适配器熔点