1、引言
在高功率光纤激光器和放大器的研究中，实现泵浦光功率高效、安全地耦合是其关键技术之一，目前的泵浦方法主要包括光纤端面泵浦和光纤侧面泵浦两种。现有的侧面泵浦耦合技术主要有：V型槽侧面泵浦耦合[1-2]、嵌入反射镜式泵浦耦合[3]、角度磨抛侧面泵浦耦合[4-5]等，这几种耦合技术均有非常明显的缺点：前两种技术难以实现全光纤化设计，角度磨抛侧面泵浦耦合技术虽然可以实现紧凑的结构设计，但是在高泵浦功率下，光学胶受热会挥发和分解，导致耦合效率下降。采用熔融拉锥工艺研制的侧面泵浦耦合器可以解决上述问题。
光纤侧面泵浦耦合器是一种实现侧面泵浦耦合的新型器件，它的结构原理如图1所示，耦合器包括一根信号传输光纤和一根泵浦耦合光纤，有泵浦输入端(Pump input end)、信号输入端(Signal input end)和输出端(Output end)三个可用端口。与普通光纤耦合器不同，侧面泵浦耦合器的主要设计目的是为了实现泵浦光功率向信号传输光纤的单向耦合，因此拉锥完成后，两根光纤的纤芯之间相距较远，泵浦功率从泵浦输入端光纤耦合进入信号传输光纤的内包层，而在信号传输光纤的纤芯中传输的激光信号（包括正向和反向光），被限制在传输光纤的纤芯中与泵浦输入端不发生能量耦合，因此侧面泵浦耦合器就起到了泵浦耦合与信号隔离的双重作用，在高功率全光纤放大器实验中具有重要的应用价值。
本文采用了熔融拉锥工艺，研制了2×1型结构、高耦合效率、高隔离度的光纤侧面耦合器。实验通过多种不同光纤组合的研究，采用外径125μm，数值孔径为0.46的无源双包层光纤做信号传输光纤和泵浦耦合光纤，获得了最高达到74％的泵浦耦合效率；信号光通过率95％；信号输入端与泵浦输入端的隔离度>50 dB；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度 20 dB。采用上述侧面耦合器，实现了输出功率达到1W的窄线宽全光纤放大器。
2、侧面泵浦耦合器的研制
2.1实验装置和方法
根据光纤侧面泵浦耦合器的工作原理和结构设计，我们尝试采用了熔融拉锥工艺以及最基本的2×1耦合方式，实现把一根泵浦耦合光纤中的泵浦光耦合进信号传输光纤。实验装置原理如图2所示：
该装置为一套熔融拉锥系统，主要包括步进电机控制的平行拉伸装置、夹具（Clamp）和火焰(Flame)进给装置组成，同时配有其他监测(Detector)、控制和显示(Computer)设备。其中光源(Light source)采用了915nm波长的多模半导体激光器，输出功率20mW，输出尾纤为纤芯直径105μm，数值孔径为0.22的标准多模光纤；光源输出尾纤与侧面泵浦耦合器的泵浦输入端光纤熔接耦合。耦合器的泵浦输入光纤和信号传输光纤长度均为两米，在中间的合适位置剥除一定长度的涂层作为耦合区域。拉锥使用氢气（H2）和氧气（O2）燃烧产生的氢氧焰，温度可达到1500度。
侧面泵浦耦合器的拉锥方法有两种，即平行烧拉技术和打结烧拉技术。平行烧拉技术即先把两根光纤平行固定，再转移到拉锥平台上进行拉锥操作，实验时发现效果不好，两根光纤耦合到一定程度难以继续耦合，因此我们采用了打结烧拉技术，即把两根光纤相互缠绕，然后固定在拉锥平台上进行拉锥。为了提高耦合效率，实验中我们采用了泵浦输入光纤的预拉锥处理技术，即先把泵浦输入光纤拉锥一段距离，再缠绕到信号传输上进行耦合拉锥。经过对预先拉锥的参数进行了一段时间的摸索后，从同一种光纤组合的实验结果来看，采用预拉锥处理后的耦合效率要比直接拉锥高出10％，侧面耦合效率有了一定的提高，这和已有的文献报到[6]相吻合。
2.2实验结果和分析
利用上述实验装置，我们对多种不同光纤组合构成的侧面泵浦耦合器进行了研究，研制结果如表1所示：
实验首先选用了数值孔径0.22、纤芯直径和外径分别为105μm、125μm的多模光纤做泵浦输入光纤，内包层数值孔径为0.46、外径为125μm的圆形掺镱双包层光纤做输出光纤。由于后者的光学参数乘积（数值孔径与直径的乘积）大于前者之乘积，保证了泵浦光由多模光纤向作为信号传输光纤的掺镱双包层光纤的耦合。但是经过大量的实验，发现结果并不理想，两根光纤较难熔合到一起，导致耦合损耗很大、效率低，最大耦合效率只有34.5%。分析认为主要有两个方面的原因：一是多模光纤的纤芯折射率为1.468，而双包层光纤的内包层折射率为0.457，两者相差较大，不能相互匹配；二是圆形掺镱双包层光纤存在对915nm泵浦光的吸收，增加了器件的损耗。
实验在多模光纤不变的情况下，信号传输光纤改用无源双包层光纤代替掺镱双包层光纤，无源双包层光纤的内包层数值孔径为0.46、外径为125μm。经过实验研究和工艺参数优化，侧面耦合的效率可以达到46.4％，但是仍然较低。一方面，无源双包层光纤在915nm波长处存在较大的本底损耗，为0.62dB/m；另一方面，多模光纤纤芯和无源双包层光纤内包层在折射率上的差异仍然存在。
为了解决折射率匹配的问题，实验在无源双包层光纤不变的基础上，选用了石英丝来代替多模光纤做泵浦注入光纤。拉锥过程中明显观察到两种光纤熔点的差异，这是因为石英丝包层为低折射率的掺氟介质，其熔点比石英低，当两光纤在同一火焰下加热时，石英丝很快处于熔融状态然后变形，而这时无源双包层光纤还没有到达熔点，所以拉锥过程很难控制，实验中侧面泵浦耦合器的耦合效率只有39.7％。
实验最后采用无源双包层光纤代替石英丝，利用两根无源双包层光纤制作的侧面泵浦耦合器，实现了较高的耦合效率，最高可达70％以上，由于两根双包层光纤在性能上完全一致，所以解决了光纤的匹配问题，通过实验优化，主要性能指标达到：泵浦光耦合效率74％；信号光通过率95％；信号输入端与泵浦输入端的隔离度>50 dB；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度 20 dB；承受峰值功率>15kW。
3、应用
我们在侧面泵浦耦合器研制成功的基础上，结合主振动功率放大技术（MOPA），进行了一级全光纤结构的窄线宽掺镱双包层光纤放大器实验研究，实验装置如图3所示：窄线宽信号源（Signal）最大输出光功率为15.3mW；所用光隔离器（ISO）在中心波长1053nm处的插入损耗为1.62dB，隔离度为43dB；侧面光纤耦合器（Side Coupler）编号为C070918-6，对泵浦光的耦合效率为67％，对信号光的透过率为95.8%；泵浦半导体激光器（LD）的中心波长为915nm，3dB带宽为2.2nm，最大输出功率为6.5W；掺镱双包层光纤（YDCF）长度为3.7m，纤芯直径5.5μm，数值孔径0.18，内包层为八角形，角对角的距离为125μm，在915nm波长处的有效吸收系数测量值为2dB/m。剩余泵浦光经过泵浦光滤除器（Pump Dump）后被大部分滤除，在纤芯传输的放大信号则通过HI1060nm光纤的FC/APC斜头输出，整个实验方案实现了全光纤化连接。
利用上述实验装置，在最大入纤泵浦功率为3.6W时，获得了1.07W的放大信号功率，信号增益为18dB，信号输出功率随泵浦入纤功率的增加线性增加，斜率效率为33%，在可获得的泵浦功率范围内，没有出现输出功率饱和现象。实验中侧面泵浦耦合器性能稳定，实现了在高功率条件下稳定运行。
4、总结
侧面泵浦耦合器是一种新型的光纤耦合器件，在光纤激光器和光纤放大器的全光纤化设计中应用广泛。我们通过熔融拉锥的工艺方法，研制成功了高耦合效率、高隔离度的光纤侧面耦合器。所研制侧面泵浦耦合器主要性能达到：泵浦耦合效率大于70％；耦合器信号通过率大于95％；信号输入端与泵浦输入端的隔离度>50 dB；泵浦输入端对输出端反向传输光的隔离度可达20 dB。采用上述侧面耦合器，实现了输出功率1W以上的窄线宽全光纤放大器，器件性能稳定，但进一步提高注入侧面泵浦耦合器的泵浦功率，器件存在被烧毁的尾纤，所以下一步的工作需要进一步降低器件损耗、提高耦合效率。
