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基于自聚焦光纤的980 nm波段模场适配器

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梁浩源, 罗永辉, 张宇硕, 陈默, 陈冬旭, 何乐, 邢颍滨, 彭景刚, 戴能利, 李进延. 基于自聚焦光纤的980 nm波段模场适配器[J]. 物理学报, 2026, 75(16): 160403. doi: 10.7498/aps.75.20260305
引用本文: 梁浩源, 罗永辉, 张宇硕, 陈默, 陈冬旭, 何乐, 邢颍滨, 彭景刚, 戴能利, 李进延. 基于自聚焦光纤的980 nm波段模场适配器[J]. 物理学报, 2026, 75(16): 160403. doi: 10.7498/aps.75.20260305
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Haoyuan LIANG, Yonghui LUO, Yushuo ZHANG, Mo CHEN, Dongxu CHEN, Le HE, Yingbin XING, Jinggang PENG, Nengli DAI, Jinyan LI. Mode field adapter for 980 nm band based on graded-index optical fiber[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(16): 160403. doi: 10.7498/aps.75.20260305
Citation: Haoyuan LIANG, Yonghui LUO, Yushuo ZHANG, Mo CHEN, Dongxu CHEN, Le HE, Yingbin XING, Jinggang PENG, Nengli DAI, Jinyan LI. Mode field adapter for 980 nm band based on graded-index optical fiber[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(16): 160403. doi: 10.7498/aps.75.20260305
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基于自聚焦光纤的980 nm波段模场适配器

  • 华中科技大学, 武汉光电国家研究中心, 武汉　430074

    • 通讯作者: E-mail: dainl@hust.edu.cn.; 

Mode field adapter for 980 nm band based on graded-index optical fiber

  • Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

    • Corresponding author: E-mail: dainl@hust.edu.cn.; 

  • 摘要: 为解决980 nm波段掺镱光纤激光器中大模场(20/130 μm)至小模场(9/125 μm)的耦合损耗问题, 本文提出一种多周期自聚焦光纤与热扩芯协同优化的模场适配器. 利用自聚焦光纤实现周期性模场变换, 并通过对接收光纤进行热扩芯以补偿模场直径误差. 最终, 将优化制备的自制模场适配器集成至自主搭建的980 nm光纤激光器系统中进行验证. 系统原始斜效率为15.15%, 光-光效率为13.65%. 接入自制模场适配器后, 系统斜率效率为14.18%, 光-光效率为12.63%, 模场适配器自身插入损耗最低为 0.34 dB. 商用模场适配器在980 nm波段实测损耗普遍大于0.7 dB, 在相同系统中接入插损为0.76 dB的商用模场适配器后, 系统斜率效率与光-光效率分别降至12.71%与11.43%. 与商用模场适配器相比, 自制模场适配器损耗显著降低, 效率提升明显. 该方案为高亮度980 nm光纤激光器的泵浦耦合提供了一种有效的器件解决方案.
    Abstract: High-power 980 nm fiber lasers, serving as ideal pump sources for erbium-doped fiber amplifiers (EDFA), face a critical challenge in efficiently coupling light from large-mode-area (LMA) fibers (typically 20/130 μm) to standard single-mode fibers (SMF). The significant mismatch in mode field diameter (MFD) between these fibers results in severe coupling losses, often exceeding 0.7 dB for commercial mode field adapters (MFA) operating in the 980 nm band. To address this issue, we propose and demonstrate a novel MFA based on the synergistic optimization of a multi-period graded-index optical fiber (GIOF) and thermally expanded core (TEC) technology.The proposed MFA employs a precisely designed GIOF to achieve deterministic periodic beam focusing, enabling mode field transformation from large to small dimensions within a fixed physical length. The optimal length of the GIOF is determined by the formula L = nP + 0.5P (n ≥ 1), where P is the self-imaging period. To compensate for residual mode field mismatch caused by fabrication tolerances, the receiving 9/125 μm SMF is subjected to thermal core expansion treatment using a CO2 laser, which controllably enlarges its MFD to better match the output field of the GIOF.The optimized MFA is fabricated and integrated into a home-built 980 nm fiber laser system for validation. The bare laser system exhibits a slope efficiency of 15.15% and an optical-to-optical efficiency of 13.65% at an output power of 9.35 W. With the proposed MFA inserted, the system maintains stable operation with a slope efficiency of 14.18% and an optical-to-optical efficiency of 12.63%, corresponding to a minimum MFA insertion loss of 0.34 dB. For comparison, given a typical commercial MFA insertion loss of 0.76 dB in the same band, the system efficiency would theoretically drop to approximately 13.2% (slope efficiency) and 11.43% (optical-to-optical efficiency). The proposed MFA reduces the insertion loss by over 50% compared to commercial counterparts and significantly mitigates the system efficiency penalty.This work provides an effective and reliable device solution for high-brightness 980 nm fiber laser pumping, demonstrating the potential of combining GIOF and TEC technologies for high-performance mode field management in high-power fiber laser systems.
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  • 图 1  自聚焦光纤中光的传播轨迹

    Figure 1.  Propagation trajectory of light in graded-index optical fiber.

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    图 2  自聚焦光纤内部光线的聚焦情况

    Figure 2.  The focusing condition of light rays inside a graded-index optical fiber.

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    图 3  Rsoft仿真建模

    Figure 3.  Rsoft simulation modeling.

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    图 4  纤芯中心折射率1.4593的仿真结果　(a)光场分布图; (b)模场直径变化图

    Figure 4.  Simulation results for a core center refractive index of 1.4593: (a) Optical field distribution diagram; (b) mode field diameter variation diagram.

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    图 5  纤芯中心折射率1.5的仿真结果　(a)光场分布图; (b)功率变化图

    Figure 5.  Simulation results for a core center refractive index of 1.5: (a) Optical field distribution diagram; (b) power variation diagram.

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    图 6  连接Hi1060光纤的最优仿真结果　(a)光场分布图; (b)功率变化图

    Figure 6.  Optimal simulation results for connecting Hi1060 fiber: (a) Optical field distribution diagram; (b) power variation diagram.

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    图 7  连接9/125 μm光纤的最优仿真结果　(a)光场分布图; (b)功率变化图

    Figure 7.  Optimal simulation results for connecting 9/125 μm fiber: (a) Optical field distribution diagram; (b) power variation diagram.

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    图 8  自聚焦光纤折射率剖面

    Figure 8.  Graded-index optical fiber refractive index profile.

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    图 9  分别在2, 5, 7个聚焦点连接9/125 μm光纤的光场分布图　(a)第2聚焦点; (b)第5聚焦点; (c)第7聚焦点

    Figure 9.  Optical field distribution diagrams of connecting 9/125 μm fibers at the 2nd, 5th, and 7th focal points respectively: (a) The 2nd focal point; (b) the 5th focal point; (c) the 7th focal point.

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    图 10  分别在2, 5, 7个聚焦点连接9/125 μm单模光纤的功率变化图

    Figure 10.  Power variation diagrams of connecting 9/125 μm single-mode fiber at the 2nd, 5th, and 7th focal points respectively.

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    图 11  自聚焦光纤实测纤芯折射率剖面

    Figure 11.  Measured core refractive index profile of graded-index optical fiber.

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    图 12  制备的自聚焦光纤分别在2, 5, 7个聚焦点连接9/125 μm光纤的光场分布图　(a)第2聚焦点; (b)第5聚焦点; (c)第7聚焦点

    Figure 12.  Optical field distribution diagrams of the prepared graded-index optical fibers, connected to 9/125 μm fibers at the 2nd, 5th, and 7th focal points respectively: (a) The 2nd focal point; (b) the 5th focal point; (c) the 7th focal point.

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    图 13  制备的自聚焦光纤分别在2, 5, 7个聚焦点连接9/125 μm单模光纤的功率变化图

    Figure 13.  Power variation diagrams of the prepared graded-index optical fibers connected to 9/125 μm single-mode fibers at the 2nd, 5th, and 7th focusing points respectively.

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    图 14  自聚焦光纤测试系统结构

    Figure 14.  Structure of graded-index optical fiber test system.

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    图 15  完整MFA结构

    Figure 15.  Complete MFA structure.

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    图 16  980 nm光纤激光器整体结构

    Figure 16.  Overall structure of 980 nm fiber laser.

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    图 17  980 nm光纤激光器输出功率与泵浦功率的关系

    Figure 17.  Relationship between output power and pump power of a 980 nm fiber laser.

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    图 18  MFA插入损耗测试系统整体结构

    Figure 18.  Overall structure of MFA insertion loss testing system.

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    图 19  损耗最低MFA接入光纤激光器系统输出功率与泵浦功率的关系

    Figure 19.  Relationship between output power and pump power after integrating the MFA with the lowest loss into a fiber laser system.

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    表 1  文献中MFA性能参数

    Table 1.  Main simulation parameters of MFA in the literature.

    机构工作波长/nm输入光纤输出光纤制备工艺插入损耗/dB
    国防科学技术大学[21]10604/12520/400拉锥、热扩芯0.3
    北京理工大学[22]106410/1306/125热扩芯0.41
    天津大学[23]13108.2/12550/125拉锥、热扩芯0.02
    上海大学[24]10645.3/12525/400拉锥、热扩芯0.23
    本文97620/1309/125自聚焦光纤、热扩芯0.34
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    表 2  仿真主要参数

    Table 2.  Main simulation parameters.

    参数取值
    背景折射率1
    工作波长/nm976
    20/130 μm光纤纤芯折射率1.4593
    20/130 μm光纤包层折射率1.4571
    Hi1060光纤纤芯折射率1.464
    Hi1060光纤包层折射率1.4573
    自聚焦光纤包层折射率1.4571
    自聚焦光纤纤芯直径/μm20
    自聚焦光纤包层直径/μm130
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    表 3  长度Lexp的自聚焦光纤实测损耗

    Table 3.  Measured loss of graded-index optical fiber with length Lexp.

    测量次数损耗/dB
    11.20
    20.98
    30.87
    40.73
    50.88
    61.07
    70.84
    80.97
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    表 4  两系统MFA插入损耗对比

    Table 4.  Comparison of insertion loss between two systems of MFA.

    976 nm单模泵系统损耗/dB光纤激光器系统损耗/dB
    0.360.78
    0.390.41
    0.290.44
    0.220.34
    0.310.52
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    [25] 张韬, 王治金, 李奇楠 2025 齐齐哈尔大学学报 1 79 Zhang T, Wang Z J, Li Q N 2025 J. Qiqihar Univ. 1 79
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-02-21
  • 刊出日期:  2026-08-20

基于自聚焦光纤的980 nm波段模场适配器

    通讯作者: E-mail: dainl@hust.edu.cn.; 
  • 华中科技大学, 武汉光电国家研究中心, 武汉　430074
  • 收稿日期:  2026-02-21

摘要: 为解决980 nm波段掺镱光纤激光器中大模场(20/130 μm)至小模场(9/125 μm)的耦合损耗问题, 本文提出一种多周期自聚焦光纤与热扩芯协同优化的模场适配器. 利用自聚焦光纤实现周期性模场变换, 并通过对接收光纤进行热扩芯以补偿模场直径误差. 最终, 将优化制备的自制模场适配器集成至自主搭建的980 nm光纤激光器系统中进行验证. 系统原始斜效率为15.15%, 光-光效率为13.65%. 接入自制模场适配器后, 系统斜率效率为14.18%, 光-光效率为12.63%, 模场适配器自身插入损耗最低为 0.34 dB. 商用模场适配器在980 nm波段实测损耗普遍大于0.7 dB, 在相同系统中接入插损为0.76 dB的商用模场适配器后, 系统斜率效率与光-光效率分别降至12.71%与11.43%. 与商用模场适配器相比, 自制模场适配器损耗显著降低, 效率提升明显. 该方案为高亮度980 nm光纤激光器的泵浦耦合提供了一种有效的器件解决方案.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 近年来, 工作于980 nm波段的高亮度光纤激光器因其具有独特优势[1–4], 发展迅猛. 其不仅可以通过倍频产生蓝绿光[5,6], 还可以作为有更高亮度的抽运源, 抽运掺铒和掺镱光纤, 获得更高功率的激光输出[7]. 随着信号传输容量指数增长, 采用多个宽带掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)并行光放大[8,9]是提高传输容量的可行方案, 但这需要大量单模980 nm激光二极管(laser diode, LD)来满足高总泵浦功率需求. 为降低成本并提高集成度, 发展高功率单模980 nm单片激光器成为关键. 在此背景下, 掺镱光纤激光器(ytterbium-doped fiber laser, YDFL)因其全光纤输出特性, 与EDFA系统兼容性更好, 成为理想的泵浦源之一.

      1989年, Hanna等[10]首次实现了980 nm波段连续掺镱光纤激光器的输出. 此后, 980 nm光纤激光器的研究持续深入, 在光纤设计上, 实现了从传统阶跃折射率光纤向高性能双包层、微结构等特种光纤的演进; 在系统构架上, 则完成了从分立光学元件组合向全光纤器件一体化集成的重要跨越[11–15].

      高亮度980 nm光纤激光器是EDFA的关键泵浦源, 但其向更高功率与更高亮度发展过程中面临模场适配的技术瓶颈: 为抑制非线性效应、提升损伤阈值并维持近衍射极限的光束质量, 激光器的有源增益光纤及输出尾纤通常采用大模场光纤[16–20]; 然而, 主流EDFA系统的泵浦输入端口及内部耦合结构普遍基于标准单模光纤设计. 二者之间巨大的模场失配, 严重制约系统效率并带来热管理风险.

      在此背景下, 模场适配器(mode field adapter, MFA)作为维持单模传输、抑制高阶模激发的核心器件, 其性能直接决定了980 nm信号在放大过程中的模式纯度与能量传输效率, 进而影响系统的整体稳定性与泵浦利用率. 然而, 现有MFA普遍存在模场匹配精度不足、插入损耗累积, 进一步削弱本已受限的光-光转换效率、功率承载能力有限等瓶颈, 导致系统难以突破低功率、低稳定性与低可靠性的困局.

      因此, MFA的技术成熟度已成为制约980 nm光纤激光器实用化的关键工程瓶颈. 若MFA能在超低损耗、模场精准匹配等方面取得突破, 将为克服980 nm光纤激光器的固有挑战提供关键支撑, 推动高功率、高光束质量、高效率的980 nm光纤激光系统走向实用化.

      文献[21–24]中报道的MFA多集中于1064 nm或1310 nm通信波段, 其输入输出光纤类型与980 nm光纤激光器作为EDFA泵浦源的实际应用场景存在明显差异. 表1汇总了近期文献中报道的MFA性能参数.

      需要指出的是, 由于各研究采用的工作波长、光纤类型、模场失配跨度存在显著差异, 表中损耗数值不宜直接进行跨文献比较. 例如, 杨林博[23]虽实现了极低的损耗值, 但其工作于通信波段, 且所针对的模场失配跨度与本工作不同; 熊峰等[24]在1064 nm波段实现了0.23 dB的低损耗, 但其输入输出光纤方向为小模场至大模场, 与本工作相反. 相比之下, 本文聚焦于980 nm泵浦波段, 针对20/130 μm大模场光纤至9/125 μm单模光纤这一特定应用场景, 在完整激光器系统中实现了0.34 dB的插入损耗, 填补了该波段高性能MFA的研究空白.

      在制备工艺上, 文献方案主要围绕光纤拉锥与热扩芯技术展开, 前者受绝热条件限制难以实现大跨度模场匹配, 后者虽能有效扩大模场, 但单一热扩芯工艺对模场形态的主动调控能力有限. 这种局限性在商业化产品中同样存在. 以市售产品为例, 某商用MFA在1 μm波段工作波长为1020—1080 nm, 输入光纤为20/125 μm光纤, 输出光纤为6/125 μm的Hi1060光纤时, 插入损耗不高于0.5 dB; 另一商用MFA在1 μm波段工作波长为1100—1200 nm, 与前者采用相同输入输出光纤配置, 其测试报告显示在波长1064 nm、功率1 mW条件下损耗为0.45 dB. 上述产品均未覆盖980 nm波段, 且其制备工艺多采用单一热扩芯技术, 难以通过更丰富的波导结构设计实现模场精准调控. 经实际测试, 多款商用MFA在980 nm光纤激光器系统中的插入损耗均高于0.7 dB, 难以满足高亮度泵浦耦合对低损耗器件的苛刻要求. 因此, 针对980 nm波段研制高性能模场适配器具有明确的应用需求与研究价值.

      为解决上述问题, 本文提出并研究了一种基于自聚焦光纤(graded-index optical fiber, GIOF)并结合接收端光纤热扩芯协同优化的新型MFA方案. 自聚焦光纤凭借其固有的渐变折射率分布, 可在固定长度内实现光束的周期性聚焦与模场确定性变换, 为高效模场匹配提供了全新原理. 将制备的MFA集成至自主搭建的980 nm光纤激光器系统中, 实现了最低0.34 dB的插入损耗. 本工作为980 nm波段高亮度光纤激光器所面临的模场匹配难题, 提供了一种高效、可靠的器件解决方案.

    2.   自聚焦光纤设计

      2.1.   自聚焦光纤原理

    • 自聚焦光纤是典型的渐变折射率光纤, 其基本原理源于其独特的折射率分布: 纤芯区域的折射率从中心轴最大值$ {n}_{0} $沿径向$ r $连续、平滑地递减, 通常近似遵循平方律分布:

      其中$ n\left(r\right) $是距离光纤中心$ r $处的折射率, $ {n}_{0} $是光纤中心$ \left(r=0\right) $折射率, $ a $为光纤的纤芯半径, $ r $是点到光纤中心的距离, $ {n}_{\text{clad}} $是包层折射率, $ {\varDelta } $是相对折射率差, 定义为

      根据张韬等[25]的推导, 自聚焦光纤中光的传播轨迹方程为

      根据(3)式可知, 光线在自聚焦光纤纤芯内遵循正弦轨迹传播. 当光纤的相关参数$ {n}_{0} $和$ k $确定后, 光线的具体传播路径由初始径向位置$ {r}_{0} $和初始入射角$ i $共同决定.

      为直观展示上述规律, 基于光线传播轨迹方程, 利用MATLAB对自聚焦光纤中的光线轨迹进行数值仿真. 在参数设定为$ {n}_{0}=1.47 $, $ k=1 $的条件下, 模拟了3种不同初始条件下的传播轨迹, 分别为: $ {r}_{0}=0 $, $ i=\text{π} /6 $(中心入射, 小角度偏折); $ {r}_{0}=1 $, $ i=0 $(偏心入射, 平行于轴); $ {r}_{0}=2 $, $ i=\text{π} /3 $(较大偏心与大角度入射). 仿真结果如图1所示, 3条轨迹均呈现标准的正弦振荡形式, 且其振幅与相位明显依赖于初始条件$ \left({r}_{0}, i\right) $, 从而直观验证了(3)式所描述的光线传播规律.

      自聚焦光纤的自聚焦周期$ P $, 反映光纤中模场直径经历一个周期性变化的长度, 表达式为

      其中,

      (4)式中$ P $代表光线完成一次完整振荡, 即从轴线出发, 偏至最大幅度后返回轴线所需的轴向传播距离. 因此, 在任意相距整数倍周期$ mP\,(m=1, 2, 3,\cdots) $两个截面上, 光线的分布状态包括光斑尺寸与波前曲率将完全相同, 实现周期性成像与聚焦. 这一特性是自聚焦光纤能应用至MFA的物理基础. 使用MATLAB模拟了$ {n}_{0}=1.47 $, $ k=1 $时自聚焦光纤内部光线的聚焦情况, 结果如图2所示. 光线具有聚焦性和周期性向前传输.

      基于上述周期性聚焦特性, 当一段自聚焦光纤的长度$ L $被精确控制时, 可实现对输入光场的确定性变换: 若$ L=P/2 $, 输入端面的点光源(或小模场)将在输出端面被转换为平行光束(或大模场), 反之亦然; 若$ L=P $, 输出场分布与输入场呈倒像关系. 因此, 通过精确设计$ L $或调整折射率分布参数$ {\varDelta } $与纤芯半径$ a $, 可在输入端与输出端之间实现特定的模场直径缩放比, 从而在物理上直接、高效地解决不同光纤之间的模场匹配问题.

      在本研究中, 输入光线可近似为平行光, 当自聚焦光纤长度$ L $满足$ L=nP+0.5 P\left(n\geqslant 1\right) $, 即半周期叠加整数倍周期, 其输出端光场分布具有重复性, 可将输入的平行光在输出端面转换为小模场.

      总而言之, 自聚焦光纤通过其固有的平方律折射率分布, 使光在传输过程中经历确定性的周期性聚焦演化. 这一物理本质使其成为实现低损耗、确定性模场变换的理想介质, 为高性能模场适配器的设计与制备提供了理论可行性与工程灵活性.

      • 2.2.   初始设计与优化

    • 高亮度980 nm光纤激光器作为EDFA的泵浦源, 其输出需耦合至单模光纤. 因此, 本研究初始目标是设计一种MFA, 实现从20/130 μm大模场光纤到常规单模光纤的高效连接. 在初始设计阶段, 选用芯包比6/125 μm, 数值孔径NA = 0.14的Hi1060单模光纤作为MFA的输出端, 旨在与常见的泵浦输入光纤兼容.

      基于此目标, 采用RSoft软件的BeamPROP模块进行建模仿真. 如图3所示, 仿真模型由三部分构成: 输入端为20/130 μm光纤, MFA主体为自聚焦光纤, 输出端为Hi1060单模光纤, 图中黄色部分表示纤芯结构. 该模型用于系统分析自聚焦光纤的折射率参数对最终耦合效率的影响. 仿真所用主要参数在表2列出.

      由于BeamPROP模块默认仅支持设定均匀折射率, 为准确模拟自聚焦光纤的渐变折射率分布, 需通过外部文件导入其折射率剖面. Rsoft软件所要求的折射率文件须为矩阵格式, 且矩阵元素需经过归一化处理: 其中取值为0的元素对应于包层折射率, 其余非零元素则表示该位置处归一化后的相对折射率. 考虑到折射率矩阵为方形网格, 而纤芯截面为圆形, 因此将纤芯区域以外的矩阵元素均设为0.

      基于自聚焦光纤的平方律折射率分布特性, 利用MATLAB生成对应纤芯截面的折射率矩阵. 设定纤芯半径为10 μm, 构建100×100的网格矩阵. 在固定包层折射率$ {n}_{\text{clad}}=1.4571 $的前提下, 以纤芯中心折射率$ {n}_{0} $作为唯一变量, 通过调节$ {n}_{0} $即可控制整个渐变折射率分布.

      纤芯中心折射率$ {n}_{0} $是决定自聚焦周期$ P $与出射光束发散角的关键参数. 仿真发现, $ {n}_{0} $存在一个最优区间: 当$ {n}_{0} $过低(如接近包层折射率)时, 折射率梯度过小, 导致自聚焦周期$ P $过长, 光束会聚能力弱, 出射模场直径过大, 难以与小模场光纤匹配. 如当$ {n}_{0}=1.4593 $时, 仿真结果如图4所示. 仿真显示, 聚焦点处的模场直径增大至10 μm以上, 已超过单模光纤的模场直径, 且聚焦效果明显减弱.

      当$ {n}_{0} $过高时, 虽然周期$ P $缩短、会聚能力强, 但会导致出射光束发散角过大, 超过单模光纤的接收角, 引发严重的角度失配损耗. 如当$ {n}_{0}=1.5 $时, 仿真结果如图5所示. 仿真显示, 在聚焦点处耦合时, 光产生严重泄漏, 输出功率急剧下降, 剩余功率不足初始值的10%.

      基于上述分析, 为在“模场尺寸匹配”与“发散角接收”之间取得最佳平衡, 本研究对$ {n}_{0} $进行了系统性的参数扫描仿真. 以输出端与Hi1060单模光纤的耦合损耗为评价指标, 最终确定了针对该输出光纤的最优纤芯中心折射率$ {n}_{0}=1.4655 $. 在此参数下, 仿真获得的系统耦合损耗约为 0.5 dB, 其仿真结果如图6所示, 可见光束能有效会聚并耦合进单模光纤.

      然而, 0.5 dB的耦合损耗对于追求极高效率的高亮度泵浦耦合应用而言, 仍存在明显的优化空间. 分析表明, 这一瓶颈主要源于Hi1060光纤较小的模场直径与相对较高的数值孔径, 其对光场的强约束效应限制了自聚焦光纤模场变换能力的充分发挥. 因此, 为进一步突破损耗极限, 需从优化接收光纤的角度寻求新的解决方案.

      • 2.3.   输出光纤的优化选择

    • 基于以上分析, 将输出光纤由Hi1060光纤更换为NA = 0.12的9/125 μm单模光纤. 相对于Hi1060光纤, 9/125 μm光纤纤芯半径更大, 基模模场直径相应更大, 因而对自聚焦光纤出射光场的模场匹配容差更大, 更易于实现低损耗耦合.

      本研究以9/125 μm单模光纤为目标, 对自聚焦光纤的纤芯中心折射率$ {n}_{0} $进行了重新优化. 仿真结果表明, 最优$ {n}_{0} $值为1.4607. 此时仿真结果如图7所示. 此时输出/输入功率比约96%, 对应损耗约0.26 dB. 该优化对应的折射率剖面分布如图8所示.

      基于自聚焦光纤的周期性聚焦原理, 在长度满足$ L=nP+0.5 P\left(n\geqslant 1\right) $的条件下, 即半周期位置叠加整数倍完整周期, 其输出端光场分布具有重复性. 为验证该公式的普适性, 仿真比较了第2, 5, 7个半周期焦点处的耦合情况. 光场分布如图9所示, 三处光场分布高度一致; 其对应的功率变化曲线如图10所示, 输出/输入功率比稳定在约96.0%, 对应损耗约0.26 dB, 严格证实了长度公式的正确性, 为自聚焦光纤切割提供了可靠依据.

      为评估实际工艺, 将实际制备的自聚焦光纤折射率剖面(图11)导入模型. 仿真得其实际周期$ {P}_{\text{actual}}\approx 450\;\text{μm} $. 在满足条件$ L=n{P}_{\text{actual}}+0.5{P}_{\text{actual}} \left(n\geqslant 1\right) $的长度下, 对多个半周期聚焦点的性能进行了仿真验证. 如图12所示, 激光在第2, 5, 7个聚焦点处均能有效地耦合至单模光纤; 相应的归一化功率演变如图13所示, 在上述各点处的输出/输入功率比均稳定在约97.0%, 对应耦合损耗约为0.13 dB.

    3.   实验结果与分析

      3.1.   自聚焦光纤初始性能测试

    • 基于第2节确定的$ {n}_{0}=1.4607 $及长度选择公式, 对实际拉制的自聚焦光纤进行切割. 实验中使用游标卡尺的精度为0.01 mm, 内部计算$ {L}_{\text{theory}}= n{P}_{\text{actual}}+0.5{P}_{\text{actual}}\left(n\geqslant 1\right) $保留至0.001 mm, 随后将结果四舍五入至最近的0.01 mm刻度. 如$ n= 333 $时, $ {L}_{\text{theory}}=150.075\;\text{mm} $, 经取整后确定$ {L}_{\exp }= 150.08\;\text{mm} $. 此调整引入的最大可能长度偏差为±0.005 mm, 仅为聚焦周期$ {P}_{\text{actual}} $的约1.1%, 远小于一个完整的聚焦周期. 仿真分析表明, 此微小长度偏差对输出模场分布及耦合损耗的影响可忽略不计.

      切割满足上文长度$ {L}_{\exp } $的自聚焦光纤, 制备了8个自聚焦光纤MFA样品, 将其接入976 nm低功率测试系统中测量其插入损耗. 测试系统如图14所示, 该系统以输出976 nm单模激光的LD为光源, 其尾纤为Hi1060光纤, 最大输出功率约250 mW. 为模拟实际光纤激光器系统中激光从20/130 μm大模场光纤输出的场景, 在光源后接入一个商用MFA, 将光高效耦合至一段20/130 μm光纤中. 输出端使用Thorlabs PM100 D光功率计测量功率. 此系统为976 nm单模泵测试系统. 通过对比熔接MFA前后系统的输出功率$ {P}_{0} $与$ {P}_{1} $, 依据以下公式计算MFA的插入损耗:

      9/125 μm单模光纤与商用MFA输出端20/130 μm光纤直接熔接损耗为2.15 dB. 切割长度为$ {L}_{\exp } $的自聚焦光纤并熔接进系统后, 分别测量接入自聚焦光纤和9/125 μm单模光纤前后的输出光功率, 据此计算各次实验的插入损耗, 测试结果如表3所示. 初始损耗分布于0.73—1.20 dB之间, 平均值为(0.94±0.14) dB. 这一结果显著高于仿真预测的理论下限, 明确揭示了实际器件中存在不可忽视的额外损耗源.

      • 3.2.   原因分析与热扩芯优化

    • 经分析, 此偏差主要源于 “切割点的轴向定位误差”. 在现有操作精度下, 仍难以保证每次切割都恰好位于理论聚焦点. 微小的轴向偏差将导致自聚焦光纤出射端的实际模场直径大于设计值, 从而与9/125 μm单模光纤的模场失配, 引入额外的耦合损耗. 这表明, 模场失配仍是制约实测性能的主要因素.

      为消除上述失配, 对单模光纤执行热扩芯处理: 使用LZM-100熔接机的CO2激光器, 功率(18.54±0.5) W, 沿光纤轴向步进2 mm作为一个加热周期, 单周期时长200 s, 周期性加热6次, 周间冷却3—5 min, 可获得与自聚焦光纤出射模场最为匹配的9/125 μm光纤端面. 将此优化后的光纤与精确切割的长度$ {L}_{\exp } $的自聚焦光纤熔接, 构成完整的MFA器件进行测试, 获得了最低0.22 dB的插入损耗. 完整MFA结构如图15所示.

      为评估该工艺的稳定性和可重复性, 在最佳参数下进行了多轮次制备与测试. 统计结果表明, 绝大多数器件的损耗可稳定控制在0.4 dB以内, 证明了上述方案的工艺鲁棒性.

      本次优化的关键数据对比如下: 未经热扩芯时, 系统最低损耗为0.73 dB; 而引入9/125 μm光纤热扩芯后, 最低损耗显著降至0.22 dB, 降幅达70%. 这一结果的显著改善, 直接且有力地证实了前文的推论: 限制自聚焦光纤MFA性能的主要因素正是其出射端与标准单模光纤之间的模场失配. 通过热扩芯主动调控接收光纤的模场, 成功缓解了此失配问题, 从而实现了耦合效率的提升.

    4.   系统级验证

    • 将多个MFA样品集成至自主搭建的980 nm光纤激光器系统进行性能验证. 980 nm光纤激光器结构如图16所示. 该系统以915 nm半导体激光器作为泵浦源, 采用线型谐振腔结构: 高反射率光纤布拉格光栅(high reflectance-fiber Bragg grating, HR-FBG)与输出耦合光纤布拉格光栅(output coupler-fiber Bragg grating, OC-FBG)分别作为谐振腔的后镜与输出耦合镜, 从而在该波长处形成有效的反馈并实现激光振荡输出. 谐振腔内增益介质为一段0.3 m的20/130 μm双包层掺镱光纤(Yb-doped fiber, YDF). 本系统所采用的0.3 m YDF长度, 是经前期优化后确定的最佳值, 可在保证高斜率效率与光-光转换效率的同时, 有效避免1030 nm 放大自发辐射(amplify spontaneous emission, ASE)的竞争. 在输出耦合光栅OC之后, 接入了包层光剥除器(cladding power stripper, CPS), 用于滤除未能被镱离子吸收而残留于包层中的915 nm泵浦光, 确保输出光谱纯度. 输出端熔接一段105/125 μm光纤, 并在该熔接点靠输出光纤一侧切斜角, 角度大于8°, 其目的是消除端面菲涅耳反射, 防止回光干扰谐振腔稳定工作, 从而提高系统长期运行的可靠性. 系统输出功率由功率计测量.

      该系统输出功率随泵浦功率的变化曲线如图17所示. 系统在泵浦功率为10.11 W时达到阈值并开始出光, 此时输出功率为0.51 W; 当泵浦功率提升至68.5 W时, 最大输出功率P0达到9.35 W. 经计算, 该激光器的斜率效率约为15.15%, 光-光转换效率约为13.65%. 将自制的MFA接入上述激光器系统, 集成后的完整系统结构如图18所示. 在MFA的输出端, 与上文同样方式切割斜角以抑制回光, 使用相同功率计测量输出功率.

      将多个按相同工艺制备的自制MFA依次接入系统进行测试, 分别记录输出功率并通过(6)式计算其引入的插入损耗. 将高功率激光器系统中测得的损耗与此前在低功率单模泵浦测试系统中获得的结果进行对比, 数据汇总于表4. 从对比结果可知, MFA在完整高功率激光器系统中表现出的插入损耗, 普遍略高于在低功率单模泵浦测试系统中的测量值. 这一差异可能源于高功率运转时激光腔内模式更为复杂, 少量高阶模或更复杂的模场分布被激发, 导致通过MFA时的耦合效率略有下降. 在此条件下, 性能最优的一个MFA获得了0.34 dB的插入损耗. 接入该MFA后, 激光器系统的输出功率曲线如图19所示, 其阈值泵浦功率仍为10.11 W, 此时输出0.37 W; 在68.5 W泵浦下, 输出功率P1为8.65 W. 通过(6)式计算得到该MFA损耗约为0.34 dB, 并计算得到此状态下系统的斜率效率约为14.18%, 光-光效率约为12.63%.

      目前市面上尚无同时满足980 nm工作波段、20/130 μm输入光纤、9/125 μm输出光纤的商用MFA. 为客观评估本方案的技术水平, 选用商用MFA进行性能对比. 该商用MFA的产品编码为MFA-D01-S00-20-0-1.5/1.5-A, 工作波长1000—1100 nm, 位于980 nm波段附近, 输入光纤采用与本研究相同的20/130 μm规格, 输出端为Hi1060光纤. 商家提供的MFA测试报告显示, 在波长1064 nm、功率1 mW下损耗为0.45 dB.

      在相同系统中, 将自制MFA替换为该商用MFA, 重复测量步骤并计算, 得到其在980 nm工作条件下的插入损耗为0.76 dB, 系统斜率效率降至约12.71%, 光-光效率降至约11.43%. 该商用MFA输出为Hi1060光纤, 自制MFA输出为9/125 μm光纤, 二者规格虽不相同, 但在980 nm光纤激光器作为EDFA泵浦源的应用中, Hi1060与9/125 μm单模光纤均为连接EDFA的常用光纤类型, 因此将两者置于同一应用背景下进行性能参照具有实际意义. 实测结果表明, 相较于商用器件, 自制MFA的损耗降低幅度超过50%, 系统效率优势明显, 显著提升了泵浦耦合的整体性能, 充分证明了该自制MFA在真实应用场景下的有效性与实用性.

    5.   结　论

    • 本文成功设计并验证了一种基于自聚焦光纤与热扩芯协同优化的980 nm波段MFA. 通过仿真与实验, 严格证实了自聚焦光纤长度选择公式L = n·P+0.5P(n ≥ 1)的普适性, 并利用热扩芯技术补偿了工艺引起的残余模场失配, 将器件插入损耗显著降低. 最终, 将优化后的自制MFA集成至自主搭建的高亮度980 nm光纤激光器系统中进行验证. 未接入MFA时, 系统斜率效率为16.07%, 光-光效率为13.65%. 接入性能最优的自制MFA后, 系统仍保持高效运行, 斜率效率为14.18%, 光-光效率为12.63%, MFA自身在真实高功率工况下的插入损耗最低可达0.34 dB. 在相同系统中, 实测插损0.76 dB的商用MFA使系统斜率效率降至约12.71%, 光-光效率降至11.43%. 相较于商用器件, 自制MFA的损耗降低幅度超过50%, 系统效率优势明显, 显著提升了泵浦耦合的整体性能. 该结果不仅验证了方案的正确性与实用性, 也为高亮度光纤激光器的泵浦耦合提供了一种有效的器件解决方案.

    参考文献 (25)

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