融锥法制备碲酸盐光纤侧面泵浦耦合器研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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融锥法制备碲酸盐光纤侧面泵浦耦合器研究
作者: irglass 时间: 2023-04-09 浏览:722 次

       近日,我室研究生夏勇腾(第一作者),戴世勋研究员(通讯作者)在Optics Express期刊发表了题为“Fabrication of a tellurite-fiber-based side-pump coupler based on the tapered-fused method”的论文(2023, 31(8): 13169-13181. IF= 3.833.)。文章链接:https://doi.org/10.1364/OE.487118

       中红外(MIR)激光器具有高转换效率和特殊的吸收特性,在气体传感、生物医学、遥感等领域有着广泛的应用。近年来,掺杂稀土离子的低声子能量的软玻璃光纤成为MIR激光源的理想增益介质,因为它们具有良好的物理性能、热稳定性和化学耐久性,并且能够观察到稀土离子在软玻璃光纤中的强上转换发射。其中,碲酸盐玻璃是一种很有潜力的软玻璃材料,它具有高透明度、高折射率、高非线性和低声子能量等优点。然而,基于碲酸盐玻璃光纤的激光器目前还没有普遍应用于实际领域,其中一个主要原因是基于碲酸盐玻璃光纤的泵浦器件制备研究缓慢。泵浦器件主要包括端面泵浦合束器和侧面泵浦耦合器,其中,侧泵耦合器是一种将泵浦光从一根光纤经侧面耦合到主光纤的装置,具有不占用主光纤芯端面和泵浦吸收均匀分布等优点。碲酸盐玻璃光纤侧泵耦合器的制备主要受到两方面约束:一是泵浦源输出的石英尾纤必须耦合到软玻璃光纤中,两种材料截然不同的物理特性(玻璃转化温度和热膨胀系数)使得光纤间熔接或侧向耦合变得复杂;二是受限于软玻璃光纤的机械强度和热学稳定性,需要一种可靠的加热源对软玻璃光纤进行拉锥或熔接处理。

       本研究工作基于光线追迹法建立模型分析设计耦合器(如图1所示),利用石墨丝作为加热源,在耦合器制备平台实现单根软玻璃光纤高质量拉锥和双光纤熔融耦合(如图2所示),通过融锥法首次制备出基于碲酸盐玻璃光纤的(1+1)×1侧面泵浦耦合器。从图3(a)-(e)可以看出,熔合后的光纤表面能够保持平滑,主光纤的芯包结构没有被破坏,并且实现了较低熔融深度下的耦合,这与模拟仿真中的设置保持一致。实验还验证了锥形光纤不同的锥度比和锥区长度对侧泵耦合器耦合效率的影响,并与模型仿真结果进行比较。如图4(a)所示,TR=2.5时的耦合效率最低,为36.97%;而TR=10时耦合效率达到67.52%,耦合效率随着TR的增加而增加,并逐渐趋于饱和,这与模拟趋势吻合。如图4(b)所示,耦合效率随着锥区长度的增加而缓慢增加,从TL=10 mm时的61.35%增加到TL=40 mm时的65.26%。通过不断优化制备条件和结构参数,最终获得了最高耦合效率为67.52%,插入损耗为0.52dB的侧泵耦合器。这项工作为基于软玻璃光纤耦合器的制备提供了有意义的参考,制备的耦合器有望应用于中红外光纤激光器或放大器。

图1 . (a) (1 + 1) × 1侧面泵浦耦合器的侧面示意图及其主要光线的传输路径;(b) 用于光线追迹的仿真模型

图2 . 侧面泵浦耦合器的制备平台

图3 . 当泵浦光纤直径为 (a) 100 µm,(b) 65 µm,(c) 35 µm,和 (d) 20 µm 时侧面泵浦耦合器的显微镜图像(500倍放大); (e) 当泵浦光纤的直径为 20 µm 时耦合器的横截面图像(1000倍放大)

图4 . (a) 耦合效率(红色)和 PLB 百分比(蓝色)随不同锥比(TR)的变化。虚线和点分别表示模拟结果和实验结果; (b) 不同锥长(TL)下的耦合效率