光纤合束器是一种光纤连接器件，其通过光纤精密熔接技术，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中，并使由于其介入光路而对系统造成的影响减到最小。

光纤合束器是光纤激光器系统中的重要元器件，它的好坏不仅直接决定着光纤激光器功率的高低和光束质量的优劣，还是激光器安全稳定工作的重要保证。

最早多模光纤合束器由美国的IPG 提出。

分束／耦合器将一根光纤内的信号按照波长、偏振等特性，将信号能量重新分配到不同光纤内。耦合器作用是将光信号转化成电信号，使得两个光纤头截面光纤口导通。

那么，光纤合束器有哪些类型？近年来，国内外的研究进程如何？制作过程中，关键工艺的技术难点是什么？

光纤合束器的分类

根据使用功能分类，光纤合束器可以分为两大类：功率合束器和泵浦合束器。

(1)泵浦合束器主要是将多路泵浦光合束到一根光纤中输出，主要用来提高泵浦功率。

(2)功率合束器就是将多路单模激光合束到一根光纤中输出，用来提高激光的输出功率。

根据构成方式分类，光纤合束器又可以分成两类：不包含信号光纤的 N×1 光纤合束器和包含信号光纤的 (N+1)×1 光纤合束器。和 N×1 光纤合束器不同，(N+1)×1 光纤合束器中心的一根光纤是信号光纤。在制作过程中，N 根光纤必须紧密对称地排列信号光纤周围，中间的信号光纤用于信号光的输入。

N×1合束器既有功率合束器，又有泵浦合束器，其功能的不同取决于N路输入光纤的型号，若N路光纤均为单模光纤或大模场光纤，则可以直接与N个激光器相连，用于提高激光的输出功率，即为功率合束器；若N路光纤均为多模光纤，则与N个泵浦源相连，用于提高激光器的泵浦功率，即为泵浦合束器。

(N+1)×1合束器均为泵浦合束器，主要用于光纤放大系统中。该合束器中间的单模光纤为信号光纤，用于信号光的传输，环绕在其周围的 N 路多模光纤为泵浦光纤，用于泵浦光的传输。这种合束器通常用于MOPA结构。

侧面泵浦合束器中心为信号光纤，纤芯为单模或准单模波导用于传输激光，外围六根光纤为泵浦光纤，用于传输泵浦光。七根光纤整齐排列后熔融拉细并与输出双包层光纤熔接。

端面泵浦合束器光纤合束器

侧泵合束器与端泵合束器不同的是，侧泵合束器的泵浦光纤被拉细后贴合到信号光纤的包层上，而信号光纤并未熔拉变细。因此侧泵合束器信号传输从原理上要优于端泵合束器。

国内外研究进程

由于光纤功率合束器在实现高功率光纤激光的重要作用，目前国内外许多单位对其进行了相关研究，主要的研究进展概述如下：

关于光纤功率合束器的最早报道出现在 IPG 公 司 20 kW 大功率光纤激光器系统的专利中。该系统中光纤功率合束器主要用于将多个单模光纤激光器进行合束，进而增加激光振荡器的泵浦光功率，如图3所示。专利中指出，由于采用了高亮度的单模光纤作为输入激光，光纤功率合束器输出的泵浦激光可以实现少模输出，光束质量为M2<8，理想情况下甚至可以达到M2<4。基于功率合束器实现的泵浦激光在功率和亮度方面相比 LD 泵浦激光都有了大幅的提升，也为单纤光纤激光实现更高功率提供了泵浦条件，基于此 IPG公司在 2009 年和 2013 年分 别 实 现 10.5 kW 和 20 kW 少模单纤光纤激光输出。

2010 年， 以色列特拉维夫大学的 Yariv Shamir等人对熔锥型光纤功率合束器进行了理论和实验研究。该小组较为系统地对绝热拉锥条件下光纤功率合束器输出光束质量进行了研究。理论分析结果指出，对于3根输入光纤的情况，合束激光的理想光束质量为 M2≈2.4，而对于 7 根输入光纤的情况，合束激光的理想光束质量为M2≈3.5。在实验方面，该小组基于扭转法分别制作了没有输出光纤以及以渐变折射率光纤作为输出光纤的光纤功率合束器，并进行了激光合束实验，得到的结果与理论值较为接近。

2011 年，丹麦科技大学的 Noordegraaf 等人报道了采用套管法制作的 7×1 光纤功率合束器。他们采用低折射率玻璃管将 7 根单模光纤熔融拉锥后与一根纤芯直径为 100 μm 的多模光纤熔接，最终实现的最大输出功率为 2.54 kW，在输出功率为 600 W 时测量输出激光光束质量为M2≈6.5。

同年，美国 JDSU 公司利用一个光纤功率合束器对 7 个功率为 600 W 的激光器进行合成，最终得到输出功率为 4.2 kW 的激光。合束器采用的输入光纤纤芯直径为 20 μm， 数值孔径为NA=0.08，输出光纤纤芯直径为50~100μm。实验得到输出合束激光的光束参数积(Beam ParameterProduct, BPP) 为 2.5 mm·mrad， 对 应 光 束 质 量 为M2≈7.3。

2014 年， 德国耶拿大学基于套管法分别采用了两种方案制作了 7×1 光纤功率合束器， 基于纤芯直径为 50 μm 的输出光纤实现了大于 5 kW 的合束激光输出，测量光束质量分别为 M2≈6.5 和 M2≈4.6。第一种方案在输入光纤的包层外设计有低折射率玻璃管对激光进行约束，并且合束器在结构上进行了两次拉锥， 第一次拉锥实现将输入激光合束到纤芯直径为 100 μm 的多模光纤中，第二次对多模光纤进行拉锥，将激光耦合进纤芯直径为 50 μm 的输出光纤中。第二种方案没有对输入光纤进行低折射率玻璃管处理， 而是直接将输入光纤插入一根低折射率玻璃管中， 并且只进行一次拉锥，将输入激光合束到纤芯直径为 50 μm 的输出光纤中。比较两种方案的结果可以发现，第二种方案不论在耦合效率还是光束质量方面都明显优于第一种方案。

近年来，国内相关单位在光纤功率合束器方面也开展了很多研究，如武汉锐科、清华大学、国防科学技术大学等，都有专利或者成果的报道。2012年，武汉锐科的闫大鹏等人利用 4 路输出功率为 1 100 W的 20/400 μm 光纤激光器模块和一个 4×1 光纤功率合束器进行激光合束， 实现了输出光纤为 50/400 μm 的 4 kW 光纤激光输出， 但报道中没有给出光束质量等信息。

国防科学技术大学在光纤功率合束器方面进行了大量的研究工作，建立了大功率光纤器件的研制平台，实现了可承载高功率的光纤功率合束器和光纤端帽的制作。在 2015 年实现了 输入光纤为20/400 输出光纤纤芯直径为 100 μm 的 7×1 光纤功率合束器的研制，结构见图 8，效率达到 98％以上，承 载功率达到 6.08 kW，光束 质 量 M2 等 于 10 。

在进一步提高 7 个输入光纤激光器的输出功率后， 于 2016 年实现了输出光纤为 100 μm、 合成功率达到 12 kW 的光纤激光合成，并实现了长时间的稳定出光，为国产工业化大功率光纤激光的产业化迈出了重要的一步。工业用的多模光纤激光器都是基于光纤功率合束器来实现高功率激光输出， 其对合成光纤激光的光束质量要求不高， 所以输出光纤的纤芯直径一般较大， 一般为 100~300 μm， 有的甚至600~1 000 μm，输出光纤纤芯直径越大 ，熔 融 组 束的拉锥比例越小，相对降低了光纤功率合束器的制作难度，目前工业上用的这种光纤功率合束器也已经相对成熟。

如果要实现高功率的激光合束输出并保持高的光束质量，必须要把输出光纤的纤芯直径变小，由于拉锥比例较大，光纤合束器的制作难度变大。针对输出光纤芯径变小的光纤功率合束器，基于制作工艺水平的提高，于2016 年课题组研制出输入光纤为20/400 输出光纤纤芯直径为 50 μm 的 7×1 光 纤 功率合束器。实验中实现了输出功率为 6.26 kW，合成效率大于 98％，光束质量为 M2=4.3的高光束质量激光合成。

基于实验室研制的光纤功率合束器，还实现了同带泵浦用1018nm的光纤激光器的高功 率 合成，分别用 50 μm 和 100 μm 为输出光纤实现了大于 2 000 W 的激光合成，为实现单纤高功率光纤激光提供了亮度极高的泵源。除了实现光纤激光的合成外，还实现了超连续谱光源的合成，基于 3×1 和 7×1 的功率合束器实现了 200 W 和 700 W 的超 连续谱合成，突破了单根光纤实现高功率超连续谱光源的极限。

另外，光纤端帽是针对高功率光纤激光器和放大器输出端面处理设计的高功率器件，通过对输出光纤的扩束降低输出端的光功率密度，保护光纤端面不受损坏， 同时在玻璃锥棒输出面进行增透膜处理，避免回光对激光器或者放大器产生影响，最终实现大功率光纤激光的安全输出。目前实验室已经建立了制作光纤端帽的实验平台，可以实现任意玻璃锥棒和光纤的高强度低损耗熔接，，光纤功率合束器测试实验中，所使用的端帽均是实验室自主研制的， 在承载万瓦及以上功率时都表现出了良好的性能。

关键工艺技术难点

功率合束器的基本结构主要包括三个部分：输入光纤、熔锥光纤束和输出光纤。

功率合束器基本结构

首先，为了使光纤束熔融拉锥后能够与输出光纤很好地熔接，必须要求光纤束的横截面为圆形，并且泵浦光纤按照一定的几何方式紧密排列，通常光纤是按照正六边形的方式紧密排列。制作过程中，首先将输入光纤组束，然后再对组束的输入光纤束进行熔融拉锥形成熔锥光纤束，然后再熔锥光纤束的锥腰部分对其切割，并与输出光纤熔接一起。最后设计出一种合适的封装和散热结构，以确保合束器能够长时间稳定工作。通常会使用导热率高的金属铜或铝作为封装和散热的壳体，必要时还会在金属封装上设计水冷结构。

光纤激光器以熔接来实现光纤器件的连接。为了激光器能够实现更高功率的指标，优质的光纤熔接是非常重要的。在熔接光纤过程中，不可避免地会产生损耗，这些损耗将在激光器运行过程中不断累积光和热，进而可能导致光束质量出现劣化或者光学器件发生损毁。

光惠激光采用独特的熔接点热管理技术，攻克了高功率的热平衡技术难题，并通过充分的热管理模拟优化、创新性的水冷设计，可以保证激光器的长期稳定运行。

光纤功率合束器的制作流程主要有四个步骤：多根光纤的组束熔融拉锥、组束拉锥光纤的切割、与输出光纤的熔接以及合束器的封装。要完成一个可承载高功率的高效率光纤功率合束器每一个步骤都非常关键，其中主要的工艺难点有：

(1) 高纤芯占空比的多根光纤的紧密排布

多根光纤的紧密排布是组束熔融拉锥的前提条件，目前多根光纤紧密排布的方式主要有两种：扭转法和套管法。扭转法也是目前制作端面泵浦耦合器的主流方法，主要是通过一个 7 孔管或者 19 孔管对光纤进行空间定位， 然后再扭转实现光纤的紧密排布。套管法是利用玻璃管作为多根光纤的约束夹具，实现多根光纤的规则排布。另外，由于目前市场上最常用的千瓦量级的光纤激光，输出光纤以20/400的光纤为主，其中包层直径为 400 μm，如果直接将 7 根20/400 的光纤进行组束，纤芯的占空比将非常的小，若使输入光纤耦合进输出光纤，组束光纤的拉锥比例将非常大，增大了拉锥难度，如何增大大直径包层光纤的纤芯占空比，即如何减少包层直径，是目前实现光纤功率合束器的关键工艺。目前常用的方式是强酸腐蚀法，如何确保强酸腐蚀光纤表面的平滑度以及锥度的控制是需要首先突破的工艺。

(2) 组束光纤的超低损耗、任意直径拉锥技术

多根光纤紧密排布后，将对组束光纤熔融拉锥，目前熔融拉锥的设备已经比较成熟，热源也分为多种，其中主要包括氢氧焰、电极、石墨丝以及最新推出的二氧化碳激光器。由于输出光纤的芯径一般都比较小，拉锥时需要对组束光纤进行大比例拉锥，这样就需要对拉锥参数进行优化，实现超低损耗、组束光纤的任意直径熔融拉锥；拉锥完成后，组束拉锥光纤的切割也是一项关键技术，需要大量的研究工作选择合适的切割刀和严格的参数优化实现组束拉锥光纤的高标准切割。

(3) 组束拉锥切割后光纤与输出光纤的低损耗熔接技术

组束拉锥光纤切割好后，与输出光纤熔接将是制作合束器的最关键一步，熔接损耗的高低直接决定了光纤功率合束器的效率和承载功率的大小。必须通过优化熔接参数或者通过前面的腐蚀技术将输出光纤的包层直变小，实现两者的超高质量的熔接。

(4) 输出光纤的包层光高效滤除技术

在合束器制作完成后，输出光纤中的光或多或少都有部分光耦合进包层中，包层光在进入输出端帽时将发散到端帽的边缘，转化成热量使端帽温度急剧升高，因此需要对合束器的输出光纤进行有效的包测光滤除。

综上，光纤功率合束器制作完成以后，需要对光纤合束器进行封装散热保护，功率合束器的效率虽然一般都在98％以上，但是在承载高功率时部分损失的光转化为热量使合束器产生温升，所以如何实现高效制冷封装合束器使其变为成熟的器件也是比较关键的工艺技术。

小结

从光纤功率合束器发展历程来看，其制作方法主要分为两大类：扭转法和套管法。

早期的光纤功率合束器制作主要是基于扭转法来实现的，但报道的输出功率都不太高。

近些年来，光纤功率合束器普遍采用套管法结合低折射率玻璃管的制作方法。从报道结果也可以看出，基于套管法制作的光纤功率合束器在大功率承载能力方面有着更大的优势。而从光束质量的角度来看，为了提高光纤功率合束器输出激光的光束质量，就要减少输出光纤中的模式数目。

实现这一目标可以通过两种方式，一种是减小输出光纤本身支持的模式数目，即减小输出光纤的纤芯直径或者数值孔径，但这可能会降低合束器的传输效率，减弱合束器的功率承载能力。另一种是选择性激发输出光纤中的输出模式，一方面可以采取主动相位控制来选择模式，即采用相干合成的方式来提高输出激光的光束质量，另一方面可以通过优化合束器的结构来选择模式，主要包括减少输入光纤激发的模式数目和提高输入输出光纤的模场匹配等技术。

综上，光纤功率合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件，但是基于光纤功率合束器要实现高功率、高光束质量的合成激光输出还有众多的关键技术需要进一步突破。

来源：红外与激光工程，光纤激光，tiantian007t