(N+1)×1泵浦和訊號合束器

什麼是泵浦和訊號合束器

泵浦和訊號合束器(Pump And Signal Combiner)是一種具有兩個接面的光學元件。第一個接面是專門設計用於通過融接技術直接連接特定類型的活性光纖。合束器的第二個接面具有多個輸入多模光纖，可以連接到光纖耦合的泵浦雷射二極體。圖一顯示了一個高功率光纖雷射引擎結構的示意圖，其中綠色部分是泵浦和信號合束器。一個(N+1)×1泵浦信號合束器具有將N個獨立泵浦雷射整合到單一光纖中並創建高功率泵浦雷射源的能力。

圖一、高功率光纖雷射引擎結構的示意圖，其中綠色部分是泵浦和信號合束器

 

側面泵浦合束器(Side-Pump Combiners)與端面泵浦合束器(End-Pump Combiners)的主要差異

考慮到全光纖結構，目前已經開發出的幾種合束器方案，可以大致分為兩種方案：側面泵浦方案，泵浦光纖與訊號光纖的融熔區域位於訊號光纖的側面；以及端面泵浦方案，泵浦光纖與訊號光纖的融熔區域位於訊號光纖的端面。如圖二與圖三所示，側面泵浦合束器與端面泵浦合束器的結構示意圖顯示了不同的融熔區域。

 

                  　　　　     

　　　圖二、側面泵浦合束器的結構示意圖　　　　　　　　　　　　　　　圖三、端面泵浦合束器的結構示意圖

 

如何表示側面泵浦合束器？

我們通常會將側面泵浦合束器器表示為(N+1)×1，在此(N+1)×1代表將N個泵浦雷射光源與1個信號光纖結合到一條光纖中。圖四顯示了幾種側面泵浦合束器中，泵浦光纖與訊號光纖的相對位置結構示意圖。在大多數側向泵浦合束器中，訊號光纖與輸出光纖是同一條光纖。

圖四、幾種側面泵浦合束器中，泵浦光纖與信號光纖的相對位置結構示意圖

 

如何表示端面泵浦合束器？

我們通常將端面泵浦合束器表示為N×1，在此 N×1代表可以將 N 個泵浦雷射光纖結合到一條光纖中。圖五顯示了一個 7×1端面泵浦光纖合束器的示意圖。在端面泵浦合束器中，訊號光纖和輸出光纖可以是不同的光纖。


圖五、7×1端面泵浦光纖合束器的結構示意圖

 

端面泵浦合束器的優點

端面泵浦合束器能提供優秀的傳輸效率。此外，端面泵浦合束器的訊號光纖與輸出光纖可以使用不同的光纖，來滿足特定的環境要求。

 

側面泵浦合束器的優點

側面泵浦合束器具有兩個優點：

  1. 側面泵浦合束器利用訊號光纖的側面作為耦合表面，這與端向泵浦合束器的耦合條件不同。側面泵浦合束器所採用的工藝技術能夠實現優秀的光學隔離。

  1. 在大多數的情況下，側面泵浦合束器的訊號光纖與輸出光纖是同一根光纖，這確保了光束傳輸過程中的材料一致性。這種一致性確保了良好的訊號插入損耗和光束品質 (M2) 。

總而言之，側面泵浦合束器具有優秀的光學隔離度、訊號插入損耗與光束品質，使其在雷射加工產業中具有優勢。

 

側面泵浦合束器的參數

在使用側面泵浦合束器時，有一些需要考慮的參數，包括：

  1. 泵浦效率(Pump Efficiency)：泵浦效率的定義是側向泵浦合束器的輸出功率與輸入功率（耦合效率）的比值，通常以百分比%表示。其公式定義為 (P1 ⁄ P0)×100%，其中P0 與P1 分別是側向泵浦合束器的總輸入功率和總輸出功率。

  2. 訊號插入損失(Signal Insertion Loss)：訊號插入損失是指由泵浦合束器引起的訊號功率損失。其公式定義為-10log10(P1 ⁄ P0) ，其中P0 代表沒有泵浦合束器的訊號功率，而 P1代表有泵浦合束器的訊號功率，通常以 dB表示。

  3. 光束品質 (Beam Quality M2): 光束品質定對是側面泵浦合束器輸出的光束特性，通常以M2來表示，其中M2代表光束與最低階高斯光束之間的相似程度。當M2值接近1時，表示光束接近於最低階高斯光束。

  4. 泵浦功率處理能力 (Pump Power Handling)： 表示是指每個泵浦光源在不遇到任何不穩定或損壞的情況下所能承受的最高輸入功率。

  5. 雷射功率處理能力(Laser Power Handling)： 定義為合束器能夠處理的最大且穩定的輸出功率。

  6. 反射損失(Return Loss)：反射損失是指由光的散射與光在材料表面的反射而導致光返回輸入路徑的比率，通常以dB表示。其公式定義為10log10 PR ⁄ P0 , ，其中 P0代表所有泵浦光源的總輸入功率，而PR代表傳輸過程中的反射功率。下圖六顯示了反射損失的示意圖，其中綠色部份是反射功率。
    圖六、反射損失(Return loss)的示意圖

  7. 環境參數包括：
    A.     操作溫度：光學元件能夠安全運作的環境溫度範圍。
    B.     儲存溫度：光學元件能夠在不損壞的情況下進行儲存的環境溫度範圍。
    C.     操作濕度：光學元件能夠安全運作的環境濕度範圍。

  8. 封裝尺寸：封裝尺寸表示此光學元件的尺寸大小。

 

泵浦與訊號合束器的應用

泵浦與訊號合束器廣泛應用於放大器與光纖雷射引擎中，主要目的是將泵浦光源耦合到訊號光纖以增加雷射的輸出光功率。下圖七顯示了由萊凌科技製造的光纖雷射引擎的結構示意圖，其中使用了兩個(6+1)×1的泵浦與訊號合束器。圖八是萊凌科技生產的泵浦與訊號合束器的實際產品照片。

圖七、由萊凌科技製造的光纖雷射引擎的結構示意圖，其中使用了兩個(6+1)×1的泵浦與訊號合束器

圖八、萊凌科技生產的泵浦與訊號合束器實際產品照片