定义
光纤耦合器，用于将泵浦和信号光发送到放大器或激光光纤。
高功率光纤激光器和放大器基于稀土掺杂双包层光纤。 原则上，只需将来自此处的光适当聚焦到裸光纤端，就可以将泵浦和信号光注入这种光纤。 事实上，在研究阶段，放大器和激光设备经常这样做。然而，工业激光器应基于全光纤设置，其中光纤耦合泵浦激光二极管通过一些无源传输光纤直接连接到有源光纤，避免光束路径中的任何空气空间。 除了那些简单的传输光纤（通常是多模光纤）之外，还需要光纤泵浦合路器（或泵浦耦合器），即用于连接有源光纤的特殊类型的光纤耦合器。 这种方法可以大大提高设备的鲁棒性和稳定性。 某些版本可以安全地处理数千瓦的功率水平。
在下文中，我们不仅考虑纯泵浦合路器，还考虑具有附加信号输入的信号-泵合路器。
通常，此类设备具有以下接口：
- 一方面，有一根光纤可以直接连接（通常通过熔接）到某种类型的有源光纤。 （在这两根光纤之间，有时会有额外的无源光纤，例如，如果不能写入有源光纤，则为了包括光纤布拉格光栅。
- 另一方面，合路器具有多个输入多模光纤，可以连接到光纤耦合泵浦半导体激光管（通常基于广域半导体激光管或二极管条）。 此外，通常（但并非总是）有另一根光纤（单模光纤或几模光纤），人们可以通过它注入或提取信号光。 （如果是光纤激光器，则不需要注入信号光，但需要从一端提取激光。
这种装置可以放置在金属外壳中，该外壳通常有几厘米长。 它可能必须与底板热接触，以避免由于耗散功率而导致过热。
有（N+ 1）×1个泵浦信号合路器和N ×1个泵合路器。
具有六个泵输入和一个信号输入的泵信号合路器可以表示为（6 + 1）×1个合路器（或（6 + 1）：1个合路器）。 还有像 （N+ 1） × 1这样的变体，其他值为N。 没有信号输入的泵浦合路器表示为 N×1（或 N： 1），其中N可以是例如 3、7 或 19——通常是奇数值，因为偶数根光纤排列在一根中心光纤上。
原则上不使用所有泵输入端口应该不是问题，当然会失去泵亮度。
除了工业大功率激光器，泵浦信号合路器还用于光纤通信领域的掺铒光纤放大器（EDFA），例如有线电视功率放大器。 低功耗EDFA与基于单模光纤的简单二向色光纤耦合器配合使用，但基于双包层光纤的高功率版本（包括少模光纤和多芯光纤版本）需要多模泵浦信号合路器。
类似的泵组合器也可用于直接二极管应用。 在这种情况下，输出光纤可以是单包层多模光纤。
泵合路器的工作原理
图1：泵合路器输出的横向横截面。中间的红色区域对应于光纤芯，六个橙色区域对应于泵浦光纤。绿色圆圈表示活性光纤泵包层的尺寸。
具有多个输入的泵合路器的典型工作原理是，几根（例如6）泵浦光纤排列在信号光纤周围（见图2）（或者围绕另一根泵浦光纤），并且整个束（通常被玻璃管包围）逐渐变细，使其尺寸适合有源光纤的尺寸。 在这种锥形组合器的制造过程中，所有纤维融合在一起以形成稳定的刚性器件。 泵浦光纤可以与有源光纤的轴线成轻微的角度安装，以便可以减小它们的弯曲并且泵浦光暂时向有源光纤芯传播。
当然，输送到有源光纤的泵浦光的光束发散必须保持在该光纤的数值孔径内，以便泵浦光保持在包层中。 请注意，泵浦光纤的锥形不仅会减少其光束面积，而且同时会增加导光的发散度；在组合器设计中需要考虑这一方面。
许多双包层光纤具有标准直径为 125 μm 的泵包层；因此，可以使用与该尺寸兼容的各种泵组合器。 然而，也有具有较小泵包层的活性纤维，这有利于获得更高的泵吸收，因此允许使用较短的活性纤维片。 此外，光纤的直径可以增加到例如200μm或250μm，以获得更高的功率水平，并降低对泵辐射辐射的辐射度（亮度）的要求，尽管这会降低泵的有效吸收并使光纤对弯曲更敏感。
图2显示了一个典型的高功率激光器设置，其中包含两个这样的光纤泵浦合路器。
图2：设置高功率光纤激光器。来自八个光纤耦合泵浦二极管的光与两个泵浦光纤合路器结合，并从两个方向发送到有源光纤。光纤布拉格光栅用于形成激光谐振器。
即使泵浦辐射仅完全注入泵包层，它最终也会传播，使其强度分布需要与掺杂的光纤芯有一定的重叠，在那里可以吸收泵浦光。 通过基于数值光束传播的数值模拟，可以详细研究合路器的设计细节如何影响有源光纤中的泵吸收。
泵合路器可能具有额外的内置功能，例如空气包层（如某些光子晶体光纤），用于安全地抑制泵泄漏到外部部件。 这支持可靠的耦合而不会损坏光纤（见下文）。
还有基于完全不同的工作原理的泵合路器。 例如，其中一些使用无源泵浦光纤，这些光纤缠绕在中心光纤上，泵辐射最终耦合到中心光纤中。 这种方法可以称为侧泵浦（而不是端泵浦），并且可以通过整个合路器使用连续的非锥形光纤来传输信号。
单模和保偏合路器
术语单模合路器用于泵合路器，其中信号输入通过单模光纤传输，但通常不是泵浦输入，泵输入通常是多模的。
同样，保偏合器仅对信号具有保偏特性。
泵浦和信号合路器的重要特性
泵浦合路器的以下特性与高功率光纤激光器或放大器中的典型应用最相关，一旦决定了某种有源光纤：
- 光纤直径应相同，主要是为了允许高质量的熔接，并精确匹配核心位置。
- 泵浦光纤必须与泵浦半导体激光管的光纤完全兼容。 磁芯直径和数值孔径至少需要与泵浦二极管尾纤一样高。 合路器的泵输入光纤值较大，原则上对功率耦合效率没有问题，但不可避免地意味着不会利用全泵的亮度。 换句话说，泵浦二极管具有比所需更高的亮度。
- 对于泵浦-信号合路器，基波信号光纤模式的强度曲线应与有源光纤芯的基波模式的强度曲线相似，以便在放大器中可以有效地将信号光耦合到该基波模式。 对于光纤激光器，此属性也很有用，因为它允许以最佳光束质量提取激光辐射。
- 泵浦灯应以最小的损耗（高耦合效率，通常远高于90%）通过合路器传播 - 不仅是为了获得高功率效率，也是为了避免热损伤。 此外，泵浦灯应完全射入活性光纤的泵浦包层中，而不是射入其外包层，否则可能会破坏其涂层。
- 在许多情况下，理想情况下应该只有适度的亮度损失（辐射度）。 换句话说，有源光纤中泵浦辐射的亮度并不比泵浦二极管低多少。
- 当然，合路器应该安全地承受预期的光功率水平。
- 这些设备是为某些波长区域制造的。 然而，通常并不重要，例如泵浦-信号合路器是否用于1030 nm或1100 nm的信号。
在某些情况下，合路器和有源光纤的旋转取向在熔接在一起时需要优化。 例如，在有源光纤中，泵包层没有圆形，而是六个凸轮，非常适合六个泵浦光纤的核心。 另一种情况是使用保偏光纤。
在必须尽可能减少活性纤维长度的情况下，希望具有小泵包层和合适的泵合路器的有源光纤，但通常难以获得此类组件。
由于此类设备具有大量基本参数，因此不能期望为每个应用找到合适的库存设备。 因此，一些制造商提供定制泵合路器。 （另请参阅我们对定制光学器件的一般评论。
估计亮度损失
下面将介绍如何从设备规格中检查泵浦合路器的亮度（辐射度）损失程度。 我们考虑具有N个多模（步进指数）泵浦输入光纤的合路器，其中输入光纤和输出光纤的芯径d和数值孔径NA指定，功率吞吐量为ηP。以下公式可用于估计保持亮度的程度：
如果获得的值接近1，则亮度基本守恒，但某些泵浦组合器的值远低于1，表明亮度损失很大。 其他（市售）设备至少达到0.5量级的值。
大于 1 的值在物理上是不可能的。 （有亮度转换器可以做到这一点，但不能只使用无源光学器件。
避免在运行过程中损坏
对于工作非常高光功率水平（有时超过几千瓦）的合路器，至关重要的是，没有大量的泵浦光可以泄漏出来，例如到达任何容易被烧毁的聚合物涂层或包层。 可能需要使用额外的包层模式剥离器来去除在核心和泵浦包层外传播的任何光。 使用此类设备时，还应仔细遵守制造商给出的使用说明，因为合路器和/或有源光纤可能很容易被破坏。
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