半導(dǎo)體光放大器

半導(dǎo)體光放大器件是指由半導(dǎo)體材料制成，與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，利用能級(jí)間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行放大。若將半導(dǎo)體激光器兩端的反射消除，即為半導(dǎo)體行波放大器，當(dāng)偏置電流低于振蕩閥值時(shí)，激光二極管就能對(duì)輸入的相干光實(shí)現(xiàn)光放大。半導(dǎo)體光放大器覆蓋了1300nm~1600nm的頻段，既可用于1310nm窗口又可用于1550nm窗口，且用于DWDM系統(tǒng)中時(shí)無需增益鎖定。

不僅可以作為光放大器的一種選擇方案，還可以促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝成熟、成本低、壽命長(zhǎng)，易于同其他光器件集成以及功耗低等；缺點(diǎn)是噪聲和串?dāng)_較大，功率較低，放大器的增益受偏振的影響較大，與光纖的耦合損耗較大，穩(wěn)定性較差等，影響了其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。2100433B

光放大器可以想象成為一個(gè)具有低反饋機(jī)制的激光器。它同樣也需要增益介質(zhì)和外功率源（泵浦源）來提供放大所需的能量。與激光器所不同的是，光放大器還需要信號(hào)源。我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)圖來表示光放大器的基本形式。

按照不同的分類方法，光放大器可以進(jìn)行如下分類：

一、 按照增益介質(zhì)的不同，可以分成半導(dǎo)體光放大器和摻稀土光纖放大器。

半導(dǎo)體光放大器是現(xiàn)代光放大器中最早出現(xiàn)的光放大器。它的工作原理是基于激光半導(dǎo)體介質(zhì)固有的受激輻射光放大機(jī)制。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、造價(jià)低、頻帶寬、增益高；但缺點(diǎn)是與光纖耦合時(shí)損耗太大、易受環(huán)境溫度的影響、工作穩(wěn)定性差。由于半導(dǎo)體光放大器在實(shí)現(xiàn)光與電集成方面具有優(yōu)勢(shì)，因此它更多的是被應(yīng)用于高速通信網(wǎng)中光開關(guān)、光復(fù)用/解復(fù)用和波長(zhǎng)變換器等光信號(hào)處理模塊。

在各種摻稀土光纖放大器中，摻鉺光纖放大器（EDFA）優(yōu)先得到發(fā)展。EDFA 工作在通信波段，輸出僅為 mW 量級(jí)的功率，不能滿足人們對(duì)高功率激光的需求。在稀土元素中，由于 Yb

3 離子具有簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)（只包含兩個(gè)多重態(tài)展開的能級(jí)2F5/2和2F7/2）和大的能級(jí)間隔（約 10000cm-1）使摻 Yb3 光纖激光器及放大器具有很高的轉(zhuǎn)換效率。因此，為獲得高功率的激光輸出，摻 Yb3 光纖就成為了激光放大器的首選增益介質(zhì)。

二、按照時(shí)間特性可以分為連續(xù)光放大器、脈沖放大器及超短脈沖放大器。

這種按時(shí)間特性分類是相對(duì)于激光工作物質(zhì)中因各種物理因素引起的馳豫過程及時(shí)間而言的。一方面，由于激光工作物質(zhì)的輻射躍遷使得粒子在能級(jí)上具有有限的壽命，因此導(dǎo)致了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長(zhǎng)與衰減需要一定的馳豫時(shí)間，它被稱之為縱向馳豫時(shí)間，表示為 T1。另一方面，由于工作物質(zhì)粒子間或粒子與管壁間的碰撞以及晶格振動(dòng)的作用，對(duì)電磁場(chǎng)引起的宏觀感應(yīng)電極化具有消相過程，在消相過程和外加電磁場(chǎng)共同作用下，工作物質(zhì)中部分原子的電偶極矩逐漸有序化，因而產(chǎn)生宏觀感應(yīng)電極化強(qiáng)度。但是當(dāng)電磁場(chǎng)停止作用后，由于消相作用，宏觀感應(yīng)電極化逐漸消失，相對(duì)于電磁場(chǎng)有一個(gè)滯后時(shí)間，稱之為橫向馳豫時(shí)間，表示為 T2。 當(dāng)放大器的輸入信號(hào)是連續(xù)波或非調(diào) Q 激光脈沖時(shí)，一般滿足條件光脈沖脈寬τ0>T1。此時(shí)由于光信號(hào)與工作物質(zhì)相互作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，因受激輻射而消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)來得及由泵浦抽運(yùn)所補(bǔ)充，因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度可以到達(dá)穩(wěn)態(tài)數(shù)值而不隨時(shí)間變化，可以用穩(wěn)態(tài)方法研究放大過程。這類放大器稱為連續(xù)放大器。

當(dāng)輸入信號(hào)脈寬滿足條件T2<<τ0 T2的條件，因此可以不考慮粒子與光波場(chǎng)相互作用的橫向馳豫時(shí)間 T2，在這種情況下，我們才能忽略粒子和光場(chǎng)相互作用的相位關(guān)系，速率方程才能適用。當(dāng)輸入信號(hào)的脈寬τ0為 10~10s 的超短脈沖時(shí)，τ0和 T2可以比擬，稱為超短脈沖激光放大器，速率方程理論不再適用，而需用半經(jīng)典理論處理。

如果輸入光信號(hào)為高重復(fù)率脈沖序列，并且脈沖周期 T<

工作在 1550nm 窗口的摻鉺光纖放大器（EDFA）在光通信系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，但是利用普通單模摻鉺光纖研制的 EDFA，輸出功率通常在數(shù)十 mW 量級(jí)。在高功率激光應(yīng)用領(lǐng)域，無法滿足人們的需求。而摻鐿光纖放大器（YDFA）能提供 100nm 量級(jí)的增益帶寬（970nm~1200nm）和更高的轉(zhuǎn)換效率，所以 YDFA 在紅外波段高功率輸出中獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。同時(shí)這種寬帶增益特性能夠被利用于超短脈沖放大；又因 Yb3 粒子的強(qiáng)飽和效應(yīng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的脈沖能量輸出。單脈沖能量達(dá)數(shù) mJ 的 YDFA 已有報(bào)道。 基于 YDFA 有較寬的吸收譜(800~1064nm)，可以有多種抽運(yùn)源，并且在970nm~1200nm 范圍內(nèi)有連續(xù)熒光發(fā)射，對(duì)在 1000nm 左右波段的信號(hào)具有優(yōu)越的放大效果，本文重點(diǎn)進(jìn)行了 1064nm 波段脈沖放大的實(shí)驗(yàn)研究。

連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器3連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器

雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)為了克服單模單包層摻鐿光纖對(duì)輸出功率的限制， Maurer 在 1974 年首先提出了雙包層光纖的概念。直到 1988 年 Polariod 提出了包層泵浦技術(shù)，高功率摻鐿光纖激光器/放大器才得以快速發(fā)展。

包層泵浦技術(shù)的核心是如何最大限度的提高包層中傳輸?shù)谋闷止鈱?duì)纖芯中鐿離子的泵浦效率。雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)、內(nèi)包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。，光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層組成。纖芯中摻雜稀土元素（鐿或其他元素）作為激光介質(zhì)，為保證輸出激光是基橫模，纖芯的尺寸根據(jù)激射波長(zhǎng)設(shè)計(jì)。內(nèi)包層的折射率低于纖芯的折射率，激射激光被限制在纖芯內(nèi)傳播，而外包層的的折射率又低于內(nèi)包層的折射率，這樣可以將泵浦光限制在內(nèi)包層內(nèi)傳播。為了使內(nèi)包層既起到單模纖芯的低折射率包層的作用，同時(shí)又成為傳輸大功率多模泵浦光的通道，關(guān)鍵在于選擇一種低折射率而且物理特性合適的材料做外包層。通常雙包層光纖要求內(nèi)包層具有大的數(shù)值孔徑（NA）和大的幾何尺寸，這對(duì)于多模泵浦光的耦合將十分有利。因此，對(duì)外包層材料的要求首先是折射率應(yīng)低于內(nèi)包層，另外還要有低彈性模量、寬的抗彎曲溫度范圍。

光纖的最外層為保護(hù)層，一般選用涂料的折射率高于外包層的折射率，這樣可以將外包層內(nèi)的傳輸光盡快泄漏掉，以免對(duì)光纖造成熱損耗。保護(hù)層具有較高的楊氏模量，可以對(duì)光纖起到機(jī)械保護(hù)作用。

在設(shè)計(jì)雙包層光纖時(shí)，為方便多模的高功率泵光耦合入纖，內(nèi)包層與纖芯的面積比越高越有利，但是這個(gè)比值太高會(huì)降低器件的效率，一般內(nèi)包層與纖芯的橫截面積比選在 100 左右最佳。泵浦光在內(nèi)包層傳導(dǎo)時(shí)，多次穿越纖芯，激發(fā)摻雜的稀土離子發(fā)射激光。

內(nèi)包層的形狀對(duì)于雙包層光纖對(duì)泵浦光的吸收效率具有非常大的影響。最初的雙包層光纖內(nèi)包層為圓對(duì)稱的，它的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也易于與泵浦 LD 的尾纖相耦合連接，但是圓對(duì)稱特性會(huì)使內(nèi)包層中大量的泵浦光成為螺旋光，在傳輸?shù)倪^程中不經(jīng)過摻雜纖芯，從而大大降低了對(duì)泵浦光的利用效率。為了提高對(duì)泵光的利用效率，并考慮到與具體的泵源形式相匹配，人們開發(fā)出了多種內(nèi)包層截面形狀的雙包層光纖，用于雙包層光纖激光器的研制工作。這些經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的內(nèi)包層使雙包層光纖激光器對(duì)泵浦光的利用效率得到明顯提高。

連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器4連續(xù)雙包層摻鐿光纖放大器的最新進(jìn)展

盡管光纖激光器/放大器具有良好的散熱性能，但隨著激光輸出功率不斷提高，在纖芯內(nèi)集中激射和較長(zhǎng)距離傳輸，又會(huì)引起諸多的非線性效應(yīng)。如：SPM（自相位調(diào)制）、SBS（受激布里淵散射）及 SRS（受激拉曼散射）等。尤其在單根光纖的激光器里激光振蕩引起的非線性效應(yīng)閾值較低，極大地限制了激光輸出功率。因此人們又把目光投向了雙包層光纖放大器。對(duì)雙包層光纖放大器研究的目的是想通過對(duì)一個(gè)較低功率的單頻或線偏輸出的種子光進(jìn)行多路雙包層放大；多路放大后的光束經(jīng)相干組束（CBC）或光譜組束（SBC），從而確保較高激光功率輸出的同時(shí)，還能得到具有衍射極限的光束質(zhì)量。

1999 年采用“V”形槽耦合泵浦技術(shù)在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出；放大系統(tǒng)小信號(hào)增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術(shù)獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。

2005 年利用與 20/400 雙包層大模面積（LMA）摻鐿光纖相匹配的（6 1）×1 合束器實(shí)現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學(xué)郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長(zhǎng)度約為 11 m的大模面積（LMA）摻鐿雙包層光纖（其芯徑 20μm ,數(shù)值孔徑為 0. 06 ），將16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號(hào)光的優(yōu)良光譜特性。實(shí)驗(yàn)中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。 輸出功率的提高使人們不得不考慮對(duì)非線性效應(yīng)的抑制。2007 年美國(guó)報(bào)道了一種特殊的雙包層摻鐿光纖，在該雙包層摻鐿光纖的纖芯中同時(shí)摻入 Al2O3和 GeO2，以增大雙包層摻鐿光纖中的 SBS 閾值，從而提高放大輸出的激光功率。這種通過對(duì)雙包層光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高非線性效應(yīng)閾值的方法，開創(chuàng)了高功率、高光束質(zhì)量的激光器件研究的新局面。緊接著利用這種高 SBS 閾值的 DCYDF 進(jìn)行高功率、窄線寬雙向泵浦放大，。

2007 年，美國(guó)與德國(guó) 分別利用了槽密度為 1740/mm 的非傳導(dǎo)性光柵和槽密度為 1250/mm 的衍射光柵實(shí)現(xiàn)了三個(gè)摻鐿光纖放大器的光譜組束。組合效率分別達(dá)到了 93%和 95%。輸出功率分別為 522W 和 153W。表征光束質(zhì)量的 M2因子都為 1.2。保持了單個(gè)放大器的光束特性。他們的實(shí)驗(yàn)中略有不同的是后者在單個(gè)放大器里增益光纖采用了保偏光子晶體雙包層光纖。正是這種高偏振度確保了組合效率高達(dá) 95%。利用光譜組束實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出為 YDFA 開拓了廣闊的應(yīng)用前景，特別是隨著高非線性 YDF 及其它特殊結(jié)構(gòu) YDF 的研制成功，相信會(huì)有更驚人的成果在不久的將來實(shí)現(xiàn)。

AON (Active Optical Network：有源光網(wǎng)絡(luò)） 是指信號(hào)在傳輸過程中，從局端設(shè)備到用戶分配單元之間采用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、有源光電器件以及光纖等有源光纖傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。有源光器件包括光源（激光器）、光接收機(jī)、光收發(fā)模塊、光放大器（光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器）等。