單頻雙包層光纖放大器

內包層形狀對光纖的泵浦效率有著重要影響。由于內包層是泵浦光的多模波導，泵浦光必須多次穿過纖芯才能被稀土離子吸收。內包層的形狀影響著泵浦光的吸收從而影響著泵浦耦合效率。

大多數(shù)雙包層光纖都是圓對稱形的，它有以下優(yōu)點:一是不需要對預制棒做光學機械加工使工藝更加簡單，二是當泵浦源為帶尾纖的 LD，圓形石英包層之間的尺寸匹配易于耦合連接。但是也有一個的缺點:圓對稱特性會使內包層中大量的泵浦光成為螺旋光，只有子午光線與纖芯相交，而偏射光線由于波導結構的對成性，呈螺旋型傳導，從不穿過纖芯，所以泵浦效果很低。在傳輸?shù)倪^程中不經(jīng)過摻 Yb3+的纖芯，從而大大降低了纖芯對泵浦光的利用效率。

為了克服這個缺陷，需要開發(fā)新型的內包層截面。在各種改進的泵浦方案中，有的采用雙包層光纖直接與半導體激光器的發(fā)光面或陣列耦合，有的與集成束狀的尾纖耦合，因此也需要研制具有特殊形狀內包層的雙包層光纖。為了提高對泵光的利用效率，并考慮到與具體的泵源形式相匹配，近幾年來人們開發(fā)出了多種內包層截面形狀的雙包層光纖，用于各種包層泵浦光纖激光器的研制工作中，取得了很好的效果。

泵浦光在這些有不同形狀內包層的雙包層光纖中傳輸時，纖芯中的稀土元素對泵光吸收率有很大不同。一般認為，矩形雙包層光纖具有較大的吸收率，理論上可達到 100%的吸收。圓形的雙包層光纖，光纖的曲率對吸收率的影響非常大，而對矩形雙包層光纖，光纖的曲率對吸收率的影響非常小。還有內包層尺寸對泵浦光耦合效率的影響，激光吸收效率的影響。

內包層的設計主要集中在 3 點:包層形狀、幾何尺寸和數(shù)值孔徑。為了提高泵浦效率，包層形狀設計時應考慮光纖的用途及泵浦條件，小芯徑光纖的設計還應考慮泵浦光耦合、連接損耗等問題，同時應避免包層形狀中出現(xiàn)尖銳的曲線，避免降低光纖的強度。對于一定的泵浦光，增大內包層幾何尺寸和數(shù)值孔徑有利于其耦合和傳輸，特別是增大數(shù)值孔徑，內包層可傳輸泵浦功率將以平方增長。但是，無論內包層形狀如何設計，增加其橫截面積，也就是減小纖芯和內包層的面積比終究會減少對泵浦光的吸收，降低泵浦效率，同時，對光纖的泵浦波段 ASE噪聲產(chǎn)生很大影響。

單頻、高功率激光在激光雷達、光譜學、精密測量等領域有非常廣泛的應用。與其他獲得單頻、高功率激光的方法(如傳統(tǒng)的行波放大、注入鎖定)相比，光纖放大具有體積小、結構簡單、可控性和輸出頻譜特性好等優(yōu)點。隨著包層抽運技術的出現(xiàn)，單頻光纖放大器的轉換效率得到大幅度提高，在高功率和光頻特性良好的激光束方面因其獨特的優(yōu)勢而成為人們研究的熱點。

國外在單頻光纖放大器方面的工作開展較早，并已取得顯著的成績。1999 年漢諾威激光中心的Zawischa I 等利用摻N光纖放大獲得了波長1064 nm、功率5.5 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為35%。其種子源為單塊非平面環(huán)形腔激光器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數(shù)值孔徑(NA)0.11;內包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長30 m，并纏繞在直徑為22cm 的圓盤上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國Liem A 等[2]報道了利用摻Yb3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。采用大模場面積(LMA)雙包層光纖，芯徑30mm，NA0.06;內包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38，光纖長度為9.4m。以NPRO 為種子源，其最高輸出功率為1.6 W，光束質量因子M2 約1.1，線寬2~3 kHz，波長1064 nm。當入纖抽運光為175W，信號光為1.6 W時，實驗獲得100 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為63%。

雙包層(double-clad，DC)光纖結構中，纖芯被直徑更大的多模(multimode)內包層包裹，泵浦光通過內包層傳送，泵浦源可以使用功率較高相對成本較低的多模泵浦源。雙包層光纖的出現(xiàn)，光纖激光器和光纖放大器可以產(chǎn)生更高的平均功率和脈沖能量。

雙包層光纖的結構與內包層設計

一種典型的雙包層光纖的結構，如上圖所示，雙包層光纖由四層構成，分別為光纖芯、內包層、外包層和保護層，纖芯是由摻稀土元素的 SiO2 構成，它作為激光的傳輸通道，對相關波長應設計成單模，以保證輸出激光是基橫模。包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的 SiO2 構成，它是泵浦光傳輸通道，對泵浦光是多模的。

一般內包層可以做成各種形狀，有圓形的、方形的、矩形的，泵浦光在不同形狀的內包層中傳輸時，纖芯對泵浦光的吸收率不同。外包層是由折射率比內包層小的聚合物材料構成，這樣在內包層和外包層之間形成了一個大截面、大數(shù)值孔徑的光波導，它可以允許大數(shù)值孔徑、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纖中。最外層是硬塑料，用來保護光纖。雙包層光纖與傳統(tǒng)的單模光纖的區(qū)別在于:通過光纖結構設計和選擇合適的材雙包層鉺鐿共摻光纖放大器的研究料，緊靠纖芯的內包層折射率高于外包層折射率，從而在單模纖芯外面形成允許在其中傳輸高功率多模泵浦光的內包層。當泵浦光沿內包層縱向傳播時，將多次穿越纖芯，從而激發(fā)稀土離子產(chǎn)生激光效應。由于允許包層中泵浦光多模傳輸，所以對泵浦源的要求大大降低，可以選擇相對便宜的多模激光二極管進行泵浦，同時由于內包層具有較大橫截面積和數(shù)值孔徑，所以大大提高了入纖泵浦功率和耦合效率。

對于采用雙胞層光纖的高功率 EYDFA，泵浦方式的選擇至關重要。為了提高泵浦光的耦合效率，得到更高的飽和輸出功率，必須選擇合適的雙包層光纖泵浦耦合技術。

隨著技術的發(fā)展，大功率激光器和光纖放大器廣泛應用與光通信，自由空間通信系統(tǒng)，光纖傳感，以及基于光纖的微波信號的傳輸和處理等領域，為了追求更大的功率輸出和增益，對于使用雙包層光纖的光纖激光器和光纖放大器，如何將泵浦光高效的耦合進雙包層光纖中，成為了制約光纖激光器和光纖放大器性能的關鍵因素。

泵浦技術，作為光纖激光器和光纖放大器的核心技術，就是要將以激光二極管 LD 或者二極管陣列 LD bar 作為光源的泵浦光功率耦合入雙包層光纖的內包層或者光纖纖芯，以獲得較高的功率輸出。

常用的有三種耦合方式:1)端面泵浦耦合，2)taper 光纖耦合，3)側面泵浦耦合，本節(jié)將論述部分典型的泵浦耦合技術，通過對工作方式和性能的比較，選擇適合本課題的泵浦耦合方式。

端面泵浦耦合

將泵浦光耦合進內包層最早提出的方法是端面泵浦耦合技術，這種技術是將LD 發(fā)出的泵浦光直接耦合進多模光纖，分直接耦合和透鏡耦合等多種方法。直接耦合是指將一根端面為平面的光纖直接靠近光源發(fā)射面，考慮到光源光束的最大發(fā)散角與接收光纖的數(shù)值孔徑角不匹配程度，一般耦合效率約為 20%，這種方式更常用于兩根相同光纖之間的耦合。

透鏡耦合是利用一組準直聚焦透鏡組和二向色反射鏡耦合系統(tǒng)，把多模抽運光耦合進雙包層光纖的內包層中，加透鏡的目的在于將光源的發(fā)射面積和發(fā)散角經(jīng)過成像靠近接收光纖的發(fā)光面積和發(fā)散角，從而提高耦合效率。從而提高耦合效率這種耦合方式在實驗室最常見，技術最簡單，但耦合效率低(約為 50%)。

端面泵浦耦合優(yōu)點是結構簡單，但是存在如下缺陷:在雙包層光纖放大器中，要將多模泵浦光和單模信號同時耦合到雙包層光纖中，就必須采用體積較大的二相色鏡來耦合，增加了成本和體積。泵浦光只能通過雙包層光纖的兩個端面注入雙包層光纖中，由于光纖端面的面積有限，所以限制了不能由 LD 陣列將高功率激光耦合到雙包層光纖中。泵浦耦合占用了端面，不能再融解其他光纖器件，只能通過分光鏡將信號光和泵浦光復用，這樣導致插入損耗增大。

此外，該方式需采用高精度的多維光纖調節(jié)系統(tǒng)，也帶來了因調節(jié)系統(tǒng)的漂移引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

有鑒于此，光纖側面泵浦耦合技術用于將泵浦光耦合進入雙包層光纖內包層的研究也逐漸展開。針對于雙包層光纖的特點先后發(fā)展了多種側面泵浦耦合技術。

Taper 耦合方式是通過錐導管把泵浦光導入雙包層光纖，泵浦光的尺寸通常都較光纖纖芯大幾個數(shù)量級，利用錐管雙端結構尺寸的不同，小的一端與光纖熔接到一起，其尺寸與光纖內包層相同。較大的一端，尺寸與泵浦 LD 尾纖尺寸相同并把泵浦光通過較大尺寸一端輸入，由導管自身的特性匯聚光束，從小尺寸一端導入光纖，最常見的錐導管是圓錐狀結構，但是錐導管的制作工藝比較復雜。

側面泵浦

1) 多模光纖熔錐側面泵浦耦合方式熔融拉錐定向耦合器又被稱作合束器。多模光纖熔融拉錐定向耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起，在高溫火焰中加熱使之熔化，同時在光纖兩端拉伸光纖，使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段，能夠將泵浦光由多模光纖輸入經(jīng)由雙包層光纖側面導入內包層，從而實現(xiàn)定向側面耦合泵浦。

光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器，采用較為成熟的熔錐法生產(chǎn)，工藝較簡單，制作周期短，適于實現(xiàn)微機控制的半自動化生產(chǎn)。但是，這種用于通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號中去。其原理決定其只能進行對輸入信號光功率分配，因此輸出的信號光功率必定小于輸入最大信號的光功率，因而無法用于實現(xiàn)光功率的擴展。由于在雙包層光纖側面耦合泵浦技術中，在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯，同時雙包層的外包層也要去除露出內包層，并且要使之能夠融合在一起，因此其生產(chǎn)工藝較為復雜，雖然已有相關專利可供查詢參考，但是最為重要的關鍵過程未見報導。

2) V 槽側面泵浦耦合

在這種方式中，雙包層光纖被剝去外包層，并粘合一塊玻璃襯底，在裸露的內包層上刻蝕出一個 V 形溝槽(溝槽不觸及纖芯)，泵浦光束經(jīng)由 V 形溝槽的內反射面?zhèn)魉瓦M入到內包層。為了使泵浦光聚焦到 V 溝槽的內反射面上，將使用一個微型透鏡對泵浦光束進行聚焦。這種方式具有高的耦合效率，封裝緊湊，可以雙向泵浦，由于可以同時刻蝕多個 V 形溝槽，所以具有可擴展性，光纖尾端不會被堵塞，光在纖芯中傳播的過程中不會引入光強度的損耗。激光二極管、聚焦透鏡、雙包層光纖，三者之間的距離對耦合效率的影響很大。在一種實現(xiàn)方式中，可以忽略微型聚焦透鏡，這樣可以顯著降低安裝的靈敏度;但是這樣的方式將導致雙向泵浦。粘合雙包層光纖與襯底的粘合劑必須具有適合的光學和物理特性，以使得粘合穩(wěn)固同時保證泵浦光能傳送到內包層中。

為了提高耦合效率，V 槽側面的面型要求能夠對泵浦光全反，此外，還需在泵浦光入射的內包層一側增加一層襯底，襯底材料的折射率應該與光纖內包層折射率相近，并且可以加鍍增透膜。利用該側面泵浦耦合技術的光線激光放大器可以得到數(shù)瓦的激光輸出。該側面泵浦耦合方式原理簡單，但工藝加工要求卻很高，因為 V 槽的側面要作為反射面，要對其進行拋光等相應處理。加工的時候還要避免對于纖芯的破壞，因此，要確保槽的精細結構。此外，由于利用了微透鏡準直，LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對位置對于耦合效率的影響較大。

3) 嵌入反射鏡式泵浦耦合

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在 V 槽側面泵浦耦合方式上的改進。首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分，然后在內包層上刻蝕出一個小槽，槽的深度足夠放入用來反射泵浦光的嵌入微反射鏡，但是距纖芯還有一定距離，以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據(jù)優(yōu)化設計的曲面，為了得到高的耦合效率，其反射面事先鍍上了高反率的膜層，入射面鍍了對泵浦光的增透膜。該技術中采用了光學膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內包層粘接固定，同時光學膠還作為折射率匹配介質用來降低界面的反射損耗。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了 V 槽側面泵浦耦合要求利用側面作為反光面的方式，因此，對于槽的加工要求大大降低，但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。

光纖放大器一般由種子源、抽運源、增益介質光纖、光隔離器及耦合系統(tǒng)等部分組成。雙包層光纖放大器的獨特之處在于其增益介質為雙包層光纖，由摻雜纖芯、內包層、外包層、保護層4 部分組成，與常規(guī)光纖相比，多了一個可以傳輸抽運光的內包層。纖芯由摻稀土元素的SiO2 構成，它作為產(chǎn)生激光的波導，一般情況下是單模的;內包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑都比纖芯大得多、折射率比纖芯小的SiO2構成，是抽運光通道，對抽運光波長來說是多模的，用以傳輸高功率的抽運光。抽運光從一端通過耦合系統(tǒng)進入雙包層光纖，在內包層傳輸過程中，以折射方式反復穿越纖芯，被摻雜離子吸收，形成粒子數(shù)反轉以實現(xiàn)增益;信號光在另一端耦合進入纖芯，最終獲得高功率、光束質量好的放大激光輸出。

雙包層光纖放大器采用的是行波放大的原理。纖芯中的摻稀土離子在抽運光作用下，處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)，當信號光通過纖芯時，由于信號光頻率與雙包層光纖的增益譜線相重合，故激發(fā)態(tài)上的粒子在外來信號光的作用下產(chǎn)生受激輻射，這種輻射疊加到外來信號光上而得到放大。

單頻、高功率激光在激光雷達、光譜學、精密測量等領域有非常廣泛的應用。與其他獲得單頻、高功率激光的方法(如傳統(tǒng)的行波放大、注入鎖定)相比，光纖放大具有體積小、結構簡單、可控性和輸出頻譜特性好等優(yōu)點。隨著包層抽運技術的出現(xiàn)，單頻光纖放大器的轉換效率得到大幅度提高，在高功率和光頻特性良好的激光束方面因其獨特的優(yōu)勢而成為人們研究的熱點。

國外在單頻光纖放大器方面的工作開展較早，并已取得顯著的成績。1999 年漢諾威激光中心的Zawischa I 等利用摻N光纖放大獲得了波長1064 nm、功率5.5 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為35%。其種子源為單塊非平面環(huán)形腔激光器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數(shù)值孔徑(NA)0.11;內包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長30 m，并纏繞在直徑為22cm 的圓盤上，以抑制高階模式，獲得單模輸出。

2003 年，德國Liem A 等[2]報道了利用摻Yb3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。采用大模場面積(LMA)雙包層光纖，芯徑30mm，NA0.06;內包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38，光纖長度為9.4m。以NPRO 為種子源，其最高輸出功率為1.6 W，光束質量因子M2 約1.1，線寬2~3 kHz，波長1064 nm。當入纖抽運光為175W，信號光為1.6 W時，實驗獲得100 W 的單頻輸出，光原光轉換效率為63%。

作為當今光電信息領域較前沿的方向之一，脈沖雙包層光纖放大器日益成為國際上研究的熱點。國外主要有英國的南安普頓大學光電研究中心、德國耶拿大學應用物理研究所、美國密歇根州大學和美國的IPG等對此進行了相關研究。在國內，脈沖雙包層光纖放大器的研究起步較晚，主要的研究單位有中科院上海光機所、清華大學、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。上海光機所、中國電子科技第十一所和清華大學對MOPA 方式的脈沖光纖放大器進行了理論和實驗研究，并取得了重要進展。

2002 年，德國Limpert J 等報道了利用MOPA 技術獲得納秒脈沖的方法。以調Q Nd:YAG 薄片激光器作種子源，平均功率為6W，重復頻率3~50 kHz，脈沖寬度70~300 ns，最大單脈沖能量0.6mJ。所用光纖是長25 m 的大模場面積(LMA)光纖，纖芯直徑30mm，NA0.06;內包層為D 型，直徑400 mm，NA0.38。抽運源為中心波長976 nm 的半導體激光器(LD)，通過一45毅雙色片將抽運光從雙包層光纖的一端耦合進入雙包層光纖的內包層，種子光從另一端耦合進入雙包層光纖的纖芯。采用上述方法，在1064 nm 處實現(xiàn)了最大平均功率100 W 的激光輸出，光原光轉換效率為71%，重復頻率50 kHz，單脈沖能量2mJ，脈沖寬度80 ns，脈沖占空比為4伊10-3。重復頻率為3 kHz時，單脈沖能量4 mJ，脈寬壓縮為50 ns。2005 年4 月，上海光機所以4 m長的國產(chǎn)高摻雜濃度摻Yb3+雙包層光纖(纖芯43 mm，NA0.08;D 形內包層650 mm/600mm，NA0.38，Yb3 +摻雜濃度為0.65%)作為放大介質，以調Q 脈沖激光器作為種子源(最大輸出平均功率為1 W，頻率20耀100kHz 可調，波長在1064 nm)，在種子光功率為1 W 左右時，獲得高功率放大脈沖激光輸出[4]。實驗裝置如圖2 所示。在重復頻率為100 kHz 時，測得放大脈沖激光的平均功率最高達133.8 W，脈沖寬度400 ns，脈沖占空比為4伊10-2，斜率效率為56%，光原光轉換效率53%。重復頻率在20耀100 kHz 可調，在60 kHz 重復頻率時，典型的脈沖寬度為30 ns。

2005 年，美國密歇根州大學以單模LD 為種子光源，采用多級光纖放大的方式，獲得了高脈沖能量的光纖激光輸出。重復頻率小于100 Hz，脈寬500 ns 時的脈沖能量高達82 mJ，脈沖占空比為5伊10-5;脈寬50 ns 時，脈沖能量為27 mJ (對應的重復頻率為25 Hz);脈寬4 ns 時，脈沖能量為9.6 mJ。前兩級為常規(guī)單模光纖放大，第三級為預放，采用大模場直徑的多模光纖(纖芯50 mm，NA0.06;六角形內包層350 mm，NA0.45)，1064 nm 的小信號增益達27 dB。最后一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖，纖芯直徑達200 mm(但摻雜直徑為100 mm)，NA0.062，內包層為八角形，尺寸600 mm，NA0.46，光纖長度為3.5 m。除納秒級脈沖光纖放大器外，國內外研究機構也對皮秒級脈沖光纖放大器的研制做了有益探索，并取得了突破性進展。2006年，英國南安普頓大學光電研究中心以增益可調的單縱模LD 為種子源，采用四級光纖放大方式，在1064 nm 處獲得了平均功率超過300 W 的脈沖激光輸出，脈寬20 ps，脈沖占空比為2伊10-2，M2為2.4。這是迄今為止國內外報道的功率最高的皮秒級脈沖光纖放大器。種子源為增益可調的單縱模LD，重復頻率為1 GHz，能產(chǎn)生波長1060 nm，脈寬為56 ps 的脈沖。種子源由一個連續(xù)分布反饋式(DFB)光纖激光器驅動，使之維持單縱模運轉。

通過一個啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)，脈寬被壓縮為20 ps。前三級為常規(guī)單模光纖預放，最后一級功率放大所用的是粗芯雙包層光纖， 纖芯直徑43 mm，NA0.09，內包層為D 形，尺寸650mm/600 mm，光纖長度為8 m。光纖兩端都磨拋成10毅的傾斜角，以抑制放大的自發(fā)輻射(ASE)。同國外報道結果相比，我國的脈沖光纖激光研究同國際水平已經(jīng)接近，在某些技術指標上已經(jīng)居于領先水平;但在最高峰值功率方面還有較大差別。尤其在低重復頻率的脈沖激光實驗中，由于他們采用了200 mm 纖芯的放大光纖，纖芯面積增大，激光損傷閾值提高，因而可承受和提供更高的峰值激光功率。但在重復頻率相近的高重頻方面，國內的峰值功率水平和國外相差不大。