鉺鐿共摻光纖放大器3Er/Yb共摻雙包層光纖放大器特性分析

光纖通信網(wǎng)絡(luò)、自由空間激光通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療、科研、軍工等領(lǐng)域，對(duì)高功率 1.5μm 波段光纖放大器和激光器的需求不斷增加。傳統(tǒng)摻鉺光纖放大器(EDFA)，雖然工作在這個(gè)波段，但受到纖芯直徑小和摻雜離子濃度低的限制，單個(gè) EDFA 的輸出功率較低。Er/Yb 共摻技術(shù)和雙包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)，為高功率輸出提供了可能。 Er/Yb 共摻雙包層光纖也已經(jīng)出現(xiàn)，并得到了廣泛研究。可以說(shuō)，這種光纖出現(xiàn)的推動(dòng)力，就是對(duì)更高功率的需求。很有必要對(duì)這種光纖放大器所能達(dá)到的功率水平、連續(xù)光和脈沖光放大時(shí)的典型特點(diǎn)：斜率效率、噪聲指數(shù)、增益曲線、ASE 功率分布、功率轉(zhuǎn)化效率等進(jìn)行分析，考察其功率進(jìn)一步提升的限制因素，為更好地進(jìn)行以其為基礎(chǔ)的高功率光纖放大器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

Er/Yb 共摻雙包層光纖，由纖芯、內(nèi)包層、外包層構(gòu)成，其折射率從內(nèi)到外是依次減小的。纖芯直徑與單模光纖直徑相吻合，信號(hào)光在纖芯中傳輸，保證其單模傳輸。摻雜離子在纖芯中，通常 Yb 離子的摻雜濃度要高于 Er 離子，形成一個(gè) Er 離子周圍被若干個(gè) Yb 離子所包圍的局面，從而阻斷了在 Er 離子濃度提高時(shí)，Er 離子互相過(guò)于靠近而形成離子對(duì)的情況，允許 Er 離子摻雜濃度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通 EDFA 的摻雜濃度，這就意味著光纖儲(chǔ)能的增大和輸出功率的增大。內(nèi)包層直徑通常在 100μm-200μm 之間，為20泵浦光傳輸波導(dǎo)層，這是雙包層光纖區(qū)別于普通光纖的典型特點(diǎn)：泵浦光進(jìn)入橫截面積是纖芯幾十到幾百倍的內(nèi)包層中，允許采用大功率，多模泵浦光，且增加了泵浦光耦合效率、降低了耦合損耗和耦合難度。泵浦光進(jìn)入內(nèi)包層后，在外包層和內(nèi)包層的邊界處產(chǎn)生全內(nèi)反射，可以往返不斷地經(jīng)過(guò)纖芯，激活纖芯摻雜離子，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)纖芯中經(jīng)過(guò)的信號(hào)光產(chǎn)生受激放大。理論和實(shí)際都證明，內(nèi)包層形狀如果仍采用傳統(tǒng)光纖中的圓形，會(huì)產(chǎn)生很多圍繞著光纖軸向傳輸?shù)幕⌒喂猓瑢?dǎo)致大量泵浦光無(wú)法經(jīng)過(guò)纖芯而浪費(fèi)掉，當(dāng)今的雙包層光纖，內(nèi)包層通常做成 D 形或者六邊形，可以保證泵浦光充分通過(guò)纖芯，有利于纖芯摻雜離子對(duì)其進(jìn)行有效地吸收利用。

鉺鐿共摻光纖放大器Er/Yb共摻能級(jí)結(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系

Er/Yb 共摻系統(tǒng)中的能級(jí)結(jié)構(gòu)包括了 Er 離子和 Yb 離子兩個(gè)能級(jí)系統(tǒng)，Yb 離子為簡(jiǎn)單的二能級(jí)結(jié)構(gòu)，在 Er/Yb 共摻系統(tǒng)中，因?yàn)橐粋€(gè) Er 離子周圍被若干個(gè) Yb 離子所包圍，所以 Er 離子直接吸收泵浦光被激活的幾率很小，主要吸收泵浦光能量的是 Yb 離子，且 Yb 離子作為主要能量吸收離子，吸收譜線非常寬(800nm-1100nm)，在主要的幾個(gè)泵浦激光器工作波長(zhǎng)：915nm 和980nm 處都有很高的吸收峰，這使得對(duì)泵浦激光器的譜寬要求大大降低，可以采用已經(jīng)商用的、成本較低的多模大功率泵浦激光器模塊，滿足高功率信號(hào)光輸出要求。Yb 離子在泵浦光作用下產(chǎn)生受激吸收，而躍遷到上能級(jí)2F5/2，Yb 離子在這個(gè)能級(jí)的壽命為 1.5ms，接下來(lái)通過(guò)敏化作用，處于上能級(jí)的 Yb 離子將能量傳遞給基態(tài)(4I15/2)Er 離子，使其產(chǎn)生受激吸收而躍遷至高能態(tài)4I11/2，Er 離子在這個(gè)能級(jí)的壽命非常短，僅為 1ns，所以迅速通過(guò)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2，Er離子在亞穩(wěn)態(tài)的壽命很長(zhǎng)，為 10ms，可以形成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)信號(hào)光通過(guò)時(shí)，即可產(chǎn)生受激輻射光放大。Er 離子4I 13/2能級(jí)上存在著能量上轉(zhuǎn)換過(guò)程，21 部分激活離子躍遷到4I9/2能級(jí)，再經(jīng)過(guò)兩次無(wú)輻射躍遷過(guò)程回到亞穩(wěn)態(tài)。Yb 離子將能量傳遞給 Er 離子的同時(shí)，失去能量回落到基態(tài)。這里要注意兩點(diǎn)，一是因?yàn)?Yb 離子首先被激活，在其兩能級(jí)間也會(huì)存在一定的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形成 Yb 波段（1.06μm）的自發(fā)輻射光，后文可以看到，在高功率泵浦時(shí)，這個(gè)波段的自發(fā)輻射光會(huì)對(duì)放大器的輸出功率產(chǎn)生比較嚴(yán)重的限制。另一點(diǎn)，因?yàn)?Er離子在亞穩(wěn)態(tài)壽命較長(zhǎng)，存在著能量向 Yb 離子的反向回傳，這個(gè)機(jī)制也會(huì)造成儲(chǔ)能的一部分浪費(fèi)，所以在考慮放大器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該合理的選擇輸入信號(hào)光能量，以便盡可能多的消耗 Er 離子的上能級(jí)粒子數(shù)，減小能量回傳。

光纖放大器的最初出現(xiàn)是為了適應(yīng)光通訊的發(fā)展要求，而通訊系統(tǒng)中傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率一般較低：微瓦(μW)到幾十毫瓦(mW)量級(jí)。目前單級(jí) EDFA 輸出的最大功率約為 23dBm，可以滿足傳統(tǒng)的干線長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用。近年來(lái)，隨著光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向局域網(wǎng)、接入網(wǎng)的發(fā)展，光纖距離最終用戶的距離越來(lái)越近，很多情況下已經(jīng)是光纖直接連接到用戶。特別是隨著近年來(lái)光纖到戶(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)、光纖有線電視傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模鋪設(shè)應(yīng)用。在這些新興系統(tǒng)中，用戶數(shù)從幾百到幾千甚至上萬(wàn)個(gè)，功率預(yù)算非常高，這對(duì)光纖放大器的輸出功率提出了更高的要求。EDFA 雖然成功應(yīng)用在了長(zhǎng)途干線傳輸系統(tǒng)中，但在上述新型網(wǎng)絡(luò)形態(tài)下輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到系統(tǒng)要求。采用多臺(tái) EDFA 級(jí)聯(lián)可以提高輸出功率，但必然增加系統(tǒng)成本、復(fù)雜性并降低系統(tǒng)可靠性，同時(shí)會(huì)附加更多的自發(fā)輻射(ASE)噪聲，使得系統(tǒng)性能劣化。另外在越來(lái)越多的激光加工、激光打標(biāo)、激光武器、空間激光通訊、非線性頻率變換方面，需要幾瓦到幾百瓦高功率連續(xù)或峰值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脈沖激光輸出，迫切需要能夠支持高功率放大信號(hào)輸出的光纖放大器。

EDFA 的增益光纖采用的是纖芯摻入鉺離子的普通單模光纖，纖芯直徑在8~10μm 之間，包層直徑一般為 125μm，泵浦光和信號(hào)光同時(shí)在纖芯中傳輸。要提高 EDFA 的輸出功率，可以提高泵浦功率，但由于纖芯直徑很小，數(shù)值孔徑也較小(0.1~0.2)，導(dǎo)致能夠有效耦合進(jìn)入纖芯的泵浦功率僅為幾百毫瓦左右；另一方面，可以通過(guò)提高鉺離子的摻雜濃度來(lái)提高增益光纖的儲(chǔ)能，但在鉺離子濃度過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)濃度淬滅現(xiàn)象，導(dǎo)致高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) EDFA 工作失效。以上兩個(gè)原因限制了 EDFA 輸出功率向高功率的提升。

隨著新型光纖理論和制造技術(shù)的不斷提升、對(duì)高功率放大器增益光纖的巨大需求、包層泵浦技術(shù)和離子共摻技術(shù)的出現(xiàn)、以及大功率多模半導(dǎo)體泵浦激光器的出現(xiàn)可以很好的解決上述問(wèn)題。

雙包層光纖，采用纖芯、內(nèi)包層和外包層結(jié)構(gòu)，主要是引入了直徑較大的內(nèi)包層，內(nèi)包層數(shù)值孔徑通常可以做的較高，允許大功率泵浦光直接耦合到直徑為幾十 μm 到幾百 μm 的內(nèi)包層，比傳統(tǒng)光纖的耦合面積增加了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此入纖功率和耦合效率都大大得到提高。纖芯直徑仍然保持單模光纖的水平以保持較好的光束質(zhì)量，同時(shí)纖芯摻入激活離子。泵浦光耦合入內(nèi)包層，在內(nèi)包層與外包層的交接處發(fā)生全內(nèi)反射，反復(fù)通過(guò)并激活纖芯離子，當(dāng)信號(hào)光通過(guò)纖芯時(shí)即通過(guò)受激輻射得到增益放大。 在基于雙包層光纖的大功率激光放大器研制方面，起步最早的是摻鐿光纖放大器。因?yàn)殍O離子為簡(jiǎn)單的雙能級(jí)結(jié)構(gòu)，不存在激發(fā)態(tài)吸收和能量上轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

鐿離子具有很寬的泵浦吸收帶(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波長(zhǎng) 915nm 和975nm 處具有很強(qiáng)的吸收峰，對(duì)泵浦波長(zhǎng)的帶寬限制并不明顯，可以采用成本較低的多模大功率泵浦激光器。在這些泵浦波段，商用化的半導(dǎo)體多模泵浦激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到了千瓦量級(jí)。采用較短的光纖即可對(duì)泵浦光產(chǎn)生有效地吸收，導(dǎo)致?lián)借O高功率光纖放大器的斜率效率非常高，可以超過(guò) 80%。因此摻鐿高功率光纖放大器備受青睞，在各方面努力下，各項(xiàng)指標(biāo)也不斷得到優(yōu)化提高。連續(xù)光放大單纖平均功率超過(guò)了 1 萬(wàn)瓦，而脈沖放大峰值功率更是達(dá)到了兆瓦(MW)量級(jí)。在國(guó)家級(jí)應(yīng)用層面，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA)在其主持的星際光通信計(jì)劃中也采用了摻鐿雙包層光纖作為放大介質(zhì)，得到了峰值功率 1.6kW、平均功率 10W、脈沖重復(fù)頻率在 3-30MHz，接近衍射極限的脈沖光束輸出。 伴隨著高功率光纖激光器的進(jìn)步，一些新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)。特別是近些年興起的光接入網(wǎng)、自由空間光通訊、激光雷達(dá)、地球引力波探測(cè)、地面搜索、激光測(cè)距等方面，需要 1.5μm 波段高功率連續(xù)或脈沖光纖放大器。摻鐿高功率光纖放大器盡管在技術(shù)上比較成熟，但其工作在 1.06μm 波段，在需要 1.5μm 波段的這些應(yīng)用中顯得力不從心。人眼在 1.5μm 波段的損傷閾值要比 1.06?m 波段高4 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，具有“人眼安全”的特點(diǎn)，這在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、遙感、空間通信等需要人員參與的領(lǐng)域有重要意義，所以人們?cè)絹?lái)越多的開(kāi)始關(guān)注并發(fā)展高功率 1.5μm 波段光纖放大器。

單獨(dú)摻雜鉺的增益光纖由于受到濃度淬滅效應(yīng)的影響，無(wú)法滿足高功率運(yùn)行要求。在雙包層光纖包層泵浦理念的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了鉺鐿（Er/Yb）共摻雙包層光纖。這種雙包層增益光纖因?yàn)殍O離子濃度大于鉺離子濃度，使得一個(gè)鉺離子被多個(gè)鐿離子包圍，避免了鉺離子的簇聚，同時(shí)提高了鉺離子的摻雜濃度。在這種摻雜光纖中是由鐿離子先吸收泵浦光，然后通過(guò)敏化作用激發(fā)鉺離子，形成鉺波段粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而充分利用了鐿離子吸收帶很寬、泵浦吸收系數(shù)大、允許高功率多模泵浦的優(yōu)點(diǎn)。Er/Yb共摻雙包層光纖放大器的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)工作在 1.5μm 波段 (2)高輸出功率 (3)較高的能量轉(zhuǎn)化效率 (4)高峰值功率，高重復(fù)頻率的脈沖輸出 (5)通過(guò)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)接近衍射極限的光束質(zhì)量。 在激光定位、遠(yuǎn)程傳感、成像和照明等領(lǐng)域需要高功率、脈寬在幾十個(gè) ns、重復(fù)頻率為幾十 kHz 的光脈沖，并且需要脈沖光纖放大器能夠產(chǎn)生幾百 kW 到幾 MW 的峰值功率。 高峰值功率同樣廣泛應(yīng)用于材料處理、激光打標(biāo)和高次諧波的產(chǎn)生中?；谶@些，尤其是光纖通信與衛(wèi)星激光通信的巨大需求，Er/Yb 共摻雙包層光纖放大器最近幾年得到了比較廣泛的研究也取得了很多進(jìn)展，很多文獻(xiàn)報(bào)道了 1.5μm 波段脈沖放大器和激光器。

隨著光纖通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，在長(zhǎng)途通信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)以及海底光纜通訊中需要傳輸?shù)墓庑盘?hào)距離在幾千公里甚至幾萬(wàn)公里。由于光纖本身對(duì)其中傳輸?shù)募す庑盘?hào)存在衰減作用，先進(jìn)的光纖制造和提純技術(shù)不斷出現(xiàn)，使得光信號(hào)損耗不斷降低，最新型的通信光纖損耗約為 0.18dB/km。但線路中的很多光學(xué)器件如復(fù)用器和耦合器等會(huì)引入損耗，因此在長(zhǎng)距離光傳輸中仍然需要中繼放大來(lái)補(bǔ)償衰減，獲得可以被接收端識(shí)別的光信噪比。傳統(tǒng)中繼放大采用復(fù)雜的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電信號(hào)領(lǐng)域進(jìn)行整形放大后轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行傳輸，成本昂貴、線路維護(hù)復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性大大降低。這種局面在摻鉺光纖放大器(EDFA)出現(xiàn)并在 1987 年成功商用后得到了徹底改變。EDFA 本身就是一段摻鉺光纖，可以與通信用光纖完美融合，并且恰好工作在光纖低損耗的 C 波段(1530nm-1560nm)和 L 波段(1560nm-1610nm)，在光域就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的中繼放大。因此，光纖放大器的出現(xiàn)徹底改變了光纖通訊的面貌，成為其發(fā)展史上的里程碑。伴隨著對(duì)光纖放大器理論的深入研究和持續(xù)創(chuàng)新實(shí)踐，各種新型光纖放大器不斷出現(xiàn)，包括基于受激輻射原理的摻雜光纖放大器；基于光纖非線性效應(yīng)的受激布里淵光纖放大器和受激拉曼光纖放大器等。