鉺鐿共摻雙包層光纖概述

摻雜光纖放大器

摻雜光纖放大器通常是摻雜稀土元素(如釹、鉍或鐠),光纖的基礎(chǔ)材料可以是氟化物玻璃、標(biāo)準(zhǔn)的石英或碲酸鹽玻璃。放大器的工作波長(zhǎng)范圍與基礎(chǔ)材料和摻入元素有關(guān)。長(zhǎng)途電信系統(tǒng)中最常用的光纖放大器是摻銀光纖放大器,其摻雜少量銀元素。DFA主要包括以下幾個(gè)部分:泵浦光源、稱合器、活性介質(zhì)摻雜光纖、濾波器和光隔離器等。泵浦光通過(guò)光親合器入射到摻雜光纖中,將大部分的基態(tài)離子泵浦到激發(fā)態(tài),對(duì)于三能級(jí)系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)的離子會(huì)迅速無(wú)福射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)。離子的亞穩(wěn)態(tài)壽命相對(duì)較長(zhǎng)(達(dá)到毫秒量級(jí))以至于亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的粒子數(shù)形成反轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果信號(hào)光通過(guò)此摻雜光纖,在受激輻射作用下會(huì)產(chǎn)生大量與自身狀態(tài)完全相同的光子,使得光信號(hào)的功率增大。WDM將泵浦光和信號(hào)光親合進(jìn)摻雜光纖,光隔離器可以保證光的單向傳輸,濾波器可以過(guò)濾掉放大器本身產(chǎn)生的自發(fā)福射以降低系統(tǒng)的引入的噪聲。

摻稀土離子石英光纖放大器和激光器因體積小、光束穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。摻鉺光纖激光器與放大器由于其運(yùn)轉(zhuǎn)波長(zhǎng)與光通訊的第三窗口(1. 55μm)相一致, 近幾年發(fā)展迅速, 但由于隨著鉺濃度的進(jìn)一步提高, E r3 +會(huì)發(fā)生聚集, 引發(fā)E r3 +對(duì)的上轉(zhuǎn)換效應(yīng), 導(dǎo)致成對(duì)濃度淬滅, 直接影響了EDFA 的泵浦轉(zhuǎn)換效率和增益提 。同時(shí), 單純摻鉺光纖激光器使用的泵源受波長(zhǎng)限制。隨著研究的深入, 人們發(fā)現(xiàn)如果在Er3 +光纖中同時(shí)摻入Yb3 + , 由于Yb3 +具有很寬的吸收帶(800 ~ 1064nm)和相當(dāng)寬的激發(fā)帶, 而且Yb3 +的吸收截面比E r3 +大得多, 不會(huì)出現(xiàn)濃度淬滅, 可以達(dá)到較高的Yb3 +濃度, 不會(huì)出現(xiàn)邊緣效應(yīng), 容易吸收980nm 附近的泵浦能量, 從而提高E r3 +的摻雜濃度, 縮短光纖的長(zhǎng)度。特別是Yb的2F5 /2的能帶和E r的4 I11 /2能帶非常接近, 而且E r的4 I11 /2能帶上壽命比Yb的2F5 /2的能帶上的壽命短的多, 所以其離子能量很容易從Yb的2F 5 /2的能帶轉(zhuǎn)移到E r 的4 I11 /2 能帶上, 再無(wú)輻射躍遷到4 I13 /2 。最后輻射出光子, 回到4 I15 /2 。同時(shí)利用鐿吸收曲線的長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的吸收, 拓寬了泵浦光源的范圍, 除了使用980nm泵浦源外, 可以使用輻射1053nm 波長(zhǎng)的大功率Nd∶YLF固體激光器作泵浦源, 大大提高了EDFA 的輸出功率。采用雙包層結(jié)構(gòu)的Er -Yb共摻雙包層光纖, 泵浦源輸出的泵浦光直接耦合入直徑為幾十到幾百微米的內(nèi)包層中, 比傳統(tǒng)的EDFA耦合面積增加了2 個(gè)數(shù)量級(jí), 耦合效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的EDFA, 所以E r -Yb共摻雙包層光纖的研究成為目前的研究熱點(diǎn)。

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)。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。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?？梢宰龅妮^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。

一般地，通過(guò)增加 Er3+的摻雜濃度，不但可以提高 EDFA 的輸出功率;還可以減少 EDFA 中摻鉺光纖(EDF)的材料費(fèi)用，降低其成本。因此，對(duì) EDF 進(jìn)行高濃度摻雜是必要的。但是，隨著 EDF 中 Er3+濃度的增加，鉺離子對(duì)(Er3+/Er3+)會(huì)發(fā)生合作上轉(zhuǎn)換(cooperative up conversion)，導(dǎo)致成對(duì)受激碎滅(PIQ)現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象將直接影響 EDFA 的泵浦轉(zhuǎn)換效率和增益特性，從而抑制了 EDFA 輸出功率的提高。

為了解決 Er3+濃度的增加與輸出功率提高之間的矛盾，人們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變纖芯中稀土元素的成分能有效地抑制 PIQ，從而很好地解決了這對(duì)矛盾。其中，最有效的一種方法是在 EDF 纖芯中加人 Yb3+離子，使更多的 Er3+以離子對(duì)(Er3+/Yb3+)的形式存在，能有效地抑制 PIQ，使 Er3+亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)大大增加，能量轉(zhuǎn)換更加有效。這是因?yàn)椋琘b3+在硅晶中的溶解度與 Er3+離子一樣低，由于它們具有相同的離子半徑，在硅晶中聚集在一起，大量的聚集發(fā)生在一個(gè) Er3+和多個(gè)Yb3+之間，這樣，每個(gè) Er3+的周圍有多個(gè) Yb3+使得 Er3+相互間距增大，能量轉(zhuǎn)換更加有效，因此，抑制了由 Er3+聚集引起的 PIQ。實(shí)驗(yàn)研究證明，在 EDF 中，Er3+重量濃度為 1000ppm 時(shí)，出現(xiàn)明顯的成對(duì)受激碎滅現(xiàn)象，比較而言，鉺鐿共摻光纖(EYDF )當(dāng) Er3+離子的重量濃度高達(dá) 2000ppm 時(shí)，明顯的成對(duì)受激碎滅并沒(méi)有發(fā)生，由此說(shuō)明，鉺鐿共摻可以提高 Er3+的摻雜濃度。

與輸出功率提高之間的矛盾;而且，Yb3+的加入使得 EYDF 具有更寬、更高的受激吸收光譜。這就允許包層泵浦 Er/Yb 共摻光纖放大器在較寬的波長(zhǎng)范圍選擇合適的泵浦光源。Yb3+吸收 800-1100nm 波帶的泵浦光從基態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài);利用 Yb3+的敏化作用，Yb3+亞穩(wěn)態(tài)的能量傳給 Er3+的基態(tài)能級(jí)，使 Er3+受激躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)，Yb3+返回到基態(tài)能級(jí);處于激發(fā)態(tài)能級(jí)的 Er3+極不穩(wěn)定，通過(guò)無(wú)輻射過(guò)程，躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。這時(shí)，處于亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和基態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)一旦達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件，在人射信號(hào)光的激勵(lì)下，受激輻射出與人射信號(hào)光相干的光子，使信號(hào)光得以放大。

通常，由于 Er3+的激發(fā)態(tài)能級(jí)上粒子的壽命極短，從 Er3+到 Yb3+的能量傳遞過(guò)程可以忽略不計(jì)。考慮到 Er3+與周圍 Yb3+離子成對(duì)的情況，必須選取 Er3+與 Yb3+的總的粒子濃度 N[er]和 N[yb]。如果 N[er]/N[yb]比率太小，Er3+聚集將發(fā)生，從Yb/Er 能量傳遞的效率較低。相反，N[er]/N[yb]比率太大，Yb3+也要發(fā)生聚集，這樣就無(wú)能量傳遞給 Er3+，且白白消耗了泵浦能量，降低了光纖放大器的效率。因此，一般取 N[yb]的濃度為 N[Er]的 10 多倍。