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鉺鐿共摻光纖放大�
閱讀�3449�(shí)間:2020-10-27 10:47:53

Er/Yb 共摻技�(shù)和雙包層泵浦技�(shù)的出�(xiàn),為高功率輸出提供了可能�

鉺鐿共摻雙包層光�

光纖放大器的最初出�(xiàn)是為了適�(yīng)光通訊的發(fā)展要�,而通訊系統(tǒng)中傳�?shù)墓庑�?hào)功率一般較低:微瓦(μW)到幾十毫�(mW)量級(jí)。目前單�(jí) EDFA 輸出的最大功率約� 23dBm,可以滿(mǎn)足傳�(tǒng)的干�(xiàn)�(zhǎng)距離光纖�(wǎng)�(luò)傳輸?shù)�?yīng)�。近年來(lái),隨著光纖網(wǎng)�(luò)�(jìn)一步向局域網(wǎng)、接入網(wǎng)的發(fā)�,光纖距離最終用�(hù)的距離越�(lái)越近,很多情況下已經(jīng)是光纖直接連接到用�(hù)。特別是隨著近年�(lái)光纖到戶(hù)(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、無(wú)源光�(wǎng)�(luò)(PON)、光纖有�(xiàn)電視傳輸系統(tǒng)的大�(guī)模鋪�(shè)�(yīng)�。在這些新興系統(tǒng)中,用戶(hù)�(shù)從幾百到幾千甚至上萬(wàn)�(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�(yīng)用在了長(zhǎng)途干�(xiàn)傳輸系統(tǒng)中,但在上述新型�(wǎng)�(luò)形態(tài)下輸出功率遠(yuǎn)�(yuǎn)不能�(dá)到系�(tǒng)要求。采用多�(tái) EDFA �(jí)�(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�,同�(shí)�(huì)附加更多的自�(fā)輻射(ASE)噪聲,使得系�(tǒng)性能劣化。另外在越來(lái)越多的激光加�、激光打�(biāo)、激光武�、空間激光通訊、非�(xiàn)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�(MW)的脈沖激光輸�,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�8~10μm 之間,包層直徑一般為 125μm,泵浦光和信�(hào)光同�(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�(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�(lái)提高增益光纖的儲(chǔ)�,但在鉺離子濃度�(guò)高時(shí)�(huì)出現(xiàn)濃度淬滅�(xiàn)�,導(dǎo)致高功率�(yùn)�(zhuǎn)�(shí) EDFA 工作失效。以上兩�(gè)原因限制� EDFA 輸出功率向高功率的提升�

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

雙包層光�,采用纖�、內(nèi)包層和外包層�(jié)�(gòu),主要是引入了直徑較大的�(nèi)包層,內(nèi)包層�(shù)值孔徑�??梢宰龅妮^�,允許大功率泵浦光直接耦合到直徑為幾十 μm 到幾� μm 的內(nèi)包層,比傳統(tǒng)光纖的耦合面積增加� 2 �(gè)�(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�(zhì)�,同�(shí)纖芯摻入激活離�。泵浦光耦合入內(nèi)包層,在�(nèi)包層與外包層的交接處�(fā)生全�(nèi)反射,反�(fù)通過(guò)并激活纖芯離�,當(dāng)信號(hào)光通過(guò)纖芯�(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�(jí)�(jié)�(gòu),不存在激�(fā)�(tài)吸收和能量上�(zhuǎn)換問(wèn)��

鐿離子具有很寬的泵浦吸收�(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波�(zhǎng) 915nm �975nm 處具有很�(qiáng)的吸收峰,對(duì)泵浦波長(zhǎng)的帶寬限制并不明�,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�(dǎo)體多模泵浦激光器的輸出功率已�(jīng)�(dá)到了千瓦量級(jí)。采用較短的光纖即可�(duì)泵浦光產(chǎn)生有效地吸收,導(dǎo)�?lián)借O高功率光纖放大器的斜率效率非常高,可以超�(guò) 80%。因此摻鐿高功率光纖放大器備受青�,在各方面努力下,各�(xiàng)指標(biāo)也不斷得到優(yōu)化提�。連續(xù)光放大單纖平均功率超�(guò)� 1 �(wàn)瓦,而脈沖放大峰值功率更是達(dá)到了兆瓦(MW)量級(jí)。在�(guó)家級(jí)�(yīng)用層�,美�(guó)�(guó)家航空航天局(NASA)在其主持的星際光通信�(jì)劃中也采用了摻鐿雙包層光纖作為放大介�(zhì),得到了峰值功� 1.6kW、平均功� 10W、脈沖重�(fù)頻率� 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�(jìn)�,一些新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷出�(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�(dá)、地球引力波探測(cè)、地面搜�、激光測(cè)距等方面,需� 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�(shù)上比較成�,但其工作在 1.06μm 波段,在需� 1.5μm 波段的這些�(yīng)用中顯得力不從心。人眼在 1.5μm 波段的損傷閾值要� 1.06?m 波段�4 �(gè)�(shù)量級(jí)以上,具有“人眼安全”的特點(diǎn),這在激光測(cè)�、激光雷�(dá)、遙�、空間通信等需要人員參與的�(lǐng)域有重要意義,所以人�?cè)�?lái)越多的開(kāi)始關(guān)注并�(fā)展高功率 1.5μm 波段光纖放大��

單獨(dú)摻雜鉺的增益光纖由于受到濃度淬滅效應(yīng)的影�,無(wú)法滿(mǎn)足高功率�(yùn)行要�。在雙包層光纖包層泵浦理念的基礎(chǔ)上出�(xiàn)了鉺�(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�,使得一�(gè)鉺離子被多�(gè)鐿離子包圍,避免了鉺離子的簇�,同�(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�(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�(shù)�、允許高功率多模泵浦的優(yōu)�(diǎn)。Er/Yb共摻雙包層光纖放大器的主要優(yōu)�(shì)體現(xiàn)在以下幾�(gè)方面�(1)工作� 1.5μm 波段 (2)高輸出功� (3)較高的能量轉(zhuǎn)化效� (4)高峰值功�,高重復(fù)頻率的脈沖輸� (5)通過(guò)�(yōu)化可以實(shí)�(xiàn)接近衍射極限的光束質(zhì)�� 在激光定位、遠(yuǎn)程傳�、成像和照明等領(lǐng)域需要高功率、脈寬在幾十�(gè) ns、重�(fù)頻率為幾� kHz 的光脈沖,并且需要脈沖光纖放大器能夠�(chǎn)生幾� kW 到幾 MW 的峰值功�� 高峰值功率同樣廣泛應(yīng)用于材料處理、激光打�(biāo)和高次諧波的�(chǎn)生中?;谶@些,尤其是光纖通信與衛(wèi)星激光通信的巨大需�,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�(jìn)�,很多文�(xiàn)�(bào)道了 1.5μm 波段脈沖放大器和激光器�

Er/Yb 共摻雙包層光纖放大器特性分�

光纖通信�(wǎng)�(luò)、自由空間激光通信、激光雷�(dá)、醫(yī)�、科研、軍工等�(lǐng)�,對(duì)高功� 1.5μm 波段光纖放大器和激光器的需求不斷增加。傳�(tǒng)摻鉺光纖放大�(EDFA),雖然工作在這�(gè)波段,但受到纖芯直徑小和摻雜離子濃度低的限制,單�(gè) EDFA 的輸出功率較�。Er/Yb 共摻技�(shù)和雙包層泵浦技�(shù)的出�(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�??梢哉f(shuō),這種光纖出現(xiàn)的推�(dòng)力,就是�(duì)更高功率的需�。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�(diǎn):斜率效�、噪聲指�(shù)、增益曲�(xiàn)、ASE 功率分布、功率轉(zhuǎn)化效率等�(jìn)行分�,考察其功率�(jìn)一步提升的限制因素,為更好地�(jìn)行以其為基礎(chǔ)的高功率光纖放大器的�(shè)�(jì)提供理論基礎(chǔ)�

Er/Yb 共摻雙包層光�,由纖芯、內(nèi)包層、外包層�(gòu)�,其折射率從�(nèi)到外是依次減小的。纖芯直徑與單模光纖直徑相吻�,信�(hào)光在纖芯中傳輸,保證其單模傳�。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�(gè) Er 離子�?chē)蝗舾蓚€(gè) Yb 離子所包圍的局�,從而阻斷了� Er 離子濃度提高�(shí),Er 離子互相�(guò)于靠近而形成離子對(duì)的情�,允� Er 離子摻雜濃度可以�(yuǎn)�(yuǎn)大于普� EDFA 的摻雜濃�,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� 100μm-200μm 之間,為20泵浦光傳輸波�(dǎo)�,這是雙包層光纖區(qū)別于普通光纖的典型特點(diǎn):泵浦光�(jìn)入橫截面積是纖芯幾十到幾百倍的�(nèi)包層中,允許采用大功�,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�(jìn)入內(nèi)包層�,在外包層和�(nèi)包層的邊界處�(chǎn)生全�(nèi)反射,可以往返不斷地�(jīng)�(guò)纖芯,激活纖芯摻雜離�,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),對(duì)纖芯中經(jīng)�(guò)的信�(hào)光產(chǎn)生受激放大。理論和�(shí)際都證明,內(nèi)包層形狀如果仍采用傳�(tǒng)光纖中的圓形,會(huì)�(chǎn)生很多圍繞著光纖軸向傳輸?shù)幕⌒�?�?dǎo)致大量泵浦光�(wú)法經(jīng)�(guò)纖芯而浪�(fèi)�,當(dāng)今的雙包層光�,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�(duì)其�(jìn)行有效地吸收利用�

Er/Yb共摻能級(jí)�(jié)�(gòu)與能量轉(zhuǎn)化關(guān)�

Er/Yb 共摻系統(tǒng)中的能級(jí)�(jié)�(gòu)包括� Er 離子� Yb 離子兩�(gè)能級(jí)系統(tǒng),Yb 離子為簡(jiǎn)單的二能�(jí)�(jié)�(gòu),在 Er/Yb 共摻系統(tǒng)�,因?yàn)橐粋�(gè) Er 離子�?chē)蝗舾蓚€(gè) Yb 離子所包圍,所� 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�(xiàn)非常�(800nm-1100nm),在主要的幾�(gè)泵浦激光器工作波長(zhǎng)�915nm �980nm 處都有很高的吸收�,這使得對(duì)泵浦激光器的譜寬要求大大降�,可以采用已�(jīng)商用�、成本較低的多模大功率泵浦激光器模塊,滿(mǎn)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�(jí)2F5/2,Yb 離子在這�(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)� 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�(tài)4I11/2,Er 離子在這�(gè)能級(jí)的壽命非常短,僅� 1ns,所以迅速通過(guò)�(wú)輻射躍遷到亞�(wěn)�(tài)4I13/2,Er離子在亞�(wěn)�(tài)的壽命很�(zhǎng),為 10ms,可以形成足夠的粒子�(shù)反轉(zhuǎn),當(dāng)信號(hào)光通過(guò)�(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)��21 部分激活離子躍遷到4I9/2能級(jí),再�(jīng)�(guò)兩次�(wú)輻射躍遷�(guò)程回到亞�(wěn)�(tài)。Yb 離子將能量傳遞給 Er 離子的同�(shí),失去能量回落到基態(tài)。這里要注意兩�(diǎn),一是因?yàn)?Yb 離子首先被激�,在其兩能級(jí)間也�(huì)存在一定的粒子�(shù)反轉(zhuǎn)形成 Yb 波段(1.06μm)的自�(fā)輻射光,后文可以看到,在高功率泵浦時(shí),這�(gè)波段的自�(fā)輻射光會(huì)�(duì)放大器的輸出功率�(chǎn)生比較嚴(yán)重的限制。另一�(diǎn),因?yàn)?Er離子在亞�(wěn)�(tài)壽命較長(zhǎng),存在著能量� Yb 離子的反向回�,這�(gè)�(jī)制也�(huì)造成�(chǔ)能的一部分浪費(fèi),所以在考慮放大器設(shè)�(jì)�(shí),應(yīng)該合理的選擇輸入信號(hào)光能�,以便盡可能多的消� Er 離子的上能級(jí)粒子�(shù),減小能量回傳�

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