掺杂光纤放大器

掺杂光纤放大器通常是掺杂稀土元素(如钕、铋或镨),光纤的基础材料可以是氟化物玻璃、标准的石英或碲酸盐玻璃。放大器的工作波长范围与基础材料和掺入元素有关。长途电信系统中最常用的光纤放大器是掺银光纤放大器,其掺杂少量银元素。DFA主要包括以下几个部分:泵浦光源、称合器、活性介质掺杂光纤、滤波器和光隔离器等。泵浦光通过光亲合器入射到掺杂光纤中,将大部分的基态离子泵浦到激发态,对于三能级系统处于激发态的离子会迅速无福射跃迁到亚稳态。离子的亚稳态寿命相对较长(达到毫秒量级)以至于亚稳态与基态之间的粒子数形成反转状态。如果信号光通过此掺杂光纤,在受激辐射作用下会产生大量与自身状态完全相同的光子,使得光信号的功率增大。WDM将泵浦光和信号光亲合进掺杂光纤,光隔离器可以保证光的单向传输,滤波器可以过滤掉放大器本身产生的自发福射以降低系统的引入的噪声。

掺稀土离子石英光纤放大器和激光器因体积小、光束稳定、功耗低等优点而得到广泛应用。掺铒光纤激光器与放大器由于其运转波长与光通讯的第三窗口(1. 55μm)相一致, 近几年发展迅速, 但由于随着铒浓度的进一步提高, E r3 +会发生聚集, 引发E r3 +对的上转换效应, 导致成对浓度淬灭, 直接影响了EDFA 的泵浦转换效率和增益提 。同时, 单纯掺铒光纤激光器使用的泵源受波长限制。随着研究的深入, 人们发现如果在Er3 +光纤中同时掺入Yb3 + , 由于Yb3 +具有很宽的吸收带(800 ~ 1064nm)和相当宽的激发带, 而且Yb3 +的吸收截面比E r3 +大得多, 不会出现浓度淬灭, 可以达到较高的Yb3 +浓度, 不会出现边缘效应, 容易吸收980nm 附近的泵浦能量, 从而提高E r3 +的掺杂浓度, 缩短光纤的长度。特别是Yb的2F5 /2的能带和E r的4 I11 /2能带非常接近, 而且E r的4 I11 /2能带上寿命比Yb的2F5 /2的能带上的寿命短的多, 所以其离子能量很容易从Yb的2F 5 /2的能带转移到E r 的4 I11 /2 能带上, 再无辐射跃迁到4 I13 /2 。最后辐射出光子, 回到4 I15 /2 。同时利用镱吸收曲线的长波长区的吸收, 拓宽了泵浦光源的范围, 除了使用980nm泵浦源外, 可以使用辐射1053nm 波长的大功率Nd∶YLF固体激光器作泵浦源, 大大提高了EDFA 的输出功率。采用双包层结构的Er -Yb共掺双包层光纤, 泵浦源输出的泵浦光直接耦合入直径为几十到几百微米的内包层中, 比传统的EDFA耦合面积增加了2 个数量级, 耦合效率远远高于传统的EDFA, 所以E r -Yb共掺双包层光纤的研究成为目前的研究热点。

光纤放大器的最初出现是为了适应光通讯的发展要求，而通讯系统中传输的光信号功率一般较低:微瓦(μW)到几十毫瓦(mW)量级。单级 EDFA 输出的最大功率约为 23dBm，可以满足传统的干线长距离光纤网络传输的应用。随着光纤网络进一步向局域网、接入网的发展，光纤距离最终用户的距离越来越近，很多情况下已经是光纤直接连接到用户。特别是随着近年来光纤到户(FTTH)、光纤到大楼(FTTB)、无源光网络(PON)、光纤有线电视传输系统的大规模铺设应用。在这些新兴系统中，用户数从几百到几千甚至上万个，功率预算非常高，这对光纤放大器的输出功率提出了更高的要求。EDFA 虽然成功应用在了长途干线传输系统中，但在上述新型网络形态下输出功率远远不能达到系统要求。采用多台 EDFA 级联可以提高输出功率，但必然增加系统成本、复杂性并降低系统可靠性，同时会附加更多的自发辐射(ASE)噪声，使得系统性能劣化。另外在越来越多的激光加工、激光打标、激光武器、空间激光通讯、非线性频率变换方面，需要几瓦到几百瓦高功率连续或峰值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脉冲激光输出，迫切需要能够支持高功率放大信号输出的光纤放大器。

EDFA 的增益光纤采用的是纤芯掺入铒离子的普通单模光纤，纤芯直径在8~10μm 之间，包层直径一般为 125μm，泵浦光和信号光同时在纤芯中传输。要提高 EDFA 的输出功率，可以提高泵浦功率，但由于纤芯直径很小，数值孔径也较小(0.1~0.2)，导致能够有效耦合进入纤芯的泵浦功率仅为几百毫瓦左右;另一方面，可以通过提高铒离子的掺杂浓度来提高增益光纤的储能，但在铒离子浓度过高时会出现浓度淬灭现象，导致高功率运转时 EDFA 工作失效。以上两个原因限制了 EDFA 输出功率向高功率的提升。

随着新型光纤理论和制造技术的不断提升、对高功率放大器增益光纤的巨大需求、包层泵浦技术和离子共掺技术的出现、以及大功率多模半导体泵浦激光器的出现可以很好的解决上述问题。

双包层光纤，采用纤芯、内包层和外包层结构，主要是引入了直径较大的内包层，内包层数值孔径通常可以做的较高，允许大功率泵浦光直接耦合到直径为几十 μm 到几百 μm 的内包层，比传统光纤的耦合面积增加了 2 个数量级，因此入纤功率和耦合效率都大大得到提高。纤芯直径仍然保持单模光纤的水平以保持较好的光束质量，同时纤芯掺入激活离子。泵浦光耦合入内包层，在内包层与外包层的交接处发生全内反射，反复通过并激活纤芯离子，当信号光通过纤芯时即通过受激辐射得到增益放大。

在基于双包层光纤的大功率激光放大器研制方面，起步最早的是掺镱光纤放大器。因为镱离子为简单的双能级结构，不存在激发态吸收和能量上转换问题。

镱离子具有很宽的泵浦吸收带(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波长 915nm 和975nm 处具有很强的吸收峰，对泵浦波长的带宽限制并不明显，可以采用成本较低的多模大功率泵浦激光器。在这些泵浦波段，商用化的半导体多模泵浦激光器的输出功率已经达到了千瓦量级。采用较短的光纤即可对泵浦光产生有效地吸收，导致掺镱高功率光纤放大器的斜率效率非常高，可以超过 80%。因此掺镱高功率光纤放大器备受青睐，在各方面努力下，各项指标也不断得到优化提高。连续光放大单纤平均功率超过了 1 万瓦，而脉冲放大峰值功率更是达到了兆瓦(MW)量级。在国家级应用层面，美国国家航空航天局(NASA)在其主持的星际光通信计划中也采用了掺镱双包层光纤作为放大介质，得到了峰值功率 1.6kW、平均功率 10W、脉冲重复频率在 3-30MHz，接近衍射极限的脉冲光束输出。

伴随着高功率光纤激光器的进步，一些新的应用领域不断出现。特别是兴起的光接入网、自由空间光通讯、激光雷达、地球引力波探测、地面搜索、激光测距等方面，需要 1.5μm 波段高功率连续或脉冲光纤放大器。掺镱高功率光纤放大器尽管在技术上比较成熟，但其工作在 1.06μm 波段，在需要 1.5μm 波段的这些应用中显得力不从心。人眼在 1.5μm 波段的损伤阈值要比 1.06m 波段高4 个数量级以上，具有"人眼安全"的特点，这在激光测距、激光雷达、遥感、空间通信等需要人员参与的领域有重要意义，所以人们越来越多的开始关注并发展高功率 1.5μm 波段光纤放大器。

单独掺杂铒的增益光纤由于受到浓度淬灭效应的影响，无法满足高功率运行要求。在双包层光纤包层泵浦理念的基础上出现了铒镱(Er/Yb)共掺双包层光纤。这种双包层增益光纤因为镱离子浓度大于铒离子浓度，使得一个铒离子被多个镱离子包围，避免了铒离子的簇聚，同时提高了铒离子的掺杂浓度。在这种掺杂光纤中是由镱离子先吸收泵浦光，然后通过敏化作用激发铒离子，形成铒波段粒子数反转，从而充分利用了镱离子吸收带很宽、泵浦吸收系数大、允许高功率多模泵浦的优点。Er/Yb共掺双包层光纤放大器的主要优势体现在以下几个方面:(1)工作在 1.5μm 波段 (2)高输出功率 (3)较高的能量转化效率 (4)高峰值功率，高重复频率的脉冲输出 (5)通过优化可以实现接近衍射极限的光束质量。 在激光定位、远程传感、成像和照明等领域需要高功率、脉宽在几十个 ns、重复频率为几十 kHz 的光脉冲，并且需要脉冲光纤放大器能够产生几百 kW 到几 MW 的峰值功率。 高峰值功率同样广泛应用于材料处理、激光打标和高次谐波的产生中。基于这些，尤其是光纤通信与卫星激光通信的巨大需求，Er/Yb 共掺双包层光纤放大器最近几年得到了比较广泛的研究也取得了很多进展，很多文献报道了 1.5μm 波段脉冲放大器和激光器。

一般地，通过增加 Er3+的掺杂浓度，不但可以提高 EDFA 的输出功率;还可以减少 EDFA 中掺铒光纤(EDF)的材料费用，降低其成本。因此，对 EDF 进行高浓度掺杂是必要的。但是，随着 EDF 中 Er3+浓度的增加，铒离子对(Er3+/Er3+)会发生合作上转换(cooperative up conversion)，导致成对受激碎灭(PIQ)现象的出现，这种现象将直接影响 EDFA 的泵浦转换效率和增益特性，从而抑制了 EDFA 输出功率的提高。

为了解决 Er3+浓度的增加与输出功率提高之间的矛盾，人们实验发现，通过改变纤芯中稀土元素的成分能有效地抑制 PIQ，从而很好地解决了这对矛盾。其中，最有效的一种方法是在 EDF 纤芯中加人 Yb3+离子，使更多的 Er3+以离子对(Er3+/Yb3+)的形式存在，能有效地抑制 PIQ，使 Er3+亚稳态能级的粒子数大大增加，能量转换更加有效。这是因为，Yb3+在硅晶中的溶解度与 Er3+离子一样低，由于它们具有相同的离子半径，在硅晶中聚集在一起，大量的聚集发生在一个 Er3+和多个Yb3+之间，这样，每个 Er3+的周围有多个 Yb3+使得 Er3+相互间距增大，能量转换更加有效，因此，抑制了由 Er3+聚集引起的 PIQ。实验研究证明，在 EDF 中，Er3+重量浓度为 1000ppm 时，出现明显的成对受激碎灭现象，比较而言，铒镱共掺光纤(EYDF )当 Er3+离子的重量浓度高达 2000ppm 时，明显的成对受激碎灭并没有发生，由此说明，铒镱共掺可以提高 Er3+的掺杂浓度。

与输出功率提高之间的矛盾;而且，Yb3+的加入使得 EYDF 具有更宽、更高的受激吸收光谱。这就允许包层泵浦 Er/Yb 共掺光纤放大器在较宽的波长范围选择合适的泵浦光源。Yb3+吸收 800-1100nm 波带的泵浦光从基态跃迁到亚稳态;利用 Yb3+的敏化作用，Yb3+亚稳态的能量传给 Er3+的基态能级，使 Er3+受激跃迁到激发态能级，Yb3+返回到基态能级;处于激发态能级的 Er3+极不稳定，通过无辐射过程，跃迁到亚稳态能级。这时，处于亚稳态能级和基态能级的粒子数一旦达到粒子数反转的条件，在人射信号光的激励下，受激辐射出与人射信号光相干的光子，使信号光得以放大。

通常，由于 Er3+的激发态能级上粒子的寿命极短，从 Er3+到 Yb3+的能量传递过程可以忽略不计。考虑到 Er3+与周围 Yb3+离子成对的情况，必须选取 Er3+与 Yb3+的总的粒子浓度 N[er]和 N[yb]。如果 N[er]/N[yb]比率太小，Er3+聚集将发生，从Yb/Er 能量传递的效率较低。相反，N[er]/N[yb]比率太大，Yb3+也要发生聚集，这样就无能量传递给 Er3+，且白白消耗了泵浦能量，降低了光纤放大器的效率。因此，一般取 N[yb]的浓度为 N[Er]的 10 多倍。