單頻雙包層光纖放大器

單頻、高功率雷射在雷射雷達、光譜學、精密測量等領域有非常廣泛的套用。

基本介紹

• 中文名：單頻雙包層光纖放大器
• 外文名：single-frequence double-clad fiber amplifiers

結構特性

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，光纖雷射器和光纖放大器可以產生更高的平均功率和脈衝能量。

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，它作為雷射的傳輸通道，對相關波長應設計成單模，以保證輸出雷射是基橫模。包層由橫向尺寸和數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、大數值孔徑的光波導，它可以允許大數值孔徑、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纖中。最外層是硬塑膠，用來保護光纖。雙包層光纖與傳統的單模光纖的區別在於: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於外包層折射率，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，從而激發稀土離子產生雷射效應。由於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雷射二極體進行泵浦，同時由於內包層具有較大橫截面積和數值孔徑，所以大大提高了入纖泵浦功率和耦合效率。

設計

內包層形狀對光纖的泵浦效率有著重要影響。由於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。

大多數雙包層光纖都是圓對稱形的，它有以下優點:一是不需要對預製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於耦合連線。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，而偏射光線由於波導結構的對成性，呈螺旋型傳導，從不穿過纖芯，所以泵浦效果很低。在傳輸的過程中不經過摻 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，需要開發新型的內包層截面。在各種改進的泵浦方案中，有的採用雙包層光纖直接與半導體雷射器的發光面或陣列耦合，有的與集成束狀的尾纖耦合，因此也需要研製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，並考慮到與具體的泵源形式相匹配，近幾年來人們開發出了多種內包層截面形狀的雙包層光纖，用於各種包層泵浦光纖雷射器的研製工作中，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，雷射吸收效率的影響。

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、連線損耗等問題，同時應避免包層形狀中出現尖銳的曲線，避免降低光纖的強度。對於一定的泵浦光，增大內包層幾何尺寸和數值孔徑有利於其耦合和傳輸，特別是增大數值孔徑，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噪聲產生很大影響。

耦合技術

對於採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。

隨著技術的發展，大功率雷射器和光纖放大器廣泛套用與光通信，自由空間通信系統，光纖感測，以及基於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，對於使用雙包層光纖的光纖雷射器和光纖放大器，如何將泵浦光高效的耦合進雙包層光纖中，成為了制約光纖雷射器和光纖放大器性能的關鍵因素。

泵浦技術，作為光纖雷射器和光纖放大器的核心技術，就是要將以雷射二極體 LD 或者二極體陣列 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射面，考慮到光源光束的最大發散角與接收光纖的數值孔徑角不匹配程度，一般耦合效率約為 20%，這種方式更常用於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，把多模抽運光耦合進雙包層光纖的內包層中，加透鏡的目的在於將光源的發射面積和發散角經過成像靠近接收光纖的發光面積和發散角，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，就必須採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，由於光纖端面的面積有限，所以限制了不能由 LD 陣列將高功率雷射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，該方式需採用高精度的多維光纖調節系統，也帶來了因調節系統的漂移引起的系統穩定性問題。

有鑒於此，光纖側面泵浦耦合技術用於將泵浦光耦合進入雙包層光纖內包層的研究也逐漸展開。針對於雙包層光纖的特點先後發展了多種側面泵浦耦合技術。

光纖耦合

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 尾纖尺寸相同並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，但是錐導管的製作工藝比較複雜。

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，使光纖熔融區成為錐形過渡段，能夠將泵浦光由多模光纖輸入經由雙包層光纖側面導入內包層，從而實現定向側面耦合泵浦。

光纖定向耦合器主要用於光分路或者合路連線器，採用較為成熟的熔錐法生產，工藝較簡單，製作周期短，適於實現微機控制的半自動化生產。但是，這種用於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於輸入最大信號的光功率，因而無法用於實現光功率的擴展。由於在雙包層光纖側面耦合泵浦技術中，在錐形區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，並且要使之能夠融合在一起，因此其生產工藝較為複雜，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，並粘合一塊玻璃襯底，在裸露的內包層上刻蝕出一個 V 形溝槽（溝槽不觸及纖芯），泵浦光束經由 V 形溝槽的內反射面傳送進入到內包層。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，由於可以同時刻蝕多個 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。雷射二極體、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，並且可以加鍍增透膜。利用該側面泵浦耦合技術的光線雷射放大器可以得到數瓦的雷射輸出。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於纖芯的破壞，因此，要確保槽的精細結構。此外，由於利用了微透鏡準直，LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對位置對於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，然後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最佳化設計的曲面，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。該技術中採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，對於槽的加工要求大大降低，但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。

放大器

單頻、高功率雷射在雷射雷達、光譜學、精密測量等領域有非常廣泛的套用。與其他獲得單頻、高功率雷射的方法(如傳統的行波放大、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點。隨著包層抽運技術的出現，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雷射束方面因其獨特的優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，並已取得顯著的成績。1999 年漢諾瓦雷射中心的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形腔雷射器(NPRO)，輸出功率750 mW。雙包層光纖芯徑為11依1 mm，數值孔徑(NA)0.11；內包層直徑為400 mm，NA0.38。光纖長30 m，並纏繞在直徑為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]報導了利用摻Yb3+光纖放大獲得了100 W 的單頻輸出。採用大模場面積(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%。