連續雙包層摻鐿光纖放大器

雙包層摻鐿光纖的結構為了克服單模單包層摻鐿光纖對輸出功率的限制

基本介紹

• 中文名：連續雙包層摻鐿光纖放大器
• 外文名：Continuous-waveYb-doped double-clad fiber amplifiers

1背景

雷射技術已被廣泛套用於科技、經濟、軍事和和社會發展的許多領域。在諸多領域的套用中高功率、高穩定性以及高光束質量一直是人們追求的目標。雷射放大技術在提供高能量雷射輸出的同時，還能保證優良的光束質量，因此雷射放大技術成為國內外研究的熱點。實現雷射放大技術的器件稱之為光放大器。光放大器首先在光通信系統中充分顯示了直接對光進行放大的優勢；在其他套用方面：諸如工業加工、光纖感測、科研軍事等等，同樣也始終起著舉足輕重的作用。

在光放大器高速發展進程中，光纖放大器以其損耗小、效率高、結構靈活、散熱性能好等優點而備受青睞。它是採用摻雜光纖作為放大器增益介質的一種特殊的雷射系統，纖芯一般摻雜特定的稀土離子，泵浦光被限制在光纖內傳播，對摻雜稀土離子進行泵浦，稀土離子受激躍遷，實現粒子數反轉從而獲得光增益。換而言之，就是被激發的稀土離子放大入射信號，從而將泵浦光的功率轉換為跟信號光同頻同相的光輸出信號。

但是普通的單包層光纖放大器的泵浦光與激射雷射同處於摻雜纖芯內，由於單模光纖纖芯的尺寸一般在 5～9μm，高功率泵浦光很難被耦合進去，常規單模單包層光纖放大器的輸出功率被限制在幾十毫瓦量級。因此，在很長一段時間，光纖放大器只能被作為弱光光源來使用。直到 20 世紀 80 年代後期，美國麻省 提出了包層泵浦技術，為高功率泵浦提供了新的思路。雙包層光纖獨特的包層結構可以使高功率的多模雷射耦合進光纖，對纖芯進行泵浦，從而可以得到高功率的雷射輸出，成為光纖器件領域的研究熱點之一。甚至最近出現的光子晶體光纖雷射/放大器也採用了包層泵浦技術。

高功率脈衝雷射在套用中獨具特色。因此幾乎在同一階段，高峰值功率/平均功率的脈衝雷射放大已成為人們研究的熱點。並且將包層泵浦放大技術廣泛套用於脈衝雷射放大器中。

2光放大器的結構及分類

光放大器可以想像成為一個具有低反饋機制的雷射器。它同樣也需要增益介質和外功率源（泵浦源）來提供放大所需的能量。與雷射器所不同的是，光放大器還需要信號源。我們可以用一個簡單的結構圖來表示光放大器的基本形式。

按照不同的分類方法，光放大器可以進行如下分類：

一、 按照增益介質的不同，可以分成半導體光放大器和摻稀土光纖放大器。

半導體光放大器是現代光放大器中最早出現的光放大器。它的工作原理是基於雷射半導體介質固有的受激輻射光放大機制。其優點是尺寸小、造價低、頻頻寬、增益高；但缺點是與光纖耦合時損耗太大、易受環境溫度的影響、工作穩定性差。由於半導體光放大器在實現光與電集成方面具有優勢，因此它更多的是被套用於高速通信網中光開關、光復用/解復用和波長變換器等光信號處理模組。

在各種摻稀土光纖放大器中，摻鉺光纖放大器（EDFA）優先得到發展。EDFA 工作在通信波段，輸出僅為 mW 量級的功率，不能滿足人們對高功率雷射的需求。在稀土元素中，由於 Yb

3+離子具有簡單的能級結構（只包含兩個多重態展開的能級2F5/2和2F7/2）和大的能級間隔（約 10000cm-1）使摻 Yb3+光纖雷射器及放大器具有很高的轉換效率。因此，為獲得高功率的雷射輸出，摻 Yb3+光纖就成為了雷射放大器的首選增益介質。

二、按照時間特性可以分為連續光放大器、脈衝放大器及超短脈衝放大器。

這種按時間特性分類是相對於雷射工作物質中因各種物理因素引起的馳豫過程及時間而言的。一方面，由於雷射工作物質的輻射躍遷使得粒子在能級上具有有限的壽命，因此導致了反轉粒子數的增長與衰減需要一定的馳豫時間，它被稱之為縱向馳豫時間，表示為 T1。另一方面，由於工作物質粒子間或粒子與管壁間的碰撞以及晶格振動的作用，對電磁場引起的巨觀感應電極化具有消相過程，在消相過程和外加電磁場共同作用下，工作物質中部分原子的電偶極矩逐漸有序化，因而產生巨觀感應電極化強度。但是當電磁場停止作用後，由於消相作用，巨觀感應電極化逐漸消失，相對於電磁場有一個滯後時間，稱之為橫向馳豫時間，表示為 T2。 當放大器的輸入信號是連續波或非調 Q 雷射脈衝時，一般滿足條件光脈衝脈寬τ0>T1。此時由於光信號與工作物質相互作用時間足夠長，因受激輻射而消耗的反轉粒子數來得及由泵浦抽運所補充，因此反轉粒子數及腔內光子數密度可以到達穩態數值而不隨時間變化，可以用穩態方法研究放大過程。這類放大器稱為連續放大器。

當輸入信號脈寬滿足條件T2<<τ0<T1,因受激輻射而消耗的反轉粒子數來不及由泵浦抽運補充，反轉粒子數和光子數在很短的相互作用時間內達不到穩定狀態，這類光放大器必須用非穩態方法研究，稱之為脈衝放大器。 以上兩類放大器都滿足τ0>T2的條件，因此可以不考慮粒子與光波場相互作用的橫向馳豫時間 T2，在這種情況下，我們才能忽略粒子和光場相互作用的相位關係，速率方程才能適用。當輸入信號的脈寬τ0為 10~10s 的超短脈衝時，τ0和 T2可以比擬，稱為超短脈衝雷射放大器，速率方程理論不再適用，而需用半經典理論處理。

如果輸入光信號為高重複率脈衝序列，並且脈衝周期 T<<T1時，光放大器工作物質的反轉粒子數只在穩定值附近作微小波動，我們可以近似地採用穩態速率方程進行理論分析。

摻稀土光纖放大器的特點及性能

工作在 1550nm 視窗的摻鉺光纖放大器（EDFA）在光通信系統中已得到廣泛套用，但是利用普通單模摻鉺光纖研製的 EDFA，輸出功率通常在數十 mW 量級。在高功率雷射套用領域，無法滿足人們的需求。而摻鐿光纖放大器（YDFA）能提供 100nm 量級的增益頻寬（970nm~1200nm）和更高的轉換效率，所以 YDFA 在紅外波段高功率輸出中獨占優勢。同時這種寬頻增益特性能夠被利用於超短脈衝放大；又因 Yb3+粒子的強飽和效應，就能夠實現更高的脈衝能量輸出。單脈衝能量達數 mJ 的 YDFA 已有報導。 基於 YDFA 有較寬的吸收譜(800~1064nm)，可以有多種抽運源，並且在970nm~1200nm 範圍內有連續螢光發射，對在 1000nm 左右波段的信號具有優越的放大效果，本文重點進行了 1064nm 波段脈衝放大的實驗研究。

3連續雙包層摻鐿光纖放大器

雙包層摻鐿光纖的結構為了克服單模單包層摻鐿光纖對輸出功率的限制， Maurer 在 1974 年首先提出了雙包層光纖的概念。直到 1988 年 Polariod 提出了包層泵浦技術，高功率摻鐿光纖雷射器/放大器才得以快速發展。

包層泵浦技術的核心是如何最大限度的提高包層中傳輸的泵浦光對纖芯中鐿離子的泵浦效率。雙包層摻鐿光纖的結構、內包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項技術的關鍵所在。，光纖由纖芯、內包層、外包層和保護層組成。纖芯中摻雜稀土元素（鐿或其他元素）作為雷射介質，為保證輸出雷射是基橫模，纖芯的尺寸根據激射波長設計。內包層的折射率低於纖芯的折射率，激射雷射被限制在纖芯內傳播，而外包層的的折射率又低於內包層的折射率，這樣可以將泵浦光限制在內包層內傳播。為了使內包層既起到單模纖芯的低折射率包層的作用，同時又成為傳輸大功率多模泵浦光的通道，關鍵在於選擇一種低折射率而且物理特性合適的材料做外包層。通常雙包層光纖要求內包層具有大的數值孔徑（NA）和大的幾何尺寸，這對於多模泵浦光的耦合將十分有利。因此，對外包層材料的要求首先是折射率應低於內包層，另外還要有低彈性模量、寬的抗彎曲溫度範圍。

光纖的最外層為保護層，一般選用塗料的折射率高於外包層的折射率，這樣可以將外包層內的傳輸光儘快泄漏掉，以免對光纖造成熱損耗。保護層具有較高的楊氏模量，可以對光纖起到機械保護作用。

在設計雙包層光纖時，為方便多模的高功率泵光耦合入纖，內包層與纖芯的面積比越高越有利，但是這個比值太高會降低器件的效率，一般內包層與纖芯的橫截面積比選在 100 左右最佳。泵浦光在內包層傳導時，多次穿越纖芯，激發摻雜的稀土離子發射雷射。

內包層的形狀對於雙包層光纖對泵浦光的吸收效率具有非常大的影響。最初的雙包層光纖內包層為圓對稱的，它的製作工藝相對簡單，也易於與泵浦 LD 的尾纖相耦合連線，但是圓對稱特性會使內包層中大量的泵浦光成為螺旋光，在傳輸的過程中不經過摻雜纖芯，從而大大降低了對泵浦光的利用效率。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，人們開發出了多種內包層截面形狀的雙包層光纖，用於雙包層光纖雷射器的研製工作。這些經過特殊設計的內包層使雙包層光纖雷射器對泵浦光的利用效率得到明顯提高。

4連續雙包層摻鐿光纖放大器的最新進展

儘管光纖雷射器/放大器具有良好的散熱性能，但隨著雷射輸出功率不斷提高，在纖芯內集中激射和較長距離傳輸，又會引起諸多的非線性效應。如：SPM（自相位調製）、SBS（受激布里淵散射）及 SRS（受激拉曼散射）等。尤其在單根光纖的雷射器里雷射振盪引起的非線性效應閾值較低，極大地限制了雷射輸出功率。因此人們又把目光投向了雙包層光纖放大器。對雙包層光纖放大器研究的目的是想通過對一個較低功率的單頻或線偏輸出的種子光進行多路雙包層放大；多路放大後的光束經相干組束（CBC）或光譜組束（SBC），從而確保較高雷射功率輸出的同時，還能得到具有衍射極限的光束質量。

1999 年採用“V”形槽耦合泵浦技術在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出；放大系統小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術獲得了單模以及近線偏的 150W 雷射輸出。

2005 年利用與 20/400 雙包層大模面積（LMA）摻鐿光纖相匹配的（6+1）×1 合束器實現了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學郭占城等人利用 Nufern 生產的長度約為 11 m的大模面積（LMA）摻鐿雙包層光纖（其芯徑 20μm ,數值孔徑為 0. 06 ），將16mW 的種子光放大到 1.61W，放大後的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨製了約 13°的傾角。 輸出功率的提高使人們不得不考慮對非線性效應的抑制。2007 年美國報導了一種特殊的雙包層摻鐿光纖，在該雙包層摻鐿光纖的纖芯中同時摻入 Al2O3和 GeO2，以增大雙包層摻鐿光纖中的 SBS 閾值，從而提高放大輸出的雷射功率。這種通過對雙包層光纖的最佳化設計來提高非線性效應閾值的方法，開創了高功率、高光束質量的雷射器件研究的新局面。緊接著利用這種高 SBS 閾值的 DCYDF 進行高功率、窄線寬雙向泵浦放大，。

2007 年，美國與德國 分別利用了槽密度為 1740/mm 的非傳導性光柵和槽密度為 1250/mm 的衍射光柵實現了三個摻鐿光纖放大器的光譜組束。組合效率分別達到了 93%和 95%。輸出功率分別為 522W 和 153W。表征光束質量的 M2因子都為 1.2。保持了單個放大器的光束特性。他們的實驗中略有不同的是後者在單個放大器里增益光纖採用了保偏光子晶體雙包層光纖。正是這種高偏振度確保了組合效率高達 95%。利用光譜組束實現高功率雷射輸出為 YDFA 開拓了廣闊的套用前景，特別是隨著高非線性 YDF 及其它特殊結構 YDF 的研製成功，相信會有更驚人的成果在不久的將來實現。