鉺鐿共摻光纖放大器

Er/Yb 共摻技術和雙包層泵浦技術的出現，為高功率輸出提供了可能。

基本介紹

• 中文名：鉺鐿共摻光纖放大器
• 外文名：Er/Ybdoped fiber amplifier

1光纖放大器

隨著光纖通訊技術的迅猛發展，在長途通信骨幹網、城域網以及海底光纜通訊中需要傳輸的光信號距離在幾千公里甚至幾萬公里。由於光纖本身對其中傳輸的雷射信號存在衰減作用，先進的光纖製造和提純技術不斷出現，使得光信號損耗不斷降低，最新型的通信光纖損耗約為 0.18dB/km。但線路中的很多光學器件如復用器和耦合器等會引入損耗，因此在長距離光傳輸中仍然需要中繼放大來補償衰減，獲得可以被接收端識別的光信噪比。傳統中繼放大採用複雜的光信號轉換成電信號，在電信號領域進行整形放大後轉換成光信號進行傳輸，成本昂貴、線路維護複雜、系統可靠性大大降低。這種局面在摻鉺光纖放大器(EDFA)出現並在 1987 年成功商用後得到了徹底改變。EDFA 本身就是一段摻鉺光纖，可以與通信用光纖完美融合，並且恰好工作在光纖低損耗的 C 波段(1530nm-1560nm)和 L 波段(1560nm-1610nm)，在光域就可以實現對光信號的中繼放大。因此，光纖放大器的出現徹底改變了光纖通訊的面貌，成為其發展史上的里程碑。伴隨著對光纖放大器理論的深入研究和持續創新實踐，各種新型光纖放大器不斷出現，包括基於受激輻射原理的摻雜光纖放大器；基於光纖非線性效應的受激布里淵光纖放大器和受激拉曼光纖放大器等。

2鉺鐿共摻雙包層光纖

光纖放大器的最初出現是為了適應光通訊的發展要求，而通訊系統中傳輸的光信號功率一般較低：微瓦(μW)到幾十毫瓦(mW)量級。目前單級 EDFA 輸出的最大功率約為 23dBm，可以滿足傳統的幹線長距離光纖網路傳輸的套用。近年來，隨著光纖網路進一步向區域網路、接入網的發展，光纖距離最終用戶的距離越來越近，很多情況下已經是光纖直接連線到用戶。特別是隨著近年來光纖到戶(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、無源光網路(PON)、光纖有線電視傳輸系統的大規模鋪設套用。在這些新興系統中，用戶數從幾百到幾千甚至上萬個，功率預算非常高，這對光纖放大器的輸出功率提出了更高的要求。EDFA 雖然成功套用在了長途幹線傳輸系統中，但在上述新型網路形態下輸出功率遠遠不能達到系統要求。採用多台 EDFA 級聯可以提高輸出功率，但必然增加系統成本、複雜性並降低系統可靠性，同時會附加更多的自發輻射(ASE)噪聲，使得系統性能劣化。另外在越來越多的雷射加工、雷射打標、雷射武器、空間雷射通訊、非線性頻率變換方面，需要幾瓦到幾百瓦高功率連續或峰值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脈衝雷射輸出，迫切需要能夠支持高功率放大信號輸出的光纖放大器。

EDFA 的增益光纖採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，泵浦光和信號光同時在纖芯中傳輸。要提高 EDFA 的輸出功率，可以提高泵浦功率，但由於纖芯直徑很小，數值孔徑也較小(0.1~0.2)，導致能夠有效耦合進入纖芯的泵浦功率僅為幾百毫瓦左右；另一方面，可以通過提高鉺離子的摻雜濃度來提高增益光纖的儲能，但在鉺離子濃度過高時會出現濃度淬滅現象，導致高功率運轉時 EDFA 工作失效。以上兩個原因限制了 EDFA 輸出功率向高功率的提升。

隨著新型光纖理論和製造技術的不斷提升、對高功率放大器增益光纖的巨大需求、包層泵浦技術和離子共摻技術的出現、以及大功率多模半導體泵浦雷射器的出現可以很好的解決上述問題。

雙包層光纖，採用纖芯、內包層和外包層結構，主要是引入了直徑較大的內包層，內包層數值孔徑通常可以做的較高，允許大功率泵浦光直接耦合到直徑為幾十 μm 到幾百 μm 的內包層，比傳統光纖的耦合面積增加了 2 個數量級，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量，同時纖芯摻入激活離子。泵浦光耦合入內包層，在內包層與外包層的交接處發生全內反射，反覆通過並激活纖芯離子，當信號光通過纖芯時即通過受激輻射得到增益放大。 在基於雙包層光纖的大功率雷射放大器研製方面，起步最早的是摻鐿光纖放大器。因為鐿離子為簡單的雙能級結構，不存在激發態吸收和能量上轉換問題。

鐿離子具有很寬的泵浦吸收帶(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波長 915nm 和975nm 處具有很強的吸收峰，對泵浦波長的頻寬限制並不明顯，可以採用成本較低的多模大功率泵浦雷射器。在這些泵浦波段，商用化的半導體多模泵浦雷射器的輸出功率已經達到了千瓦量級。採用較短的光纖即可對泵浦光產生有效地吸收，導致摻鐿高功率光纖放大器的斜率效率非常高，可以超過 80%。因此摻鐿高功率光纖放大器備受青睞，在各方面努力下，各項指標也不斷得到最佳化提高。連續光放大單纖平均功率超過了 1 萬瓦，而脈衝放大峰值功率更是達到了兆瓦(MW)量級。在國家級套用層面，美國國家航空航天局（NASA)在其主持的星際光通信計畫中也採用了摻鐿雙包層光纖作為放大介質，得到了峰值功率 1.6kW、平均功率 10W、脈衝重複頻率在 3-30MHz，接近衍射極限的脈衝光束輸出。 伴隨著高功率光纖雷射器的進步，一些新的套用領域不斷出現。特別是近些年興起的光接入網、自由空間光通訊、雷射雷達、地球引力波探測、地面搜尋、雷射測距等方面，需要 1.5μm 波段高功率連續或脈衝光纖放大器。摻鐿高功率光纖放大器儘管在技術上比較成熟，但其工作在 1.06μm 波段，在需要 1.5μm 波段的這些套用中顯得力不從心。人眼在 1.5μm 波段的損傷閾值要比 1.06m 波段高4 個數量級以上，具有“人眼安全”的特點，這在雷射測距、雷射雷達、遙感、空間通信等需要人員參與的領域有重要意義，所以人們越來越多的開始關注並發展高功率 1.5μm 波段光纖放大器。

單獨摻雜鉺的增益光纖由於受到濃度淬滅效應的影響，無法滿足高功率運行要求。在雙包層光纖包層泵浦理念的基礎上出現了鉺鐿（Er/Yb）共摻雙包層光纖。這種雙包層增益光纖因為鐿離子濃度大於鉺離子濃度，使得一個鉺離子被多個鐿離子包圍，避免了鉺離子的簇聚，同時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，然後通過敏化作用激發鉺離子，形成鉺波段粒子數反轉，從而充分利用了鐿離子吸收帶很寬、泵浦吸收係數大、允許高功率多模泵浦的優點。Er/Yb共摻雙包層光纖放大器的主要優勢體現在以下幾個方面：(1)工作在 1.5μm 波段 (2)高輸出功率 (3)較高的能量轉化效率 (4)高峰值功率，高重複頻率的脈衝輸出 (5)通過最佳化可以實現接近衍射極限的光束質量。 在雷射定位、遠程感測、成像和照明等領域需要高功率、脈寬在幾十個 ns、重複頻率為幾十 kHz 的光脈衝，並且需要脈衝光纖放大器能夠產生幾百 kW 到幾 MW 的峰值功率。 高峰值功率同樣廣泛套用於材料處理、雷射打標和高次諧波的產生中。基於這些，尤其是光纖通信與衛星雷射通信的巨大需求，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展，很多文獻報導了 1.5μm 波段脈衝放大器和雷射器。

3 Er/Yb 共摻雙包層光纖放大器特性分析

光纖通信網路、自由空間雷射通信、雷射雷達、醫療、科研、軍工等領域，對高功率 1.5μm 波段光纖放大器和雷射器的需求不斷增加。傳統摻鉺光纖放大器(EDFA)，雖然工作在這個波段，但受到纖芯直徑小和摻雜離子濃度低的限制，單個 EDFA 的輸出功率較低。Er/Yb 共摻技術和雙包層泵浦技術的出現，為高功率輸出提供了可能。 Er/Yb 共摻雙包層光纖也已經出現，並得到了廣泛研究。可以說，這種光纖出現的推動力，就是對更高功率的需求。很有必要對這種光纖放大器所能達到的功率水平、連續光和脈衝光放大時的典型特點：斜率效率、噪聲指數、增益曲線、ASE 功率分布、功率轉化效率等進行分析，考察其功率進一步提升的限制因素，為更好地進行以其為基礎的高功率光纖放大器的設計提供理論基礎。

Er/Yb 共摻雙包層光纖，由纖芯、內包層、外包層構成，其折射率從內到外是依次減小的。纖芯直徑與單模光纖直徑相吻合，信號光在纖芯中傳輸，保證其單模傳輸。摻雜離子在纖芯中，通常 Yb 離子的摻雜濃度要高於 Er 離子，形成一個 Er 離子周圍被若干個 Yb 離子所包圍的局面，從而阻斷了在 Er 離子濃度提高時，Er 離子互相過於靠近而形成離子對的情況，允許 Er 離子摻雜濃度可以遠遠大於普通 EDFA 的摻雜濃度，這就意味著光纖儲能的增大和輸出功率的增大。內包層直徑通常在 100μm-200μm 之間，為20泵浦光傳輸波導層，這是雙包層光纖區別於普通光纖的典型特點：泵浦光進入橫截面積是纖芯幾十到幾百倍的內包層中，允許採用大功率，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。泵浦光進入內包層後，在外包層和內包層的邊界處產生全內反射，可以往返不斷地經過纖芯，激活纖芯摻雜離子，形成粒子數反轉，對纖芯中經過的信號光產生受激放大。理論和實際都證明，內包層形狀如果仍採用傳統光纖中的圓形，會產生很多圍繞著光纖軸向傳輸的弧形光，導致大量泵浦光無法經過纖芯而浪費掉，當今的雙包層光纖，內包層通常做成 D 形或者六邊形，可以保證泵浦光充分通過纖芯，有利於纖芯摻雜離子對其進行有效地吸收利用。

Er/Yb共摻能級結構與能量轉化關係

Er/Yb 共摻系統中的能級結構包括了 Er 離子和 Yb 離子兩個能級系統，Yb 離子為簡單的二能級結構，在 Er/Yb 共摻系統中，因為一個 Er 離子周圍被若干個 Yb 離子所包圍，所以 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，吸收譜線非常寬(800nm-1100nm)，在主要的幾個泵浦雷射器工作波長：915nm 和980nm 處都有很高的吸收峰，這使得對泵浦雷射器的譜寬要求大大降低，可以採用已經商用的、成本較低的多模大功率泵浦雷射器模組，滿足高功率信號光輸出要求。Yb 離子在泵浦光作用下產生受激吸收，而躍遷到上能級2F5/2，Yb 離子在這個能級的壽命為 1.5ms，接下來通過敏化作用，處於上能級的 Yb 離子將能量傳遞給基態(4I15/2)Er 離子，使其產生受激吸收而躍遷至高能態4I11/2，Er 離子在這個能級的壽命非常短，僅為 1ns，所以迅速通過無輻射躍遷到亞穩態4I13/2，Er離子在亞穩態的壽命很長，為 10ms，可以形成足夠的粒子數反轉，當信號光通過時，即可產生受激輻射光放大。Er 離子4I 13/2能級上存在著能量上轉換過程，21 部分激活離子躍遷到4I9/2能級，再經過兩次無輻射躍遷過程回到亞穩態。Yb 離子將能量傳遞給 Er 離子的同時，失去能量回落到基態。這裡要注意兩點，一是因為 Yb 離子首先被激活，在其兩能級間也會存在一定的粒子數反轉形成 Yb 波段（1.06μm）的自發輻射光，後文可以看到，在高功率泵浦時，這個波段的自發輻射光會對放大器的輸出功率產生比較嚴重的限制。另一點，因為 Er離子在亞穩態壽命較長，存在著能量向 Yb 離子的反向回傳，這個機制也會造成儲能的一部分浪費，所以在考慮放大器設計時，應該合理的選擇輸入信號光能量，以便儘可能多的消耗 Er 離子的上能級粒子數，減小能量回傳。