RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第六部分

光纤放大器的教程包含以下十个部分：

1、光纤中的稀土离子

2、增益和泵浦吸收

3、稳态的自洽解

4、放大的自发发射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的双包层光纤

7、纳秒脉冲光纤放大器

8、超短脉冲光纤放大器

9、光纤放大器噪声

10、多级光纤放大器

接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第6部分：

第六部分：用于大功率操作的双包层光纤

基于单模光纤的光纤放大器的输出功率非常有限，因为很难将高泵浦功率注入这种光纤。这有两个原因：

• 高功率激光二极管的光束质量通常很差——不足以有效地发射到单模核心。

• 即使有一个高功率单模泵浦源，注入泵浦光也是一个非常微妙的问题。光纤纤芯中的高泵浦强度不会是主要问题：毕竟，高功率光纤放大器也可以应对类似的高信号输出功率。然而，由于发射效率永远不会100%，即使使用高质量的泵浦光束，也会将大量功率发射到包层中，然后可能由于过热而破坏光纤，例如由于涂层处的吸收（即使光纤末端被剥离了一些重要的长度）。

这个问题可以通过使用双包层光纤来解决。它们在纤芯周围有一个泵浦包层，纤芯本身被折射率更低的外包层包围。泵浦包层通常具有比光纤纤芯大得多的直径和更高的数值孔径，构成多模波导，即使泵浦光束质量不是很好，也可以轻松有效地将高功率泵浦光发射到其中。纤芯的折射率仍然高于泵浦包层的折射率，因此它支持单导模，有时甚至支持几个模。

射入泵浦包层的光也进入光纤纤芯，在那里它可以被激光活性离子吸收。（请注意，泵浦包层是未掺杂的，因此那里没有泵浦吸收。）只是，泵浦光与掺杂纤芯的重叠减少了，因为大部分泵浦功率在未掺杂的泵浦包层中传播。

图 1 显示了泵浦光如何注入内包层（泵浦包层），而信号光如何注入光纤纤芯并保留在那里。

图 1： 基于双包层光纤的包层泵浦光纤放大器。信号光射入掺杂纤芯，泵浦光射入内包层。芯为 D 形，可更有效地泵吸。

优化泵吸收

所提到的注入泵浦包层（而不是直接进入纤芯）的泵浦光的吸收减少会导致缺点，如下面更详细讨论的。因此，最大化双包层光纤中的泵浦吸收通常是有益的。

一种直接的方法是使泵包层尽可能小。当然，这增加了对泵浦光束质量的限制。数值孔径（即泵浦包层和外包层之间的折射率对比）越高，该问题就越不严重。

另一种方法是使掺杂光纤纤芯尽可能大，从而减小泵浦包层与纤芯的面积比。限制通常是由需要稳健的单模信号传播来设定的，这对于大纤芯来说更加困难（参见关于大模面积光纤的百科全书文章）。有时，人们接受具有多个导模，尽管这使得获得高光束质量的信号输出变得更加困难，并且还可能导致在高功率水平下的某些模式不稳定性。

其次，可以最大化纤芯的掺杂浓度。但是，这是有限制的；在高掺杂浓度下，有害的猝灭效应变得太强，对于高功率操作，每米光纤的功率耗散可能会过高。

图 2： 泵浦光沿带有圆形泵浦包层的双包层光纤的幅度分布。使用RP Fiber Power软件完成的数值模拟表明，泵浦强度分布在核心区域形成了一个“洞”。剩余的泵浦光表现出相当不完全的吸收。例如，使用 D 形磁芯可以减轻这种影响。

一些双包层光纤的一个令人讨厌的问题是，泵浦吸收甚至比仅考虑上述面积比所预期的还要差。这是因为对于泵包层的不同模式，与纤芯的重叠是完全不同的。其中一些与核心几乎没有重叠，因此仅表现出非常弱的泵吸吸收。经过一段光纤长度后，可能仅在这些模式下留下大量泵浦功率，并且使光纤更长没有太大帮助（参见图 2）。一些泵浦包层模式的吸收比平均值好得多也无济于事，因为超过 100% 的吸收无论如何是不可能的。

有多种可能的对策，例如光纤的强烈卷绕（这会导致模式加扰）和使用不太对称的光纤设计，这种设计没有泵浦包层模式，纤芯重叠非常低。图 3 显示了不同的设计。最简单的一种具有圆形泵浦包层和中心芯的设计，如图 2 所示，在泵浦吸收方面非常差，而其他的都更好。

图 3：双包层光纤 的各种设计。纤芯为蓝色，内包层为浅灰色，外包层为深灰色。没有显示经常使用的附加聚合物涂层。

双包层光纤也可以制成光子晶体光纤，如图 4 所示。在这里，多模泵芯由空气包层中的非常薄的支柱悬挂，泵浦光无法通过这些支柱逃逸。这样的结构对于泵浦光可以具有非常高的数值孔径，这降低了对泵浦光束质量的要求。纤芯的引导与其他光子晶体光纤一样。

图 4： 具有空气包层的光子晶体光纤的结构。

包层泵送的局限性

期望双包层光纤能够实现与光纤放大器基本相同的性能，只是在更高的功率水平下，这是完全错误的。有各种各样的问题，我们将在下面讨论。

第一个问题是泵浦吸收减少的直接后果：我们需要更长的光纤长度，这可能会产生各种不利影响：

这些发现非常典型。一般来说，准三电平光纤放大器在反向泵浦时具有较低的 ASE 损耗，因此如果 ASE 损耗会很大，那么该配置中的功率转换效率会更高。对于更高的输入信号功率，造成更强的增益饱和，两个方向的差异更小。

• 寄生传播损耗的影响变得更强。然而，这通常不是一个大问题。例如，对于掺镱双包层光纤而言，典型的 0.01 dB/m 量级的损耗在 20 m 范围内仅为 0.2 dB。这对应于 4.5% 的中等功率损耗。

• 非线性效应变得更强。这通常是脉冲放大背景下的一个问题（参见第 7 部分）。

• 与纤芯泵浦光纤相比，纤芯中的激光活性掺杂剂总体上要多得多。由于信号波与掺杂剂的相互作用没有减少，这可能会产生有害的后果（参见下面讨论的示例）。

• 另一个问题可能是双包层光纤中的泵浦强度相对较低。如果需要高激发密度，例如为了实现在相对短波长下的操作，这可能是个问题。

另一方面，需要一定的纤维长度以避免过热。至少，大大减少的光纤长度将需要在高功率运行期间进行积极的冷却。尽管如此，如果可以进一步改善泵浦吸收，它通常还是有用的——特别是对于脉冲放大。对于掺铒光纤来说尤其如此，因为铒离子具有较低的吸收截面和较高的聚集效应趋势，从而为掺杂浓度设定了下限。

示例：掺镱双包层光纤放大器

作为一个例子，我们考虑一个掺镱光纤，它的纤芯与前面的例子相同，但泵浦是在一个直径大 10 倍的泵浦包层中完成的。940 nm 的泵浦功率从 500 mW 增加到 20 W，1030 nm 的信号输入功率从 1 mW 增加到 40 mW。所以两者都比以前高 40 倍，而泵的面积则大了 100 倍。纤维制成 50 m 长以提供足够好的泵吸吸收。为简单起见，我们假设光纤中的模式混合完美，这样就不会出现上述泵浦吸收不完全的问题；这有点乐观。

然后，人们可能希望获得与以前一样好的性能，只是功率提高了 40 倍。然而，情况并非如此，如图 5 所示：在 ≈60% 的泵浦功率已转换为信号功率后，信号功率开始下降。所以更长的纤维长度也无济于事，即使泵吸收还不是很有效。

图 5： 掺镱双包层光纤放大器中光功率的演变。

主要原因是 ASE 出现的波长稍长一些：

图 6： 掺镱双包层光纤放大器的 ASE 光谱。ASE 最大值已移至更长的波长，因为现在镱激发较低。

通过提供 10 倍以上的信号输入功率，即通过以较低增益操作放大器，可以大大抑制 ASE。然而，即便如此，功率转换效率也仅限于 73%。如果我们使用 60 m 的稍微超长的光纤，我们再次得到更高的 ASE 相关功率损耗，转换效率下降到 54%。

例如，放大器在 1080 nm 的较长信号波长下会更好地工作，因为此时信号波长更接近最大增益的波长。事实上，人们可以发现，高功率双包层放大器和激光器通常在比核心泵浦设备更长的波长下运行，尽管这当然会增加量子缺陷，这对于高功率运行尤其不利。

示例：用于 975 nm 的掺镱双包层光纤放大器

作为另一个例子，我们尝试修改我们的放大器，使其可以放大 975 nm 的信号。由于这是我们在第 4 部分的示例中获得大量 ASE 的波长，因此可以期望在 940 nm 泵浦时轻松获得大量增益。但是，这根本不起作用，如图 7 所示：

图 7： 掺镱双包层光纤放大器中的光功率分布。

我们产生了大量的前向和后向 ASE，其峰值大约在 1040 nm，前向和后向方向略有不同（见图 8）。在 975 nm 处，有近 5500 dB 的巨大吸收。（975 nm 处的吸收系数相当高，而且我们在光纤中有很多镱。）更强的泵浦无济于事；我们只会生产更多的长波长 ASE。

问题在于，如果平均 Yb 激发增加，我们在长波长区域获得大量增益（产生强 ASE），早在我们获得 50% 激发之前，975 nm 处的正增益就开始了。巨大的长波长增益主要是由于我们的光纤中含有大量的 Yb。原则上，更短的光纤会有所帮助：使用 3 m 而不是 50 m，在 20 W 的泵浦功率下，我们可以在 975 nm 处获得 33 dB 的增益。然而，泵浦吸收效率非常低，因此我们只能将一小部分泵浦功率转换为 975 nm 的信号功率。

图 8： 没有信号输入的掺镱双包层光纤放大器的 ASE 光谱。产生长波长的强 ASE，

问题可以总结如下：

• 尽管与纤芯的泵浦重叠有限，但良好的泵浦吸收要求我们将大量激光活性掺杂剂放入光纤纤芯中。

• 使用如此多的掺杂剂，较小的平均激发密度足以产生较大的长波长增益，而目前还不足以提供较短波长的增益。

实际上有一个解决方案：使用环掺杂光纤（J. Nilsson 等人，Opt. Lett. 22 (14), 1092 (1997)）。这减少了掺杂剂与 ASE 和信号波的耦合，但不会减少与泵浦光的耦合。实际上，可以具有更高的激发密度，从而在更短的波长处获得增益。

一些结论

我们已经看到，仅仅使用双包层光纤，在更高的功率水平上获得与放大器相同的性能并不总是那么容易。例如，人们可能会遇到不需要的 ASE 和/或不完全泵吸收的麻烦。这些发现常常令人惊讶。显然，实验室中的试错法，它不是基于通过数值模拟获得的透彻理解，会在黑暗中钓鱼：测试设备不起作用，在实验室中也不清楚为什么不是。

到目前为止，我们只考虑连续波操作。接下来我们将看看脉冲的放大。