铒镱共掺光纤放大器1光纤放大器

随着光纤通讯技术的迅猛发展，在长途通信骨干网、城域网以及海底光缆通讯中需要传输的光信号距离在几千公里甚至几万公里。由于光纤本身对其中传输的激光信号存在衰减作用，先进的光纤制造和提纯技术不断出现，使得光信号损耗不断降低，最新型的通信光纤损耗约为 0.18dB/km。但线路中的很多光学器件如复用器和耦合器等会引入损耗，因此在长距离光传输中仍然需要中继放大来补偿衰减，获得可以被接收端识别的光信噪比。传统中继放大采用复杂的光信号转换成电信号，在电信号领域进行整形放大后转换成光信号进行传输，成本昂贵、线路维护复杂、系统可靠性大大降低。这种局面在掺铒光纤放大器(EDFA)出现并在 1987 年成功商用后得到了彻底改变。EDFA 本身就是一段掺铒光纤，可以与通信用光纤完美融合，并且恰好工作在光纤低损耗的 C 波段(1530nm-1560nm)和 L 波段(1560nm-1610nm)，在光域就可以实现对光信号的中继放大。因此，光纤放大器的出现彻底改变了光纤通讯的面貌，成为其发展史上的里程碑。伴随着对光纤放大器理论的深入研究和持续创新实践，各种新型光纤放大器不断出现，包括基于受激辐射原理的掺杂光纤放大器；基于光纤非线性效应的受激布里渊光纤放大器和受激拉曼光纤放大器等。

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。目前单级 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。近年来，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。特别是近些年兴起的光接入网、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。

光纤通信网络、自由空间激光通信、激光雷达、医疗、科研、军工等领域，对高功率 1.5μm 波段光纤放大器和激光器的需求不断增加。传统掺铒光纤放大器(EDFA)，虽然工作在这个波段，但受到纤芯直径小和掺杂离子浓度低的限制，单个 EDFA 的输出功率较低。Er/Yb 共掺技术和双包层泵浦技术的出现，为高功率输出提供了可能。 Er/Yb 共掺双包层光纤也已经出现，并得到了广泛研究。可以说，这种光纤出现的推动力，就是对更高功率的需求。很有必要对这种光纤放大器所能达到的功率水平、连续光和脉冲光放大时的典型特点：斜率效率、噪声指数、增益曲线、ASE 功率分布、功率转化效率等进行分析，考察其功率进一步提升的限制因素，为更好地进行以其为基础的高功率光纤放大器的设计提供理论基础。

Er/Yb 共掺双包层光纤，由纤芯、内包层、外包层构成，其折射率从内到外是依次减小的。纤芯直径与单模光纤直径相吻合，信号光在纤芯中传输，保证其单模传输。掺杂离子在纤芯中，通常 Yb 离子的掺杂浓度要高于 Er 离子，形成一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围的局面，从而阻断了在 Er 离子浓度提高时，Er 离子互相过于靠近而形成离子对的情况，允许 Er 离子掺杂浓度可以远远大于普通 EDFA 的掺杂浓度，这就意味着光纤储能的增大和输出功率的增大。内包层直径通常在 100μm-200μm 之间，为20泵浦光传输波导层，这是双包层光纤区别于普通光纤的典型特点：泵浦光进入横截面积是纤芯几十到几百倍的内包层中，允许采用大功率，多模泵浦光，且增加了泵浦光耦合效率、降低了耦合损耗和耦合难度。泵浦光进入内包层后，在外包层和内包层的边界处产生全内反射，可以往返不断地经过纤芯，激活纤芯掺杂离子，形成粒子数反转，对纤芯中经过的信号光产生受激放大。理论和实际都证明，内包层形状如果仍采用传统光纤中的圆形，会产生很多围绕着光纤轴向传输的弧形光，导致大量泵浦光无法经过纤芯而浪费掉，当今的双包层光纤，内包层通常做成 D 形或者六边形，可以保证泵浦光充分通过纤芯，有利于纤芯掺杂离子对其进行有效地吸收利用。

铒镱共掺光纤放大器Er/Yb共掺能级结构与能量转化关系

Er/Yb 共掺系统中的能级结构包括了 Er 离子和 Yb 离子两个能级系统，Yb 离子为简单的二能级结构，在 Er/Yb 共掺系统中，因为一个 Er 离子周围被若干个 Yb 离子所包围，所以 Er 离子直接吸收泵浦光被激活的几率很小，主要吸收泵浦光能量的是 Yb 离子，且 Yb 离子作为主要能量吸收离子，吸收谱线非常宽(800nm-1100nm)，在主要的几个泵浦激光器工作波长：915nm 和980nm 处都有很高的吸收峰，这使得对泵浦激光器的谱宽要求大大降低，可以采用已经商用的、成本较低的多模大功率泵浦激光器模块，满足高功率信号光输出要求。Yb 离子在泵浦光作用下产生受激吸收，而跃迁到上能级2F5/2，Yb 离子在这个能级的寿命为 1.5ms，接下来通过敏化作用，处于上能级的 Yb 离子将能量传递给基态(4I15/2)Er 离子，使其产生受激吸收而跃迁至高能态4I11/2，Er 离子在这个能级的寿命非常短，仅为 1ns，所以迅速通过无辐射跃迁到亚稳态4I13/2，Er离子在亚稳态的寿命很长，为 10ms，可以形成足够的粒子数反转，当信号光通过时，即可产生受激辐射光放大。Er 离子4I 13/2能级上存在着能量上转换过程，21 部分激活离子跃迁到4I9/2能级，再经过两次无辐射跃迁过程回到亚稳态。Yb 离子将能量传递给 Er 离子的同时，失去能量回落到基态。这里要注意两点，一是因为 Yb 离子首先被激活，在其两能级间也会存在一定的粒子数反转形成 Yb 波段（1.06μm）的自发辐射光，后文可以看到，在高功率泵浦时，这个波段的自发辐射光会对放大器的输出功率产生比较严重的限制。另一点，因为 Er离子在亚稳态寿命较长，存在着能量向 Yb 离子的反向回传，这个机制也会造成储能的一部分浪费，所以在考虑放大器设计时，应该合理的选择输入信号光能量，以便尽可能多的消耗 Er 离子的上能级粒子数，减小能量回传。