鉺鐿共摻雙包層光纖

摻雜光纖放大器

摻雜光纖放大器通常是摻雜稀土元素(如釹、鉍或鐠),光纖的基礎材料可以是氟化物玻璃、標準的石英或碲酸鹽玻璃。放大器的工作波長範圍與基礎材料和摻入元素有關。長途電信系統中最常用的光纖放大器是摻銀光纖放大器,其摻雜少量銀元素。DFA主要包括以下幾個部分:泵浦光源、稱合器、活性介質摻雜光纖、濾波器和光隔離器等。泵浦光通過光親合器入射到摻雜光纖中,將大部分的基態離子泵浦到激發態,對於三能級系統處於激發態的離子會迅速無福射躍遷到亞穩態。離子的亞穩態壽命相對較長(達到毫秒量級)以至於亞穩態與基態之間的粒子數形成反轉狀態。如果信號光通過此摻雜光纖,在受激輻射作用下會產生大量與自身狀態完全相同的光子,使得光信號的功率增大。WDM將泵浦光和信號光親合進摻雜光纖,光隔離器可以保證光的單向傳輸,濾波器可以過濾掉放大器本身產生的自發福射以降低系統的引入的噪聲。 ^[1] 

摻稀土離子石英光纖放大器和激光器因體積小、光束穩定、功耗低等優點而得到廣泛應用。摻鉺光纖激光器與放大器由於其運轉波長與光通訊的第三窗口(1. 55μm)相一致, 近幾年發展迅速, 但由於隨着鉺濃度的進一步提高, E r3 +會發生聚集, 引發E r3 +對的上轉換效應, 導致成對濃度淬滅, 直接影響了EDFA 的泵浦轉換效率和增益提 。同時, 單純摻鉺光纖激光器使用的泵源受波長限制。隨着研究的深入, 人們發現如果在Er3 +光纖中同時摻入Yb3 + , 由於Yb3 +具有很寬的吸收帶(800 ～ 1064nm)和相當寬的激發帶, 而且Yb3 +的吸收截面比E r3 +大得多, 不會出現濃度淬滅, 可以達到較高的Yb3 +濃度, 不會出現邊緣效應, 容易吸收980nm 附近的泵浦能量, 從而提高E r3 +的摻雜濃度, 縮短光纖的長度。特別是Yb的₂F_{5 /2}的能帶和E r的₄ I_{11 /2}能帶非常接近, 而且E r的₄ I_{11 /2}能帶上壽命比Yb的₂F_{5 /2}的能帶上的壽命短的多, 所以其離子能量很容易從Yb的₂F _{5 /2}的能帶轉移到E r 的₄ I_{11 /2} 能帶上, 再無輻射躍遷到₄ I_{13 /2} 。最後輻射出光子, 回到₄ I_{15 /2} 。同時利用鐿吸收曲線的長波長區的吸收, 拓寬了泵浦光源的範圍, 除了使用980nm泵浦源外, 可以使用輻射1053nm 波長的大功率Nd∶YLF固體激光器作泵浦源, 大大提高了EDFA 的輸出功率。採用雙包層結構的Er -Yb共摻雙包層光纖, 泵浦源輸出的泵浦光直接耦合入直徑為幾十到幾百微米的內包層中, 比傳統的EDFA耦合面積增加了2 個數量級, 耦合效率遠遠高於傳統的EDFA, 所以E r -Yb共摻雙包層光纖的研究成為目前的研究熱點。 ^[2] 

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。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絡傳輸的應用。隨着光纖網絡進一步向局域網、接入網的發展，光纖距離最終用户的距離越來越近，很多情況下已經是光纖直接連接到用户。特別是隨着近年來光纖到户(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、無源光網絡(PON)、光纖有線電視傳輸系統的大規模鋪設應用。在這些新興系統中，用户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 雖然成功應用在了長途幹線傳輸系統中，但在上述新型網絡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。另外在越來越多的激光加工、激光打標、激光武器、空間激光通訊、非線性頻率變換方面，需要幾瓦到幾百瓦高功率連續或峯值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脈衝激光輸出，迫切需要能夠支持高功率放大信號輸出的光纖放大器。 ^[3] 

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。 ^[3] 

隨着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激光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。 ^[3] 

在基於雙包層光纖的大功率激光放大器研製方面，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 處具有很強的吸收峯，對泵浦波長的帶寬限制並不明顯，可以採用成本較低的多模大功率泵浦激光器。在這些泵浦波段，商用化的半導體多模泵浦激光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優化提高。連續光放大單纖平均功率超過了 1 萬瓦，而脈衝放大峯值功率更是達到了兆瓦(MW)量級。在國家級應用層面，美國國家航空航天局（NASA）在其主持的星際光通信計劃中也採用了摻鐿雙包層光纖作為放大介質，得到了峯值功率 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。 ^[3] 

伴隨着高功率光纖激光器的進步，一些新的應用領域不斷出現。特別是興起的光接入網、自由空間光通訊、激光雷達、地球引力波探測、地面搜索、激光測距等方面，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 波段的這些應用中顯得力不從心。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，這在激光測距、激光雷達、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。 ^[3] 

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)高峯值功率，高重複頻率的脈衝輸出 (5)通過優化可以實現接近衍射極限的光束質量。 在激光定位、遠程傳感、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 的峯值功率。 高峯值功率同樣廣泛應用於材料處理、激光打標和高次諧波的產生中。基於這些，尤其是光纖通信與衞星激光通信的巨大需求，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，很多文獻報道了 1.5μm 波段脈衝放大器和激光器。 ^[3] 

一般地，通過增加 Er3+的摻雜濃度，不但可以提高 EDFA 的輸出功率;還可以減少 EDFA 中摻鉺光纖(EDF)的材料費用，降低其成本。因此，對 EDF 進行高濃度摻雜是必要的。但是，隨着 EDF 中 Er3+濃度的增加，鉺離子對(Er3+/Er3+)會發生合作上轉換(cooperative up conversion)，導致成對受激碎滅(PIQ)現象的出現，這種現象將直接影響 EDFA 的泵浦轉換效率和增益特性，從而抑制了 EDFA 輸出功率的提高。 ^[4] 

為了解決 Er3+濃度的增加與輸出功率提高之間的矛盾，人們實驗發現，通過改變纖芯中稀土元素的成分能有效地抑制 PIQ，從而很好地解決了這對矛盾。其中，最有效的一種方法是在 EDF 纖芯中加入 Yb3+離子，使更多的 Er3+以離子對(Er3+/Yb3+)的形式存在，能有效地抑制 PIQ，使 Er3+亞穩態能級的粒子數大大增加，能量轉換更加有效。這是因為，Yb3+在硅晶中的溶解度與 Er3+離子一樣低，由於它們具有相同的離子半徑，在硅晶中聚集在一起，大量的聚集發生在一個 Er3+和多個Yb3+之間，這樣，每個 Er3+的周圍有多個 Yb3+使得 Er3+相互間距增大，能量轉換更加有效，因此，抑制了由 Er3+聚集引起的 PIQ。實驗研究證明，在 EDF 中，Er3+重量濃度為 1000ppm 時，出現明顯的成對受激碎滅現象，比較而言，鉺鐿共摻光纖(EYDF )當 Er3+離子的重量濃度高達 2000ppm 時，明顯的成對受激碎滅並沒有發生，由此説明，鉺鐿共摻可以提高 Er3+的摻雜濃度。 ^[4] 

與輸出功率提高之間的矛盾;而且，Yb3+的加入使得 EYDF 具有更寬、更高的受激吸收光譜。這就允許包層泵浦 Er/Yb 共摻光纖放大器在較寬的波長範圍選擇合適的泵浦光源。Yb3+吸收 800-1100nm 波帶的泵浦光從基態躍遷到亞穩態;利用 Yb3+的敏化作用，Yb3+亞穩態的能量傳給 Er3+的基態能級，使 Er3+受激躍遷到激發態能級，Yb3+返回到基態能級;處於激發態能級的 Er3+極不穩定，通過無輻射過程，躍遷到亞穩態能級。這時，處於亞穩態能級和基態能級的粒子數一旦達到粒子數反轉的條件，在人射信號光的激勵下，受激輻射出與人射信號光相干的光子，使信號光得以放大。 ^[4] 

通常，由於 Er3+的激發態能級上粒子的壽命極短，從 Er3+到 Yb3+的能量傳遞過程可以忽略不計。考慮到 Er3+與周圍 Yb3+離子成對的情況，必須選取 Er3+與 Yb3+的總的粒子濃度 N[er]和 N[yb]。如果 N[er]/N[yb]比率太小，Er3+聚集將發生，從Yb/Er 能量傳遞的效率較低。相反，N[er]/N[yb]比率太大，Yb3+也要發生聚集，這樣就無能量傳遞給 Er3+，且白白消耗了泵浦能量，降低了光纖放大器的效率。因此，一般取 N[yb]的濃度為 N[Er]的 10 多倍。 ^[4]