光纤放大器

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定义:采用掺杂光纤作为增益介质的光学放大器。

光纤放大器是采用光纤作为增益介质的一种光学放大器。通常情况下,增益介质是采用掺有稀土离子的光纤,如铒(EDFA,掺铒光纤放大器),(YDFA),镨和铥。这些活性掺杂物被激光器出的光泵浦(提供能量),例如通过光纤耦合的二极管激光器;大多数情况下,泵浦光和被放大的信号光同时在光纤纤芯中传输。一种典型的光纤激光器为拉曼放大器(看下图)。

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图1:一种简单的掺铒光纤放大器的示意图。两个激光二极管(LDs)为掺铒光纤提供泵浦能量,这样可以放大波长约为1550nm的光。两个马尾式的法拉第隔离器可以隔离背向反射光,这样消除其对装置的影响。

最初光纤放大器主要用于长距离的光纤通信,在该系统中信号光需要周期性的被放大。典型的情况是采用掺铒光纤激光器,1500nm光谱区域内的信号光的功率为中等强度。随后,光纤放大器被应用于其它重要的领域。高功率光纤放大器被用于激光材料加工。这种放大器通常采用掺镱双包层光纤,信号光的光谱区域为1030-1100nm。输出光功率可以达到几千瓦。


目录

增益和输出功率

由于可以实现小的模式面积和很长的光纤长度,在中等功率大小的泵浦光的作用下就可以得到几十dB的高增益,也就是说可以得到很高的增益效率(尤其对于低功率装置)。最大增益通常受ASE的限制。光纤的表面体积比很大并且可以稳定的单模传输,因此可以实现很好的输出功率,并且输出光为衍射极限的光束,尤其是当使用双包层光纤时。然而,高功率光纤放大器通常在最后一级的增益不是很高,部分由于功率效率因素;于是需要使用放大器链,这样前置放大器提供大部分的增益,最后一级则得到高的功率输出。


饱和特性

光纤放大器的增益饱和半导体光放大器(SOAs)完全不同。由于跃迁截面很小,饱和能量很高,通常在掺铒通信用光纤放大器中可以达到几十个mJ,在具有很大模式面积的掺镱放大器中则可达到几百个mJ。因此,在光纤放大器中可以储存很多能量(有时几个mJ),然后由一个短脉冲将之提取出来。只有当输出脉冲能量高于饱和能量时,由于饱和引起的脉冲失真才比较严重。如果放大锁模激光器产生的激光,饱和增益与放大一个连续光激光器在相同功率的情况下相同。

这些饱和特性对于光纤通信非常重要,因为可以避免任何符号间的串扰,这种情况在半导体光放大器中会发生。

光纤放大器通常工作在强饱和区域。这样可以得到最大的输出,并且泵浦光的轻微变化对信号输出光功率的影响会降低。


ASE和噪声

最大增益通常取决于放大的自发辐射,而不是泵浦光功率。它在增益超过40dB的时候就体现出来。高增益的放大器还需要消除寄生反射,因为寄生反射可以产生寄生的激光振荡甚至损害光纤,所以在输入和输出端通常添加光隔离器。

ASE是对放大器噪声性能提供了基本限制。而在低损耗的四能级放大器的过剩噪声可以达到理论极限,即噪声系数在高增益下为3dB,这一噪声比通常的存在损耗的准三能级增益介质中的噪声还要大。ASE和过剩噪声通常在后向泵浦激光器中比较大。

泵浦光源也会引入一些噪声。这些噪声直接影响增益和信号输出功率,但是噪声频率远远大于上能态寿命倒数时则没有影响。(激光活性离子类似于储能器,可以减小高频功率涨落的影响)泵浦功率的变化也会引起温度变化,然后转变为相位误差

ASE本身可以作为具有低时间相干性的超辐射光源,在光学相干成像中需要用到。超辐射光源和一个高增益光纤激光器类似。


放大器模型

可以从很多方面来建立放大器模型(激光器模型),通过采用合适的光纤模拟软件。其中的一个模型是采用速率方程,然后可以计算出来指定信号强度和泵浦强度的数密度。速率方程模型可以与另一个复杂的模型结合起来计算光纤中的功率分布。

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图2:只有一个泵浦光的掺镱光纤放大器。前向和后向的ASE使镱在两端的激发程度都降低了。因此,泵浦吸收变化很大。这是采用RF光纤功率软件计算出来的模拟结果。

放大器模型具有多方面的用途。例如,可以计算各种有害效应对放大器的影响,然后利用这个结果来优化光纤参数或者改进放大器的设计方案。

尽管光纤放大器的特性可以定性的计算,但是全面的定量的理解则需要数值模拟。数值穆尼需考虑许多因素,例如准三能级行为,强的增益饱和(光功率远大于饱和功率),高增益下的放大的自发辐射(ASE),复杂情况下(如Er:Yb:光纤)的能量转移过程。

简单的情况也会产生很复杂的过程。图2就是一个例子,其中是一个简单的掺镱光纤放大器,泵浦光波长为940nm。泵浦光功率最开始衰减比较快,然后变慢,最后又变快。这是增益饱和时的ASE的结果。前向ASE在到达右侧终点前部分被重新吸收。

图3给出了前向和后向ASE的光谱。在1030nm区域的ASE在两个方向上是类似的,而在975nm处强的ASE仅在后向产生。这里的不对称是由于光纤的右侧非常弱的泵浦光为后向的ASE提供了能量,尽管在975nm处的增益是很大的负值。

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图3:光纤放大器中前向和后向ASE谱。

如果现在同时输入1mW波长为1030nm的信号光,饱和增益将ASE维持在一个较低的水平,然后大部分的功率可以随着信号光被提取出来(如图4所示)。

简单的例子也具有非常复杂的细节,如果没有数值模拟很难得到。例如铒镱之间的能量转移,双包层光纤,脉冲放大等是很常见的问题。


掺钕和掺镱光纤放大器

采用掺钕掺镱的双包层光纤放大器通常用于放大1000nm的激光器的输出光功率,将其放大到几千瓦(高功率光纤激光器和放大器)。大的增益带宽也适合放大超短脉冲超快放大器);光纤中的非线性效应克尔效应拉曼效应(下面有讲)限制了其增益。单频率的信号也可以被放大到很高功率,在这种情况下,受激布里渊散射限制了其增益。

掺钕放大器也可以用于1300nm光谱区,但是性能相对较差。

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图4:输入信号为1mW,ASE被抑制。


掺铒光纤放大器

掺铒单模光纤放大器被广泛用于长距离光纤通信系统中,用来补偿长距离光纤中的损耗。具体细节参考词条掺铒光纤放大器。


掺钕光纤放大器

掺钕氟化物光纤放大器(TDFA)的泵浦光波长为1047nm或者1400nm,它可以放大通信S波段,波长为1460-1530nm,也可以放大1650nm光。因此结合掺钕放大器可以将放大器拓展到更宽的波长范围。

掺钕放大器也可以用于第一通信窗口,工作波长范围为800-850nm。


掺镨光纤放大器

也存在在第二通信窗口约1300nm处工作的光纤放大器[7,9],但是相比于掺铒光纤放大器性能比较差。可以采用掺镨的氟化物光纤(PDFA),采用的泵浦光波长在1020nm附近(比较不常用的泵浦波长)或者1047nm(YLF激光器产生)。


一些技术问题

光纤激光器可以前向泵浦(泵浦光与信号波同向),后向泵浦或者双向泵浦。泵浦光的方向不会影响对小信号的增益,但是会对饱和的激光器的功率效率和噪声特性有影响。双向泵浦不仅可以提供高泵浦功率,噪声系数也很低,同时功率效率也很高。

大多数放大器(例如掺铒和掺镱的)是基于准三能级跃迁(掺钕放大器是例外)。也就是说在未被泵浦的状态下,活性离子会产生损耗,只有当到达一定的激发能级时,才能实现放大。准三能级特性也会放大噪声,增大噪声系数,但是也可以通过优化设计来使其尽可能小。

光纤放大器中光纤的非线性,例如克尔效应,会非常显著,尤其当放大超短脉冲时(超快放大器)。这会引起强的自相位调制,同时也会有拉曼增益,所以可以产生一个强的波长比放大信号大几十个纳米的一级斯托克斯波。在单频工作时,受激布里渊散射则是最重要的非线性效应。

可以通过提高光纤模式面积(这同时会降低增益效率和可能降低光束质量)或者减小光纤长度的方法来减弱非线性效应。后者在具有高掺杂浓度光纤的情况是可行的,但是这也会引起 浓度淬灭。

啁啾脉冲放大器是可以从根本上减小非线性效应的技术,脉冲在进入放大器前先被色散展宽,然后再重新压缩。采用这样技术(利用光纤布拉格光栅进行压缩)可以产生飞秒脉冲,能量小于1微焦耳,脉冲的峰值功率可以达到千瓦量级。如果采用体光学器件结合大模式面积的光纤放大器,峰值功率可以高达百兆瓦量级,但是采用这种方法光纤系统的一些显著优势就不存在了。相比于全体光学系统,采用光纤来进行放大的优势在于单通增益足够大因此不需要采用正反馈放大器

另外,多级放大器也就是放大器链,也需要实现。这可以通过在各级间加入滤波器或者调制器来抑制ASE,优化功率效率和噪声系数,并且模块化方案也为未来放大器的发展提供了很大的灵活性。

大多数放大器不采用保偏光纤,所以不能保持输入光的偏振态。另外,放大过程也与偏振无关,这在通信领域应用方面是其优于半导体光放大器的一个方面。


光纤放大器模块

一些公司提供光纤放大器模块以便原始设备系统的集成。输入和输出端与光纤连接器相连。一个模块通常不仅包括光纤放大器,还包含泵浦二极管的控制电路,输入/输出功率控制器,功率稳定器,报警器,增益平坦滤波器等。现在已经有掺铒光纤放大器模块,掺镱光纤放大器模块等,并且功率不同。


拉曼光纤放大器

拉曼放大器不同于激光放大过程,而是基于光纤中的拉曼散射。它与掺铒光纤放大器有很大的不同,在词条拉曼放大器中有介绍。


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参阅:掺铒光纤放大器高功率光纤激光器和放大器稀土掺杂光纤光纤双包层光纤增益平坦光纤激光器放大器超快放大器拉曼放大器分布放大器超辐射光源光纤模拟软件光纤和其它波导光电器件