光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器

2019-11-04 22:48:19

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　　1、引言
　　多模包層泵浦技術是最近發展起來的新興技術，是一系列新技術、新工藝和新材料相結合的產物，是實現光纖放大器超大功率輸出的技術核心，代表了大功率光纖放大器制作技術的發展方向。
　　
　　采用單模纖芯泵浦技術，實現更高輸出功率在技術和成本上均受到極大限制，目前國內外采用這種技術途徑制作的光纖放大器，輸出功率一般在23dBm（約0.2W）以下。假如要制作輸出功率超過30dBm的光纖放大器，必須采用新的技術，多模包層泵浦技術就是實現光纖放大器大功率和超大功率輸出的最佳選擇。
　　
　　2、多模包層泵浦技術的優勢
　　與單模纖芯泵浦技術相比，多模包層泵浦技術有如下明顯的優勢：
　　
　　2.1、可采用條寬約100m的寬發光區多模半導體激光器（LD）作為泵浦源，這種寬發光區LD由于注入電流的面積比單模LD的電流注入面積大得多，因而注入電流的密度較小，從而LD的壽命和可靠性大大提高，采用這種寬發光區多模泵浦激光器，能夠在大大提高輸出功率的情況下獲得足夠的使用壽命和可靠性。
　　
　　2.2、單模泵浦激光器需要單縱模運行，因而功率很難提高，目前的單模泵浦激光器，能夠提供的最大輸出功率的，都低于0.5W，而寬面發光多模泵浦激光器的尾纖輸出功率可以輕易達到5W以上。
　　
　　2.3、大功率單模泵浦激光器成本較高，而寬面發光多模泵浦激光器相對便宜，以每毫瓦的單價進行比較，后者僅為前者的3％至5％，而他們的泵浦效率是不相上下的，因此能大幅度降低泵浦成本。
　　
　　2.4、采用多模包層泵浦技術，是將泵浦光輸入至橫截面數百倍于單模光纖的多模雙包層光纖之中，因此，同樣的輸入光密度，多模包層泵浦可以答應數百倍于單模泵浦的輸入，從而輕易實現光纖放大器的大功率或超大功率輸出。
　　
　　3、多模包層泵浦大功率光纖放大器的應用
　　光纖放大器是現代光通信的基礎器件之一，也是大容量長距離全光通信網存在的前提。大功率和超大功率光纖放大器在光纖網絡不斷延伸和擴展的進程中將具有越來越重要的作用，目前，在中心機房，往往需要安裝多臺光纖放大器以便覆蓋較大的范圍和更多的用戶，以有線電視網絡（CATV）為例，一個中等規模的區縣，假如需要將高質量的一級電視信號送到小區和村鎮，往往需要幾臺至十幾臺光纖放大器，而采用超大功率光纖放大器，僅僅一臺即可,可大幅度節省成本和維護費用，網絡運行的穩定性提高。
　　
　　多模泵浦超大功率光纖放大器的出現，將提供一種對人眼安全的大功率高速空間通信手段。大功率光纖放大器也將在光纖到大樓和光纖到戶等應用中發揮重要作用。
　　
　　4、多模包層泵浦光纖放大器的結構和工作原理
　　4.1、結構
　　
　　多模包層泵浦光纖放大器的光路結構如圖1所示：
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖一）

　　4.2、工作原理
　　
　　多模包層泵浦，是將多模泵浦激光耦合到雙包層光纖的內包層中，當多模泵浦光在內包層中傳播時會反復穿過光纖纖芯（如圖2所示），泵浦光在穿過摻有稀土元素的光纖纖芯時被吸收從而實現泵浦。
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖二）

　　與單模纖芯泵浦不同，用于光纖放大器的雙包層光纖，泵浦光主要在內包層中傳播，因此，同樣的纖芯參數，包層泵浦的泵浦吸收截面要小得多，所以，提高泵浦吸收效率是制造雙包層光纖需要重點考慮的因素。合理的內包層結構外形能夠顯著提高泵浦吸收效率，目前，已經設計并制作出了多種內包層外形的雙包層光纖，這些專門設計的內包層結構和外形，使泵浦光在單位長度內有效穿過光纖纖芯的幾率大大增加。圖3是設計制作的部分雙包層光纖內包層外形示意圖。
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖三）

　　另外，對于1550nm波段光纖放大器，采用鉺、鐿共摻的雙摻雜技術，利用鐿元素的高吸收和鉺鐿之間能量的高效傳遞，能夠獲得鉺元素的高效泵浦。圖4為鉺鐿共摻有源光纖的泵浦吸收和能量傳遞簡單能級示意圖。
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖四）

　　鉺、鐿共摻由于存在能量傳遞的互逆性，因此，需要盡可能快的消耗鉺離子的受激狀態。減小纖芯直徑，有效提高光密度，是通常的做法，這樣做對低功率光纖放大器影響不大，但是，對于大功率和超大功率光纖放大器，會由于過高的光功率密度導致非線性效應，這是有害的。
　　
　　對于光纖放大器的應用，雙包層光纖主要用于大功率和超大功率情況，雙包層光纖小芯徑纖芯設計已經成為一種制約因素。采用高濃度鉺單摻雜可能是解決小芯徑問題的一種途徑。我們知道，阻礙鉺元素摻雜濃度進一步提高的主要原因，是鉺元素在摻雜過程中，不可能達到理想的均勻分布，這樣會造成鉺摻雜的局部濃度過高，從而導致局部鉺元素間距過小，相鄰鉺元素之間出現非輻射交叉弛豫過程，這種局部的過高濃度，還會導致玻璃基質中產生結晶現象。所以，人們正在發展新的技術，使鉺元素的摻雜非常均勻，在不引起明顯的非輻射交叉弛豫過程的情況下，大幅度提高鉺元素的摻雜濃度，使采用相對較大的纖芯直徑成為可能。需要說明的是，在其他參數不變的情況下，增大雙包層光纖纖芯直徑，也能提高泵浦光的吸收效率。所以，實現高濃度鉺單摻和增大纖芯直徑，可以獲得與鉺鐿共摻相當甚至更高的泵浦吸收效率，從而發展性能更好的大功率光纖放大器。
　　
　　目前，通過多種途徑優化設計制造的雙包層光纖，多模包層泵浦效率已經與單模纖芯泵浦的效率相當。將多模泵浦激光高效耦合到雙包層光纖的內包層中，是多模包層泵浦的要害技術之一，光功率合成器件(Combiner)是實現這種耦合的要害元件。圖5是多模包層泵浦光纖放大器使用的一種(6+1)×1 Combiner的標準結構。
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖五）

　　圖5 (6+1)×1 Combiner結構示意圖
　　
　　5、影響多模包層泵浦大功率光纖放大器技術參數的因素影響多模包層泵浦大功率光纖放大器技術參數的因數基本與單模纖芯泵浦相同，但有如下一些方面的差異：
　　
　　5.1、泵浦波長
　　
　　單模纖芯泵浦所使用的泵浦激光器，其輸出波長在980nm四周，與鉺離子的光譜吸收峰吻合，由于該吸收峰陡直狹窄，所以，吸收效率對泵浦波長非常敏感，需要對泵浦波長采取嚴格的波長穩定措施，這大大增加了單模泵浦激光器的制作成本。多模泵浦激光器輕易獲得大功率輸，所以，包層泵浦使用吸收率較低但變化比較平坦的915nm至960nm光譜吸收區（見圖6），這樣，降低了對泵浦激光器輸出波長穩定性的要求，所以，多模包層泵浦不需要采取泵浦波長穩定措施，極大地降低了單位泵浦功率的成本。
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖六）

　　5.2、泵浦功率和輸出功率
　　
　　對于輸出功率大于1瓦(30dBm)的大功率光纖放大器來說，由于泵浦功率和輸出功率都很高，因此對光纖熔接質量要求更好，對光纖元件的要求更高，對光纖盤繞更講究。由于輸出功率很高，一般需要將輸出信號分成多路進行傳輸。
　　
　　5.3、非線性效應問題
　　
　　對于大功率光纖放大器，由于光纖中的光功率密度很高，因此，制作和使用這種大功率光纖放大器時，非線性效應成為需要重視的問題。
　　
　　6、研制產品的技術指標
　　已經研制的多模包層泵浦大功率光纖放大器，是為CATV應用而開發，產品技術指標如表1：
　　　光纖：多模包層泵浦大功率光纖放大器（圖七）