多模包層泵浦大功率光纖放大器的工作原理及應(yīng)用

多模包層泵浦大功率光纖放大器的工作原理及應(yīng)用摘要本文要討論是多模包層泵浦大功率光纖放大器。簡(jiǎn)單介紹其的基本組成及工作原理。通過(guò)與普通光纖放大器的比較來(lái)討論其應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞多模包層泵浦，雙包層光纖，高功率1引言多模包層泵浦大功率光纖放大器是一種由多模包層泵浦技術(shù)這一最近發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)產(chǎn)物。采用Yb3+和Er3+離子共摻雜雙包層光纖，是一系列新技術(shù)、新工藝和新材料相結(jié)合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)光纖放大器超大功率輸出的技術(shù)核心。2多模包層泵浦光纖放大器的結(jié)構(gòu)多模包層泵浦光纖放大器的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示：溥激憲二牖圖1溥激憲二牖圖1多揍包屋泵猱光纖放大器的光路結(jié)構(gòu)示意圖疽"鍋3多模包層泵浦光纖放大器的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(nèi)包層中，當(dāng)多模泵浦光在內(nèi)包層中傳播時(shí)會(huì)反復(fù)穿過(guò)光纖纖芯（如圖2所示），泵浦光在穿過(guò)摻有稀土元素的光纖纖芯時(shí)被吸收從而實(shí)現(xiàn)泵浦。/Jr圖/Jr圖2泵浦戲在雙包層曲纖中的傳播示意圖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(nèi)包層中傳播，因此，同樣的纖芯參數(shù)，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(diǎn)考慮的因素。合理的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)形狀能夠顯著提高泵浦吸收效率，目前，已經(jīng)設(shè)計(jì)并制作出了多種內(nèi)包層形狀的雙包層光纖，這些專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)和形狀，使泵浦光在單位長(zhǎng)度內(nèi)有效穿過(guò)光纖纖芯的幾率大大增加。圖3是設(shè)計(jì)制作的部分雙包層光纖內(nèi)包層形狀示意圖另外，對(duì)于155Onm波段光纖放大器，采用鉺、鏡共摻的雙摻雜技術(shù)，利用鏡元素的高吸收和鉺鏡之間能量的高效傳遞，能夠獲得鉺元素的高效泵浦。圖4為鉺鏡共摻有源光纖的泵浦吸收和能量傳遞簡(jiǎn)單能級(jí)示意圖。種雙圖4建述由有源燎泵飆也和能量傳遞簡(jiǎn)單能級(jí)示意圖鉺、鏡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(tài)。減小纖芯直徑，有效提高光密度，是通常的做法，這樣做對(duì)低功率光纖放大器影響不大，但是，對(duì)于大功率和超大功率光纖放大器，會(huì)由于過(guò)高的光功率密度導(dǎo)致非線(xiàn)性效應(yīng)，這是有害的。對(duì)于光纖放大器的應(yīng)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(shè)計(jì)已經(jīng)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(wèn)題的一種途徑。我們知道，阻礙鉺元素?fù)诫s濃度進(jìn)一步提高的主要原因，是鉺元素在摻雜過(guò)程中，不可能達(dá)到理想的均勻分布，這樣會(huì)造成鉺摻雜的局部濃度過(guò)高，從而導(dǎo)致局部鉺元素間距過(guò)小，相鄰鉺元素之間出現(xiàn)非輻射交叉弛豫過(guò)程，這種局部的過(guò)高濃度，還會(huì)導(dǎo)致玻璃基質(zhì)中產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象V所以，人們正在發(fā)展新的技術(shù)，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(guò)程的情況下，大幅度提高鉺元素的摻雜濃度，使采用相對(duì)較大的纖芯直徑成為可能。需要說(shuō)明的是，在其他參數(shù)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(shí)現(xiàn)高濃度鉺單摻和增大纖芯直徑，可以獲得與鉺鏡共摻相當(dāng)甚至更高的泵浦吸收效率，從而發(fā)展性能更好的大功率光纖放大器。目前，通過(guò)多種途徑優(yōu)化設(shè)計(jì)制造的雙包層光纖，多模包層泵浦效率已經(jīng)與單模纖芯泵浦的效率相當(dāng)。將多模泵浦激光高效耦合到雙包層光纖的內(nèi)包層中，是多模包層泵浦的關(guān)鍵技術(shù)之一，光功率合成器件（Combiner）是實(shí)現(xiàn)這種耦合的關(guān)鍵元件。圖5是多模包層泵浦光纖放大器使用的一種（6+1）xCombiner的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。廁向耦合務(wù)模光纖.圖5(6+1)^Combiner結(jié)構(gòu)示意圖4應(yīng)用4.1多包層泵浦高功率光放的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)光纖放大器作為現(xiàn)代光通信的基礎(chǔ)器件之一，不僅是大容量長(zhǎng)距離全光通信網(wǎng)存在的前提，還會(huì)在光纖網(wǎng)絡(luò)不斷延伸和擴(kuò)展的進(jìn)程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。下面對(duì)傳統(tǒng)普通光纖放大器的代表?yè)姐s光纖放大器（EDFA與多模包層泵浦大功率光纖放大器的代表鉺鏡共摻放大器（EYDFA在光纖到戶(hù)（FTTH上的應(yīng)用進(jìn)行比較。采用傳統(tǒng)普通EDFA技術(shù)的解決方案如圖6所示，信號(hào)先在第一級(jí)得到放大后，分成幾路進(jìn)入第二級(jí)的若干個(gè)放大器，使功率得到進(jìn)一步的提升。最終放大后的功率可進(jìn)行功率分配。該方案存在的主要問(wèn)題主要是：1、由于采用了多級(jí)結(jié)構(gòu)，所以光學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且，由于內(nèi)部采用了多個(gè)激光器，所以相應(yīng)的控制方案十分復(fù)雜。2、由于多級(jí)結(jié)構(gòu)在兩級(jí)光放之間插入了分波器，相當(dāng)于在光路中插入了一定的損耗，所以整個(gè)EDFA勺噪聲指數(shù)將會(huì)惡化。3、另外，傳統(tǒng)EDFA采用單模纖芯泵浦技術(shù)，高輸出功率的單模泵浦激光器在技術(shù)和成本上均受到極大限制。4、整臺(tái)EDFA成本很高，所以?xún)r(jià)格昂貴。輸入

端口輸出端口1EDFA第二級(jí)放大圖輸入

端口輸出端口1EDFA第二級(jí)放大圖6采用傳統(tǒng)EDFA工藝的級(jí)聯(lián)式放大示意圖輸出端口4采用基于鏡/鉺共摻雙包層光纖的包層泵浦的方案采用Yb3+（Yb3+勺吸收譜如圖7所示）和Er3+離子共摻雜雙包層光纖。該技術(shù)是一系列新技術(shù)、新工藝和新材料相結(jié)合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)光纖放大器超大功率輸出的技術(shù)核心，代表了光纖放大器制作技術(shù)的發(fā)展方向。傳統(tǒng)EDFA采用單模纖芯泵浦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高輸出功率在技術(shù)和成本上均受到極大限制，目前國(guó)內(nèi)外采用0.2W/）以下。而多模包層泵浦技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)光纖放大器超大功率輸出的最佳選擇。圖8為一個(gè)包層泵浦高功率光放大器的典型光學(xué)結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)途徑制作的光纖放大器，輸出功率一般限制在23dBm（約

這種技術(shù)途徑制作的光纖放大器，輸出功率一般限制在23dBm（約圖7鏡的吸收譜圖8鏡/鉺共摻包層泵浦光放的典型結(jié)構(gòu)有此可見(jiàn)多包層泵浦高功率光放的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1、與單模纖芯泵浦技術(shù)相比，多模包層泵浦技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，采用多模包層泵浦技術(shù)，是將泵浦光輸入至橫截面數(shù)百倍至數(shù)千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，多模包層泵浦可以允許數(shù)百倍至數(shù)千倍于單模泵浦的輸入，從而輕易實(shí)現(xiàn)光纖放大器的大功率或超大功率輸出。2、采用簡(jiǎn)單光學(xué)結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用形式簡(jiǎn)單。如圖9所示

器示意圖3、泵浦的整體成本大幅度降低。表一為兩種方案光放的簡(jiǎn)單比較:表一普通EDFA和EYDFA的簡(jiǎn)單比較EDFAEYDFA最大輸出功率<300mW>1W光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)朵簡(jiǎn)單控制復(fù)朵比單父簡(jiǎn)單體積大小可以預(yù)見(jiàn)，超大功率光纖放大器的廣泛應(yīng)用，將對(duì)光通信的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益良好。2影響多模包層泵浦光纖放大器技術(shù)參數(shù)1、泵浦波長(zhǎng)單模纖芯泵浦所使用的泵浦激光器，其輸出波長(zhǎng)在980nm附近，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(duì)泵浦波長(zhǎng)非常敏感，需要對(duì)泵浦波長(zhǎng)采取嚴(yán)格的波長(zhǎng)穩(wěn)定措施，這大大增加了單模泵浦激光器的制作成本。多模泵浦激光器容易獲得大功率輸，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(qū)（見(jiàn)圖10）這樣，降低了對(duì)泵浦激光器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求，所以，多模包層泵浦不需要采取泵浦波長(zhǎng)穩(wěn)定措施，極大地降低了單位泵浦功率的成本。(EjCDp)」5d&oo?E<Be圖10鉺鏡雙摻雙包層光纖的吸收光譜2、泵浦功率和輸出功率(EjCDp)」5d&oo?E<Be對(duì)于輸出功率大于1瓦(30dBm)的大功率光纖放大器來(lái)說(shuō)，由于泵浦功率和輸出功率都很高，因此對(duì)光纖熔接質(zhì)量要求更好，對(duì)光纖元件的要求更高，對(duì)光纖盤(pán)繞更講究。由于輸出功率很高，一