本文作者：RüDIGER PASCHOTTA
單位：RP PHOTonICS AG
近40年來，工業界對稀土摻雜光纖的青睞程度大幅提高。例如，摻鉺（Er）電信光纖放大器和摻鐿（Yb）或摻銩（Tm）高功率激光器被廣泛應用于許多工業和科學領域。
20世紀80年代開發和推出這些特種光纖之后，稀土摻雜光纖及其支持的光子系統并未立即得到采用。然而，即使這些光纖的使用朝著普及方向發展并最終實現了普及，其性能背后的基本機制在很大程度上并沒有改變。
簡單地說，光纖內的信號光可以通過收集受激稀土離子來放大。這些離子通常只位于光纖的核心部分，并能進行受激發射。將一些泵浦光注入光纖的一端或兩端，可起到激發離子的作用。
除某些上轉換泵浦方案外，泵浦波長比信號波長短。當放大信號產生很大的光功率時，就會影響離子激發。這反過來又會導致增益飽和。
強飽和效應
原則上，向光纖中注入一些泵浦光可產生信號放大效果。然而，由于各種原因，通常很難準確預測注入光后會發生什么。例如，圖1顯示了纖芯直徑為4μm的摻鐿單模光纖在波長為975nm、功率為100mW的情況下，泵浦功率和光纖中鐿激發的結果曲線。令人驚訝的是，泵浦功率呈線性下降（近似），而不是呈指數下降。此外，功率衰減的長度范圍也遠大于人們僅從吸收系數所預期的長度范圍。這個值是根據摻鐿密度、吸收截面和光纖模式與摻鐿纖芯的重疊系數的乘積計算得出的。
此外，在大部分傳播長度內，摻鐿激發率保持在50%左右，與本地泵浦功率幾乎沒有關系，直到距離光纖3米之后才突然大幅下降。
摻鐿吸收的強飽和度與摻鐿激發程度有關，是這些效應的背后原因。只需適度的泵浦功率，系統就能遠遠超過飽和功率，低至2.4mW。
圖1還顯示了前向和后向的放大自發輻射（ASE）。前向自發輻射在光纖的其余部分被部分重吸收。這就導致盡管泵浦功率的殘余可以忽略不計，但右端附近仍存在大量的鐿激發。
圖1. 基于軟件模擬的摻鐿光纖（灰色）中光功率和鐿（Yb）激發分數的演變。飽和效應驅動泵浦功率線性下降（近似值），而不是指數下降。ASE：放大自發輻射。（RP Photonics供圖）
圖2進一步顯示了在1030nm注入1mW信號時飽和的影響。在這里，信號被放大到近100mW?，F在，光纖的實質激發部分明顯縮短。由于信號的再吸收，信號功率最終下降，而泵浦功率的下降速度比之前快得多。
圖2. 注入波長為1030nm的1mW輸入信號，信號被放大到近100mW。增益飽和效應決定了光纖的實質激發部分會縮短。（RP Photonics供圖）
如圖2所示，將光纖長度減半可提高性能。此外，由于增益降低，ASE在很大程度上也會被抑制。
從這些系統中可以看出，稀土摻雜光纖的具體性能可能與最初的預期大相徑庭，因為很難預料其中涉及的所有相關物理細節。因此，即使在簡單的情況下，不進行模擬也很難優化放大器或激光器的設計。當設計需要更復雜的設置（如多個增益級、級間ASE濾波、脈沖放大和/或需要光譜平坦增益）時，確保最佳結果的可能性就會降低。
動態行為
與其他各種激光活性離子相比，稀土離子的上態壽命相當長。鐿的上態壽命為1ms，鉺的上態壽命略小于10ms。這些數值在一定程度上取決于光纖玻璃的成分。
因此，當將放大器放入一個系統中時，放大器增益會在泵浦源開啟后通過相當長的一段時間來積累。此外，信號注入后，放大器增益也不會立即達到飽和。
放大器增益與光纖中存儲的大量激發能量有關。這可用于脈沖放大。事實上，通常只需一個脈沖就能提取其中的大部分能量。這發生在脈沖能量高于給定飽和能量的情況下，有時甚至高達數十毫焦。在脈沖放大過程中，增益會急劇下降，從而扭曲時間脈沖的形狀。
例如，在圖3中，同一根摻鐿單模光纖被泵浦1.5ms，然后注入高斯5μJ信號脈沖（1030nm）。由于輸出脈沖能量為96μJ，遠高于飽和能量，因此系統出現了強烈的脈沖失真。
圖3. 放大器的信號輸出脈沖。輸入脈沖為高斯脈沖，以t=0為中心。當輸出脈沖能量超過飽和能量時，系統會出現強烈的脈沖失真。（RP Photonics供圖）
在這個序列中，值得一提的是功率放大系數與平均激發成指數關系，因此在脈沖期間會顯著下降。圖4顯示了脈沖放大前后放大器的狀態。事實上，鐿激發急劇下降，這也導致了泵浦吸收的突然增加和脈沖后泵浦功率更快的下降。在此之后，泵浦源需要1ms的時間才能恢復到良好的泵浦狀態。此外，信號再吸收也會阻礙能量的完全提?。幻}沖波長越長，這種影響越弱。
圖4. 脈沖放大前后光纖放大器的狀態。鐿（Yb）激發下降導致泵浦吸收突然增加，或脈沖后泵浦功率下降更快。（RP Photonics供圖）
該系統假定輸入脈沖持續時間為10ns，峰值輸出功率為8.1kW。這種功率水平會導致一定程度的光學光譜非線性拓寬。在皮秒甚至飛秒脈沖情況下，非線性限制會大大增加。
光纖成分
稀土摻雜光纖的不同化學成分會影響其性能。例如，稀土離子的摻雜密度、隨波長變化的躍遷截面等特性，以及其聚集和性能降低的趨勢，都與此有關，可通過光譜測量來揭示。此外，化學成分會影響摻鐿光纖的光衰減趨勢，從而導致光纖性能逐漸下降。
大多數稀土摻雜光纖的成分是基于熔融二氧化硅和各種添加劑。這些添加劑可能包括鍺（可用于增加折射率控制）、鐿、鉺、釹（Nd）和/或氚的稀土離子；以及其他離子，如鋁（添加鋁可提高稀土材料的溶解度）。
在某些情況下，會同時使用兩種不同的稀土離子組合。最常見的例子涉及鐿離子和鉺離子。鉺離子作為激光活性離子，而摻雜密度更高的鐿離子則確保泵浦輻射的有效吸收。只要光纖成分得到優化，鐿離子就能有效地將其激發能量轉移到鉺離子上。由于聚類和信號重吸收問題，僅使用較高密度的鉺無法達到最佳效果。
其他應用則需要使用非硅玻璃。例如，由于重金屬氟化物玻璃具有較低的聲子能量，因此可以延長某些稀土離子激發態的壽命。這種光纖可以使用不同的放大器或激光躍遷，而硅基玻璃中的快速非輻射衰減過程（涉及多聲子發射）會完全繞過這些放大器或激光躍遷。如今，氟化物玻璃僅限于少數幾種小眾應用，如上轉換激光器和中紅外放大器，因為它們的制造成本高昂，機械強度遠不如石英玻璃，因此更難處理——如切割和焊接。
模式面積
尤其是在用于強光脈沖的放大器中，光纖的非線性往往是限制性能的關鍵因素。在某種程度上，增加有效模式面積可以緩解這一瓶頸。雖然增加光纖纖芯直徑很容易，但大多數用戶通常必須確保光纖保持單模性能，以輕松保持高輸出光束質量。
在這些問題上需要考慮一些權衡：例如，降低光纖的折射率對比度或數值孔徑（NA）是增加模式面積的直接方法。但這種做法會降低光導性能，最終使光纖對微觀和宏觀彎曲損耗以及制造缺陷過于敏感。對于稀土摻雜光纖來說，這一挑戰甚至比無源光纖更大，因為這些光纖的纖芯往往會出現更大的折射率波動。
實現大模式面積的其他方法包括與光子晶體光纖有關的方法，與其他類型的光纖相比，這些方法可以更有效地緩解模式面積與光導魯棒性之間的權衡。
不過，大的模式面積自然意味著較弱的導光性能。由于衍射效應較弱，必須由基于光纖設計的相應弱聚焦效應進行補償，因此通過平衡這兩種微弱的抵消效應而形成的模式自然會對額外的、通常是不理想的影響（如彎曲）非常敏感。
雙包層和三包層光纖
泵浦光的注入為高功率激光器和放大器帶來了另一系列挑戰。由于從物理上不可能將光束質量較差的泵浦光（例如來自二極管棒的泵浦光）有效地注入單?；蛏倌９饫w纖芯，因此需要采用雙包層光纖設計。在這種情況下，大部分泵浦光被注入直徑比纖芯大得多的泵浦包層。這種泵浦包層的NA值也大得多。因此，它可以支持多種引導模式，甚至適用于光束質量較差的泵浦源。
簡單的雙包層設計是徑向對稱的，在圓形泵浦包層內有一個圓形芯。遺憾的是，這種結構的泵浦包層模式大部分泵浦吸收率較低，因為它與纖芯的空間重疊很小。常見的補救辦法是降低對稱性，例如使用D形或八角形泵浦包層。此外，用戶還可以對光纖進行一定程度的可控彎曲，從而引入模式混合。
雙包層光纖設計通常采用聚合物涂層作為泵浦包層的外部邊界。這種光纖制造簡單，折射率對比度高，因此泵浦包層的NA值很高。然而，將聚合物暴露在高泵浦強度和高溫下會產生問題。三層包層設計，即在泵浦包層周圍增加一層玻璃包層來限制光線，聚合物涂層不再發揮任何光學功能，是極端工作條件下的首選設計。三包層方法還允許設計人員實現更小的泵浦包層。在某些應用中，較低的泵包層與纖芯面積比有利于提高系統性能。
最常見的是采用標準125μm泵包層直徑的雙包層設計。這會導致相對較大的面積比，通常為100，這對性能有重要影響。
圖5顯示的是相同的摻鐿光纖，纖芯中的鐿濃度相同，但現在纖芯周圍是125μm的泵浦包層。我們在975nm波長處使用20W的泵浦功率，并向后移動。現在，需要30米的光纖才能獲得合理有效的泵浦吸收。由于泵浦吸收的飽和度較低，因此光纖長度的增加遠遠小于面積比的預期。雖然泵浦功率很低，但輸入端附近的鐿激發卻更高。由于信號與纖芯中的鐿耦合更為強烈，因此信號功率與鐿激發程度更為相關。ASE也是如此，它在前2米處的摻鐿激發較低。
圖5. 后向泵浦（橙色）雙包層（125μm）光纖中的功率和鐿（Yb）激發。雙包層設計產生了相對較大的面積比，這對系統性能有重要影響。（RP Photonics供圖）
例如，為了支持波長為940nm的泵浦，就需要更長的光纖，單靠更大的纖芯是不夠的，還需要更高的摻鐿密度。光纖中的摻鐿量越多，對1030nm信號波長的重吸收也就相應越強。這樣，最大有效增益就會轉移到更長的波長。出于這個原因，摻鐿雙包層光纖通常用于較長波長區域的放大，但不幸的是，這會增加量子缺陷。盡管如此，功率轉換效率仍可輕松超過 80%。
光纖表征
對于稀土摻雜光纖和特種光纖，制造商最好能說明所有相關參數，因為這些信息使得光纖的性能可以預測。通過仿真軟件，用戶就可以在購買元件之前完成放大器和激光器的設計。經驗豐富的系統設計人員和最終用戶都知道，根據實驗室實驗來分析和解決各種問題可能會非常繁瑣、耗時且耗資巨大，因為未能達到預期性能通常并不表明潛在問題及其解決方案。
雖然光纖的波導參數通常是眾所周知的，但光譜細節卻不那么容易確定。尤其是在較為復雜的情況下，如離子間的能量傳遞或激發態吸收等。某些重要的量無法直接測量，但可以使用模擬模型將光譜參數與可用數據進行擬合。
因此，如果制造商投資于全面的光纖表征，他們就可以銷售性能可預測的光纖。這使客戶無需經過許多優化步驟即可獲得成功。
對于相對標準的光纖，例如摻雜鐿、鉺或釹離子的光纖，供應商通常會提供相對全面可靠的光譜數據，至少在使用常見的泵浦和放大躍遷時這么做。然而，對于更特殊的光纖和用例，用戶通常必須自己測量某些光纖參數，或接受更多的反復試驗，直到實現優化的器件設計。
結語
在稀土摻雜光纖問世40年后，人們對其原理有了全面的了解。這對它們的持續廣泛應用至關重要，因為深入的定性和定量理解對光纖放大器和激光器的高效開發至關重要。由于強泵浦和增益飽和、信號重吸收和ASE等帶來的復雜性，基于簡單圖片的純粹直覺往往會失敗。在許多情況下，利用從制造商那兒獲得的光纖數據和合適的模擬軟件，設計人員和用戶可以可靠地預測稀土摻雜光纖的性能，從而避免購買和測試最終可能無法產生令人滿意結果的光纖。
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