本文作者：RüDIGER PASCHOTTA
單位：RP PHOTonICS AG
近40年來，工業(yè)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(yīng)用于許多工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域。
20世紀(jì)80年代開發(fā)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(tǒng)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(fā)展并最終實現(xiàn)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(nèi)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(fā)射。將一些泵浦光注入光纖的一端或兩端，可起到激發(fā)離子的作用。
除某些上轉(zhuǎn)換泵浦方案外，泵浦波長比信號波長短。當(dāng)放大信號產(chǎn)生很大的光功率時，就會影響離子激發(fā)。這反過來又會導(dǎo)致增益飽和。
強飽和效應(yīng)
原則上，向光纖中注入一些泵浦光可產(chǎn)生信號放大效果。然而，由于各種原因，通常很難準(zhǔn)確預(yù)測注入光后會發(fā)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(fā)的結(jié)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(shù)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(shù)所預(yù)期的長度范圍。這個值是根據(jù)摻鐿密度、吸收截面和光纖模式與摻鐿纖芯的重疊系數(shù)的乘積計算得出的。
此外，在大部分傳播長度內(nèi)，摻鐿激發(fā)率保持在50%左右，與本地泵浦功率幾乎沒有關(guān)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(fā)程度有關(guān)，是這些效應(yīng)的背后原因。只需適度的泵浦功率，系統(tǒng)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(fā)輻射（ASE）。前向自發(fā)輻射在光纖的其余部分被部分重吸收。這就導(dǎo)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(fā)。
圖1. 基于軟件模擬的摻鐿光纖（灰色）中光功率和鐿（Yb）激發(fā)分?jǐn)?shù)的演變。飽和效應(yīng)驅(qū)動泵浦功率線性下降（近似值），而不是指數(shù)下降。ASE：放大自發(fā)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。現(xiàn)在，光纖的實質(zhì)激發(fā)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(yīng)決定了光纖的實質(zhì)激發(fā)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(tǒng)中可以看出，稀土摻雜光纖的具體性能可能與最初的預(yù)期大相徑庭，因為很難預(yù)料其中涉及的所有相關(guān)物理細節(jié)。因此，即使在簡單的情況下，不進行模擬也很難優(yōu)化放大器或激光器的設(shè)計。當(dāng)設(shè)計需要更復(fù)雜的設(shè)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(jié)果的可能性就會降低。
動態(tài)行為
與其他各種激光活性離子相比，稀土離子的上態(tài)壽命相當(dāng)長。鐿的上態(tài)壽命為1ms，鉺的上態(tài)壽命略小于10ms。這些數(shù)值在一定程度上取決于光纖玻璃的成分。
因此，當(dāng)將放大器放入一個系統(tǒng)中時，放大器增益會在泵浦源開啟后通過相當(dāng)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(fā)能量有關(guān)。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(fā)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(shù)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(tǒng)出現(xiàn)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(dāng)輸出脈沖能量超過飽和能量時，系統(tǒng)會出現(xiàn)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(shù)與平均激發(fā)成指數(shù)關(guān)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(tài)。事實上，鐿激發(fā)急劇下降，這也導(dǎo)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(fù)到良好的泵浦狀態(tài)。此外，信號再吸收也會阻礙能量的完全提取；脈沖波長越長，這種影響越弱。
圖4. 脈沖放大前后光纖放大器的狀態(tài)。鐿（Yb）激發(fā)下降導(dǎo)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(tǒng)假定輸入脈沖持續(xù)時間為10ns，峰值輸出功率為8.1kW。這種功率水平會導(dǎo)致一定程度的光學(xué)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(xué)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(guān)，可通過光譜測量來揭示。此外，化學(xué)成分會影響摻鐿光纖的光衰減趨勢，從而導(dǎo)致光纖性能逐漸下降。
大多數(shù)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(yōu)化，鐿離子就能有效地將其激發(fā)能量轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)態(tài)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(fā)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(shù)幾種小眾應(yīng)用，如上轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)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(zhì)量。
在這些問題上需要考慮一些權(quán)衡：例如，降低光纖的折射率對比度或數(shù)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(dǎo)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(zhàn)甚至比無源光纖更大，因為這些光纖的纖芯往往會出現(xiàn)更大的折射率波動。
實現(xiàn)大模式面積的其他方法包括與光子晶體光纖有關(guān)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(dǎo)魯棒性之間的權(quán)衡。
不過，大的模式面積自然意味著較弱的導(dǎo)光性能。由于衍射效應(yīng)較弱，必須由基于光纖設(shè)計的相應(yīng)弱聚焦效應(yīng)進行補償，因此通過平衡這兩種微弱的抵消效應(yīng)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(zhàn)。由于從物理上不可能將光束質(zhì)量較差的泵浦光（例如來自二極管棒的泵浦光）有效地注入單模或少模光纖纖芯，因此需要采用雙包層光纖設(shè)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(dǎo)模式，甚至適用于光束質(zhì)量較差的泵浦源。
簡單的雙包層設(shè)計是徑向?qū)ΨQ的，在圓形泵浦包層內(nèi)有一個圓形芯。遺憾的是，這種結(jié)構(gòu)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(shè)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(chǎn)生問題。三層包層設(shè)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(fā)揮任何光學(xué)功能，是極端工作條件下的首選設(shè)計。三包層方法還允許設(shè)計人員實現(xiàn)更小的泵浦包層。在某些應(yīng)用中，較低的泵包層與纖芯面積比有利于提高系統(tǒng)性能。
最常見的是采用標(biāo)準(zhǔn)125μm泵包層直徑的雙包層設(shè)計。這會導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)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(yù)期。雖然泵浦功率很低，但輸入端附近的鐿激發(fā)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(fā)程度更為相關(guān)。ASE也是如此，它在前2米處的摻鐿激發(fā)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(fā)。雙包層設(shè)計產(chǎn)生了相對較大的面積比，這對系統(tǒng)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(yīng)越強。這樣，最大有效增益就會轉(zhuǎn)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(qū)域的放大，但不幸的是，這會增加量子缺陷。盡管如此，功率轉(zhuǎn)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(guān)參數(shù)，因為這些信息使得光纖的性能可以預(yù)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(shè)計。經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)設(shè)計人員和最終用戶都知道，根據(jù)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(yù)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(dǎo)參數(shù)通常是眾所周知的，但光譜細節(jié)卻不那么容易確定。尤其是在較為復(fù)雜的情況下，如離子間的能量傳遞或激發(fā)態(tài)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(shù)與可用數(shù)據(jù)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(yù)測的光纖。這使客戶無需經(jīng)過許多優(yōu)化步驟即可獲得成功。
對于相對標(biāo)準(zhǔn)的光纖，例如摻雜鐿、鉺或釹離子的光纖，供應(yīng)商通常會提供相對全面可靠的光譜數(shù)據(jù)，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(shù)，或接受更多的反復(fù)試驗，直到實現(xiàn)優(yōu)化的器件設(shè)計。
結(jié)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(xù)廣泛應(yīng)用至關(guān)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(fā)至關(guān)重要。由于強泵浦和增益飽和、信號重吸收和ASE等帶來的復(fù)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(shù)據(jù)和合適的模擬軟件，設(shè)計人員和用戶可以可靠地預(yù)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(chǎn)生令人滿意結(jié)果的光纖。
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