双级结构高功率铒2f镱共掺光纤放大器的理论与实验研究

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1、第一章绪论纤系统具有良好的兼容性。利用这一点可制作分立式或分布式RFA，分布式RFA可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，特别适用于海底光缆通信系统，而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率可以大为减少，从而大大减小四波混频效应的影响，这对于大容量DWDM系统非常有利。(2)串扰小、噪声指数低、温度稳定性好。实验表明，在长距离的DWDM系统中以RFA代替EDFA可以有效提高接收端的信噪比。目前，分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波分复用系统所使用的光放大器大多

2、是分布式光纤拉曼放大器，但拉曼放大器的增益较低(实际线路中使用时不超过16dB)，而EDFA虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可以超过30dB，因此将拉曼放大器与EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。1．5双包层光纤技术和其它固体激光介质相比，掺杂光纤作为激光增益介质有很明显的优势。一个是损伤阈值高，另一个就是表面积／体积比很大，散热非常好，一般情况下空冷即可，而其它固体工作介质往往需要水冷。因此，掺杂光纤是高功率光纤激光器很理想的工作介质。但是，普通单模光纤的纤芯直径很小，对1．5pm左右的工作

3、波长而言一般小于109m，泵浦光耦合进纤芯时比较困难，较细的纤芯严重制约了泵浦光的耦合效率。若泵浦的LD输出的是多模泵浦光，其耦合效率又会更低。这些限制导致光纤激光器和放大器长期以来的泵浦转换效率都很低。在高功率工作方面，光纤的激光输出一直没有得到人们的重视。正如前文中提过的，直到1988年，E．Snitzer等人提出了双包层光纤的设计思想，这一情形才得以改变。1．5．1双包层光纤结构Snitzer等人提出包层泵浦技术以来，双包层激光器和放大器由于结构紧凑、可靠性好j冷却快速、具有更高于传统腔体固体激光器的泵浦效率以

4、及优良的光束质量等优点，受到越来越广泛的重视。双包层光纤是由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层四部分组成，和常规光纤相比，多了一个可以传输泵浦光的内包层。如图1．1所示，从内至外的几层结构分别是纤芯、内包层、外包层、保护层，黑线箭头表示泵浦光在内包层中的传输过程【j7J。双包层光纤内包层的尺寸相对纤芯来说很大，一般大于100pro，而普通的单模纤芯则在10pm以下；泵浦光可以很容易地耦合进内包层并在传输过程中多次第一章培论经过纤芯。内包层的引入大大提高了纤芯对泵浦光的吸收效率，不仅如此，内包层还可以容纳大功率的多模半导

5、体泵浦光，由此发展并逐渐成熟起来的泵浦光耦合技术称作包层泵浦技术。为了提高对泵浦光的吸收效率，人们一直在努力优化内包层的设计。外也层保护层泵浦睹号内包崖图I．1双包层光纤结构示意罔纤芯⑤⑩◎◎◎③⑧◎”鲫(∞圈l之各种不同截面的双包层光纤结构信号光输出早期双包层光纤的内包层形状多为圆形。但是圆形结构的内包层具有很高的对称性，会导致内包层中大量螺旋传输光的存在，在同轴纤芯的情况下，有90％的泵滴光成为螺旋光而无法吸收，即始做成纤苍不同轴的结构，如图卜2(b)所示，泵浦光的吸收效率也难以达到很高””。为了提高泵浦光的吸收

6、效率，研究者又设计了梅花形、星形、矩形、六角形、D形等形状的内包层1191-口”，如图1．2所示；研究表明，非圆形结构的内包层对泵浦光的吸收效率远大于圆形内包层，比如说截面为矩形结构的内包层，理论上对泵浦光的吸收可到100％tⅫ。双包层光纤的纤芯～艘掺杂有稀土元素，掺杂的元素决定了激光器和放大器第一章绪论工作的波长范围；而直径远远大于纤芯的内包层则是收集大功率多模泵浦光的通道。这种结构大大提高了光纤激光器容纳泵浦光的能力，是现阶段高功率光纤激光器快速发展的重要推动因素。纤芯根据需要可设计成不同的尺寸和结构，根据纤芯中

7、激光模式的不同可将双包层光纤的纤芯分为单模光纤、多模光纤和大模面积光纤几种。单模纤芯的直径比较小(一般小于109m)，纤芯数值孔径在0．1．0．2之间，使用单模纤芯的激光器输出光束质量较好。但是，单模纤芯横截面积小，光纤的储能有限，自发辐射放大(ASE)比较明显，纤芯中功率密度高，各种非线性效应也容易发生，因此，脉冲的峰值功率会受到限制。多模光纤的纤芯直径较大(典型尺寸309m)，纤芯数值孔径也较大，储能比单模光纤高，但ASE难以抑制，因为ASE能量随光纤中模式的增多而增大，数值孔径大也有利于背向ASE的发生，而且多

8、模光纤背向瑞利散射严重，这些都不利于得到高质量的光束输出。大模面积光纤与前两种光纤都不相同，它在增加纤芯横截面积的同时，通过减小纤芯与包层的折射率差的方法来降低纤芯的数值孔径(一般降低至0．02或更小)，在低数值孔径下高阶模的损耗加大，这样便可以在芯径很大的时候仍使光纤中的光保持单模传输。大模面积光纤中较少的激光模式可有效地降低ASE的功率，模