光纖放大器的教程包含以下十個部分：

1、光纖中的稀土離子

2、增益和泵浦吸收

3、穩態的自洽解

4、放大的自發發射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的雙包層光纖

7、納秒脈沖光纖放大器

8、超短脈沖光纖放大器

9、光纖放大器噪聲

10、多級光纖放大器

接下來是Paschotta 博士關于光纖放大器教程的第6部分：

第六部分：用于大功率操作的雙包層光纖

基于單模光纖的光纖放大器的輸出功率非常有限，因為很難將高泵浦功率注入這種光纖。這有兩個原因：

? 高功率激光二極管的光束質量通常很差——不足以有效地發射到單模核心。

? 即使有一個高功率單模泵浦源，注入泵浦光也是一個非常微妙的問題。光纖纖芯中的高泵浦強度不會是主要問題：畢竟，高功率光纖放大器也可以應對類似的高信號輸出功率。然而，由于發射效率永遠不會100%，即使使用高質量的泵浦光束，也會將大量功率發射到包層中，然后可能由于過熱而破壞光纖，例如由于涂層處的吸收（即使光纖末端被剝離了一些重要的長度）。

這個問題可以通過使用雙包層光纖來解決。它們在纖芯周圍有一個泵浦包層，纖芯本身被折射率更低的外包層包圍。泵浦包層通常具有比光纖纖芯大得多的直徑和更高的數值孔徑，構成多模波導，即使泵浦光束質量不是很好，也可以輕松有效地將高功率泵浦光發射到其中。纖芯的折射率仍然高于泵浦包層的折射率，因此它支持單導模，有時甚至支持幾個模。

射入泵浦包層的光也進入光纖纖芯，在那里它可以被激光活性離子吸收。（請注意，泵浦包層是未摻雜的，因此那里沒有泵浦吸收。）只是，泵浦光與摻雜纖芯的重疊減少了，因為大部分泵浦功率在未摻雜的泵浦包層中傳播。

圖 1 顯示了泵浦光如何注入內包層（泵浦包層），而信號光如何注入光纖纖芯并保留在那里。

圖 1： 基于雙包層光纖的包層泵浦光纖放大器。信號光射入摻雜纖芯，泵浦光射入內包層。芯為 D 形，可更有效地泵吸。

優化泵吸收

所提到的注入泵浦包層（而不是直接進入纖芯）的泵浦光的吸收減少會導致缺點，如下面更詳細討論的。因此，最大化雙包層光纖中的泵浦吸收通常是有益的。

一種直接的方法是使泵包層盡可能小。當然，這增加了對泵浦光束質量的限制。數值孔徑（即泵浦包層和外包層之間的折射率對比）越高，該問題就越不嚴重。

另一種方法是使摻雜光纖纖芯盡可能大，從而減小泵浦包層與纖芯的面積比。限制通常是由需要穩健的單模信號傳播來設定的，這對于大纖芯來說更加困難（參見關于大模面積光纖的百科全書文章）。有時，人們接受具有多個導模，盡管這使得獲得高光束質量的信號輸出變得更加困難，并且還可能導致在高功率水平下的某些模式不穩定性。

其次，可以最大化纖芯的摻雜濃度。但是，這是有限制的；在高摻雜濃度下，有害的猝滅效應變得太強，對于高功率操作，每米光纖的功率耗散可能會過高。

圖 2： 泵浦光沿帶有圓形泵浦包層的雙包層光纖的幅度分布。使用RP Fiber Power軟件完成的數值模擬表明，泵浦強度分布在核心區域形成了一個“洞”。剩余的泵浦光表現出相當不完全的吸收。例如，使用 D 形磁芯可以減輕這種影響。

一些雙包層光纖的一個令人討厭的問題是，泵浦吸收甚至比僅考慮上述面積比所預期的還要差。這是因為對于泵包層的不同模式，與纖芯的重疊是完全不同的。其中一些與核心幾乎沒有重疊，因此僅表現出非常弱的泵吸吸收。經過一段光纖長度后，可能僅在這些模式下留下大量泵浦功率，并且使光纖更長沒有太大幫助（參見圖 2）。一些泵浦包層模式的吸收比平均值好得多也無濟于事，因為超過 100% 的吸收無論如何是不可能的。

有多種可能的對策，例如光纖的強烈卷繞（這會導致模式加擾）和使用不太對稱的光纖設計，這種設計沒有泵浦包層模式，纖芯重疊非常低。圖 3 顯示了不同的設計。最簡單的一種具有圓形泵浦包層和中心芯的設計，如圖 2 所示，在泵浦吸收方面非常差，而其他的都更好。

圖 3：雙包層光纖 的各種設計。纖芯為藍色，內包層為淺灰色，外包層為深灰色。沒有顯示經常使用的附加聚合物涂層。

雙包層光纖也可以制成光子晶體光纖，如圖 4 所示。在這里，多模泵芯由空氣包層中的非常薄的支柱懸掛，泵浦光無法通過這些支柱逃逸。這樣的結構對于泵浦光可以具有非常高的數值孔徑，這降低了對泵浦光束質量的要求。纖芯的引導與其他光子晶體光纖一樣。

圖 4： 具有空氣包層的光子晶體光纖的結構。

包層泵送的局限性

期望雙包層光纖能夠實現與光纖放大器基本相同的性能，只是在更高的功率水平下，這是完全錯誤的。有各種各樣的問題，我們將在下面討論。

第一個問題是泵浦吸收減少的直接后果：我們需要更長的光纖長度，這可能會產生各種不利影響：

這些發現非常典型。一般來說，準三電平光纖放大器在反向泵浦時具有較低的 ASE 損耗，因此如果 ASE 損耗會很大，那么該配置中的功率轉換效率會更高。對于更高的輸入信號功率，造成更強的增益飽和，兩個方向的差異更小。

? 寄生傳播損耗的影響變得更強。然而，這通常不是一個大問題。例如，對于摻鐿雙包層光纖而言，典型的 0.01 dB/m 量級的損耗在 20 m 范圍內僅為 0.2 dB。這對應于 4.5% 的中等功率損耗。

? 非線性效應變得更強。這通常是脈沖放大背景下的一個問題（參見第 7 部分）。

? 與纖芯泵浦光纖相比，纖芯中的激光活性摻雜劑總體上要多得多。由于信號波與摻雜劑的相互作用沒有減少，這可能會產生有害的后果（參見下面討論的示例）。

? 另一個問題可能是雙包層光纖中的泵浦強度相對較低。如果需要高激發密度，例如為了實現在相對短波長下的操作，這可能是個問題。

另一方面，需要一定的纖維長度以避免過熱。至少，大大減少的光纖長度將需要在高功率運行期間進行積極的冷卻。盡管如此，如果可以進一步改善泵浦吸收，它通常還是有用的——特別是對于脈沖放大。對于摻鉺光纖來說尤其如此，因為鉺離子具有較低的吸收截面和較高的聚集效應趨勢，從而為摻雜濃度設定了下限。

示例：摻鐿雙包層光纖放大器

作為一個例子，我們考慮一個摻鐿光纖，它的纖芯與前面的例子相同，但泵浦是在一個直徑大 10 倍的泵浦包層中完成的。940 nm 的泵浦功率從 500 mW 增加到 20 W，1030 nm 的信號輸入功率從 1 mW 增加到 40 mW。所以兩者都比以前高 40 倍，而泵的面積則大了 100 倍。纖維制成 50 m 長以提供足夠好的泵吸吸收。為簡單起見，我們假設光纖中的模式混合完美，這樣就不會出現上述泵浦吸收不完全的問題；這有點樂觀。

然后，人們可能希望獲得與以前一樣好的性能，只是功率提高了 40 倍。然而，情況并非如此，如圖 5 所示：在 ≈60% 的泵浦功率已轉換為信號功率后，信號功率開始下降。所以更長的纖維長度也無濟于事，即使泵吸收還不是很有效。

圖 5： 摻鐿雙包層光纖放大器中光功率的演變。

主要原因是 ASE 出現的波長稍長一些：

圖 6： 摻鐿雙包層光纖放大器的 ASE 光譜。ASE 最大值已移至更長的波長，因為現在鐿激發較低。

通過提供 10 倍以上的信號輸入功率，即通過以較低增益操作放大器，可以大大抑制 ASE。然而，即便如此，功率轉換效率也僅限于 73%。如果我們使用 60 m 的稍微超長的光纖，我們再次得到更高的 ASE 相關功率損耗，轉換效率下降到 54%。

例如，放大器在 1080 nm 的較長信號波長下會更好地工作，因為此時信號波長更接近最大增益的波長。事實上，人們可以發現，高功率雙包層放大器和激光器通常在比核心泵浦設備更長的波長下運行，盡管這當然會增加量子缺陷，這對于高功率運行尤其不利。

示例：用于 975 nm 的摻鐿雙包層光纖放大器

作為另一個例子，我們嘗試修改我們的放大器，使其可以放大 975 nm 的信號。由于這是我們在第 4 部分的示例中獲得大量 ASE 的波長，因此可以期望在 940 nm 泵浦時輕松獲得大量增益。但是，這根本不起作用，如圖 7 所示：

圖 7： 摻鐿雙包層光纖放大器中的光功率分布。

我們產生了大量的前向和后向 ASE，其峰值大約在 1040 nm，前向和后向方向略有不同（見圖 8）。在 975 nm 處，有近 5500 dB 的巨大吸收。（975 nm 處的吸收系數相當高，而且我們在光纖中有很多鐿。）更強的泵浦無濟于事；我們只會生產更多的長波長 ASE。

問題在于，如果平均 Yb 激發增加，我們在長波長區域獲得大量增益（產生強 ASE），早在我們獲得 50% 激發之前，975 nm 處的正增益就開始了。巨大的長波長增益主要是由于我們的光纖中含有大量的 Yb。原則上，更短的光纖會有所幫助：使用 3 m 而不是 50 m，在 20 W 的泵浦功率下，我們可以在 975 nm 處獲得 33 dB 的增益。然而，泵浦吸收效率非常低，因此我們只能將一小部分泵浦功率轉換為 975 nm 的信號功率。

圖 8： 沒有信號輸入的摻鐿雙包層光纖放大器的 ASE 光譜。產生長波長的強 ASE，

問題可以總結如下：

? 盡管與纖芯的泵浦重疊有限，但良好的泵浦吸收要求我們將大量激光活性摻雜劑放入光纖纖芯中。

? 使用如此多的摻雜劑，較小的平均激發密度足以產生較大的長波長增益，而目前還不足以提供較短波長的增益。

實際上有一個解決方案：使用環摻雜光纖（J. Nilsson 等人，Opt. Lett. 22 (14), 1092 (1997)）。這減少了摻雜劑與 ASE 和信號波的耦合，但不會減少與泵浦光的耦合。實際上，可以具有更高的激發密度，從而在更短的波長處獲得增益。

一些結論

我們已經看到，僅僅使用雙包層光纖，在更高的功率水平上獲得與放大器相同的性能并不總是那么容易。例如，人們可能會遇到不需要的 ASE 和/或不完全泵吸收的麻煩。這些發現常常令人驚訝。顯然，實驗室中的試錯法，它不是基于通過數值模擬獲得的透徹理解，會在黑暗中釣魚：測試設備不起作用，在實驗室中也不清楚為什么不是。

到目前為止，我們只考慮連續波操作。接下來我們將看看脈沖的放大。