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10部分：

第十部分：多級光纖放大器

在本教程的前面部分已經提到過，例如在納秒脈沖和超短脈沖放大器中，可以使用多級放大器，即包含多個有源光纖的放大器設置。

本質上，使用多級放大器有兩種不同的原因：

? 人們可能希望在設置中使用不同種類的有源光纖——例如，一種用于前置放大器的有效模式面積較小的光纖，另一種用于最終放大器級的雙包層大模式面積光纖。

? 在許多情況下，需要在兩級之間插入光學元件，例如泵浦耦合器、濾光片和開關。

在下文中，我們將更詳細地了解多級光纖放大器的各個重要方面。

需要不同的模式區域

光纖放大器系統通常提供幾十分貝的非常高的增益。這意味著有源光纖的不同部分會看到非常不同的光功率或脈沖能量。

最后一級（功率放大器級）需要大模式區域有幾個原因：

? 對于太低的模態區域，非線性效應會過大。

? 當使用雙包層光纖獲得高平均功率時，大模面積會降低包層/纖芯面積比，從而提高泵浦吸收，因此可以使用更短的光纖長度；這進一步減少了非線性效應。

? 此外，可以避免或減少高能脈沖引起的過度增益飽和（以及由此產生的脈沖形狀失真）的問題。最后，如果需要在光纖中存儲高能量，還可以避免因增益過大（例如，強放大的自發發射，參見第 4 部分）而導致的問題。

另一方面，對于低功率前置放大器來說，較小的模式區域仍然是可取的：

? 我們希望具有高增益效率，以便在使用小泵浦功率的同時獲得高放大器增益。

? 在低平均功率狀態下，功率轉換效率更高。

? 我們可以使用具有穩健導向的嚴格單模光纖，允許緊密盤繞以實現緊湊的設置，同時保持光束形狀穩定。

? 上述較高模式區域的原因不適用于低功率前置放大器：不存在（或至少較小）非線性、增益飽和或 ASE 問題。

? 通常，功率放大器級具有顯著較低的增益，但提供了最大部分的輸出功率。

需要不同的泵送選項

當使用如上所述的兩種不同光纖時，可能希望通過將光纖直接泵入纖芯來最小化前置放大器的泵浦功率。在低功率水平上，這很容易做到，例如使用光纖耦合二極管激光器和二向色光纖耦合器。但是，該選項可能不適合最終需要的高功率；在那里，人們想做包層泵浦，即將泵浦光注入雙包層光纖的泵浦包層（見第 6 部分）。顯然，當使用具有相應不同光纖的兩個不同放大器級時，這至少更容易。

注入額外的泵浦光

對于纖維，我們有時會缺少末端。更多的纖維有助于擁有更多的末端。例如，在兩級放大器中，我們已經有四個光纖端可以注入泵浦功率。這是受歡迎的，例如，如果我們無法僅使用兩個泵浦二極管獲得足夠的泵浦功率。

ASE 抑制

為了避免過度放大自發發射的麻煩（ASE，見第 4 部分），第一步是設計一個不高于所需的增益。特別是，增益效率不應高于必要的值。然而，有時我們只需要一個非常高的增益，例如 60 dB。在單個放大器級中會導致過度的 ASE；更準確地說，在達到該增益之前，我們會將大部分泵浦功率轉換為 ASE 功率。

多級放大器允許通過級之間的 ASE 消除來解決該問題。本質上，一個人在那里強烈衰減 ASE，因此它必須在下一階段“從頭開始”建立。有不同的選擇：

? 如果只需要放大窄帶信號或脈沖，則可以簡單地使用窄帶光學帶通濾波器來傳輸有用的輻射（信號或脈沖），同時抑制大部分 ASE。例如，如果可以使用具有 1 nm 濾波器帶寬的干涉濾波器，則可能已經將不需要的 ASE 功率降低了大約一個數量級。然而，對于本質上是寬帶的飛秒脈沖，這是一種不太有效的方法，因為需要更大的濾波器帶寬。

? 法拉第隔離器允許人們在反向強烈抑制 ASE。這一點尤其重要，因為前置放大器通常對 ASE 比功率放大器級更敏感。

? 對于脈沖操作，也可以使用具有級之間的光開關的時間選通，該光開關僅在要放大的每個脈沖周圍的短時間間隔內打開。（例如，可以使用聲光調制器或電光調制器。）該方法不能避免 ASE 直接在脈沖周圍可能出現的問題，這可能會干擾某些應用，但它會降低系統中的 ASE 功率損耗.

? 如果信號在整個器件中極化良好，也可以在級之間使用偏振器來抑制未使用的極化方向上的 ASE。然而，這種措施不太常見，因為它比其他措施實現的少，而且信號通常是非極化的。

在某些情況下，必須將這些選項中的兩個或多個結合起來以實現足夠的 ASE 抑制。

最小化放大器噪聲

使用大功率雙包層光纖放大器可能難以實現放大器的低噪聲系數（參見第 9 部分）。這是因為此類設備通常在輸入端以相當低的激發密度運行，特別是在反向泵浦時。但是，如果將這樣的功率放大器與核心泵浦前置放大器相結合，則整個設備可以具有非常好的噪聲系數。

保護和監控

法拉第環行器（即具有附加輸出端口的法拉第隔離器）允許提取從功率放大器返回的任何信號光，例如來自應用的背反射結果。這樣，可以避免損壞前置放大器或種子源。請注意，背向反射的光會在那里被進一步放大。輸出端的法拉第隔離器可能無法工作，因為它必須承受高光功率。（當然，它的反饋足夠強，它也可能會殺死階段之間的循環器。）

此外，可以監控放大器級之間的功率電平，例如，以便在檢測到不良操作條件（例如太強的光反饋）時關閉設備。

增益扁平化

對于某些應用，例如具有波分復用的光纖通信，需要具有“平坦”增益的放大器，即在某些光譜窗口內具有低增益變化。這通常是通過插入一些增益平坦濾波器來完成的，這會在增益過高的波長區域提供更高的光損耗。

但是在哪里放置這樣的過濾器？如果我們把它放在放大器前面，它會破壞噪聲系數（見第 9 部分）。如果我們把它放在后面，它會降低電源轉換效率。這兩個問題都可以通過將濾波器放置在兩個放大器級之間來避免，在這兩個放大器級之間，噪聲問題和功率損耗都不是關鍵問題。

增益平坦化也可以通過組合具有不同纖芯化學成分的兩根光纖來促進，從而導致不同的增益光譜和整體更寬的增益光譜。