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圖4 后向泵浦980nm和前向泵浦980nm增益隨功率變化的曲線圖我們從中可以比較前向泵浦與后向泵浦增益隨泵浦功率變化的差異。

圖4.后向泵浦980nm和前向泵浦980nm增益隨功率變化的曲線圖我們從中可以比較前向泵浦與后向泵浦增益隨泵浦功率變化的差異。

圖4.后向泵浦980nm和前向泵浦980nm增益隨功率變化的曲線圖 我們從中可以比較前向泵浦與后向泵浦增益隨泵浦功率變化的差異。

本案例詳細(xì)介紹了980 nm和1480 nm泵浦的放大器。980nm和1480nm泵浦波長是EDFA中使用的最重要的泵浦波長。圖1顯示了具有980nm和1480nm波長泵浦的正向泵浦方案中的布局設(shè)置。 以信號輸出功率、增益和噪聲系數(shù)為特征的放大器性能取決于泵浦波長。

圖4.后向泵浦980nm和前向泵浦980nm增益隨功率變化的曲線圖 我們從中可以比較前向泵浦與后向泵浦增益隨泵浦功率變化的差異。

圖1.定義泵浦棒 選擇’Pump Light’標(biāo)簽，如圖2所示，該標(biāo)簽用于定義泵浦功率密度。在這個(gè)模式下，我們必須事先知道總的吸收泵浦功率。總的吸收功率為500W。垂直于薄片軸的泵浦功率用超高斯函數(shù)定義，如help=>Pump Light-Top Hat Pump Light Distribution in Axis Direction。光斑的大小等于分布半徑。

要想研究熱透鏡效應(yīng)對泵浦能量的依賴，如下所述：點(diǎn)擊“Parameter Field”窗口中的標(biāo)簽“General”，然后在“Pump power for rescaling”框中輸入新的數(shù)值，所有的熱效應(yīng)都是在原始泵浦能量和輸入值之間按比例線性調(diào)節(jié)的。其它的工具在LASCAD手冊中有講述。

可以通過使用 D 形泵浦包層來提高泵浦的吸收率：本質(zhì)上，我們在泵浦包層的頂部切掉一部分。這就降低了光纖的對稱性，從而避免了低纖芯重疊的螺旋模式。圖3和圖4顯示了結(jié)果。泵浦強(qiáng)度在橫向上的分布更加均勻，而泵浦吸收率現(xiàn)在甚至比根據(jù)“原始”的估計(jì)值稍好。圖3:D 形泵浦包層沿光纖的振幅分布。圖4:光纖末端的強(qiáng)度分布。

啟動LASCAD并定義一個(gè)簡單激光腔 12．定義并分析一個(gè)側(cè)面泵浦棒 22.1 選擇晶體類型和泵浦結(jié)構(gòu) 22.2 定義泵浦光分布 32.3 定義棒的冷卻 72.4 定義材料參數(shù) 82.5 定義復(fù)合材料 92.6 定義控制FEA 計(jì)算程序的選項(xiàng) 102.7 FEA 的可視化結(jié)果 122.7.1 三維觀察器 122.7.2 二維數(shù)據(jù)圖和拋物線fit 122.8 計(jì)算高斯模 132.9

圓包層結(jié)構(gòu)簡單，但缺陷在于許多模式的泵浦吸收效率較弱。圖1為yz平面的場振幅。對于簡單圓包層結(jié)構(gòu)，纖芯區(qū)域內(nèi)光束分布存在明顯的孔洞。 圖2為吸收后的強(qiáng)度分布。

泵浦包層通常具有比光纖纖芯大得多的直徑和更高的數(shù)值孔徑，構(gòu)成多模波導(dǎo)，即使泵浦光束質(zhì)量不是很好，也可以輕松有效地將高功率泵浦光發(fā)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(dǎo)模，有時(shí)甚至支持幾個(gè)模。射入泵浦包層的光也進(jìn)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。）

圖 4 顯示了兩個(gè)波長的小信號增益如何取決于泵浦功率。已經(jīng)超過 100 mW 的泵浦功率，ASE 開始降低它。圖 4： 1030 nm 和 1080 nm 小信號增益對 940 nm 泵浦功率的依賴性。示例 2：在 975 nm 泵浦的摻鐿光纖放大器中的 ASE如果我們改變泵浦波長，ASE 行為會發(fā)生很大變化。

請注意，在半徑為 5 μm 的區(qū)域上使用 100 mW 的中等泵浦功率，我們已經(jīng)得到 1.27 mW/μm2的泵浦強(qiáng)度，即超出圖表中軸范圍的值。我們看到我們很容易在光纖中獲得強(qiáng)泵浦飽和：大量的上層人口意味著相應(yīng)減少的低層人口，從而減少了泵浦吸收。對于 Yb 3+離子，具有更高的吸收截面，尤其是在 975 nm 附近，泵浦飽和效應(yīng)甚至更強(qiáng)。

如果我們在光纖放大器中放大一些信號，我們有不同的泵浦選項(xiàng)： 正向泵浦是指泵浦波與信號波的傳播方向相同。

然后將泵浦功率與信號一起傳播到另一端。（泵浦功率會朝那個(gè)方向增長；你向后傳播！）在信號輸出端，您通常會發(fā)現(xiàn)泵浦功率與實(shí)際注入的泵浦功率不匹配。但是，您可以改進(jìn)您的猜測并重復(fù)該過程，直到您獲得自洽的解決方案。當(dāng)你有多個(gè)反向傳播波時(shí)，真正的麻煩就來了。例如，即使您只注入一個(gè)泵浦波并且沒有信號，您也可能通過放大的自發(fā)發(fā)射（參見第 4 部分）獲得強(qiáng)光，并在兩個(gè)方向上傳播。

注入額外的泵浦光對于纖維，我們有時(shí)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(jīng)有四個(gè)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(gè)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(fā)發(fā)射的麻煩（ASE，見第 4 部分），第一步是設(shè)計(jì)一個(gè)不高于所需的增益。特別是，增益效率不應(yīng)高于必要的值。

這意味著用 1500 nm 泵浦不可能達(dá)到如此高的激發(fā)能級。它需要更短的泵浦波長以減少泵浦波的受激發(fā)射。實(shí)際上只能通過泵入液位歧管 3 ( ? | 11/2) 波長約為 980 nm。不幸的是，由于高量子缺陷，泵浦的功率效率更差。圖 2 顯示，更強(qiáng)的激發(fā)能級不僅提供更多增益，而且會改變增益譜的形狀。這是光纖放大器的典型現(xiàn)象。

這里，泵浦功率由于泵浦吸收而降低，而信號功率則上升。請注意，泵浦功率的衰減不是指數(shù)衰減，因?yàn)槲覀冇邢喈?dāng)大的飽和效應(yīng)。這在光纖設(shè)備中很常見，這些設(shè)備通常在非常高的強(qiáng)度水平下運(yùn)行。其后果之一是放大器所需的光纖長度可能比基于忽略飽和效應(yīng)的單一估計(jì)所預(yù)期的要長得多。圖 2： 摻鐿光纖放大器中的泵浦和信號功率，具有共同傳播的泵浦和信號。

就噪聲而言，反向泵浦明顯更差，因?yàn)樵谠撆渲弥校覀冊谛盘栞斎攵烁浇你s激勵程度較低。在正向泵浦的缺點(diǎn)（例如反向 ASE）過于嚴(yán)重的情況下，雙向泵浦可能是一個(gè)很好的折衷方案。 我們還看到，在較短的波長下噪聲系數(shù)明顯更高，因?yàn)榛鶓B(tài)歧管中鉺離子的重吸收在那里更強(qiáng)。 其他因素是泵和信號輸入功率，因?yàn)檫@些會影響激發(fā)密度。通常，較高的泵浦功率和較低的信號輸入功率會降低噪聲系數(shù)。

圖2 晶體中光束截面分布3 Q開關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)模擬在“Pumping”下拉框中可以選擇兩個(gè)不同模式的泵浦，CW泵浦和脈沖泵浦。脈沖泵浦可用于近似被動Q開關(guān)模型，見第3.3節(jié)。3.1 CW泵浦對于連續(xù)波長泵浦，由重復(fù)固定頻率引發(fā)的預(yù)定義脈沖也可以計(jì)算。