（物理电子学专业论文）空间光通信用高功率光纤放大器及种子源技术研究.pdf

摘要 随着现代光通信技术的发展，光通信系统向着高速和全球化网络方向发展。对于 超远距离的大容量无线光通信，高功率光纤放大器及高速率种子源是满足其功率、速 率需求的一个有效解决方案。 本论文首先论述了各种掺杂光纤的能态图，探讨不同金属掺杂光纤的激发波长和 输出能量。针对论文设计要求，采用铒镱金属共掺双包层光纤作为光高增益的核心器 件，高效率泵浦源及先进的泵浦耦合技术，光纤放大器自动功率控制( a p c ) 模式和自动 电流控制模式( a c c ) ，实现高功率输出；将e a 调制器与d f b 激光器单片集成形成电吸 收调制激光器，实现高速率输出。这种设计方案既解决了d f b 激光器在高频调制下啁 啾引起的光谱展宽及频响的张弛振荡现象，在调制器和激光器问获得高的耦合效率和 调制光的高输出功率，又降低了成本并减小了封装尺寸。 关键字：高功率光纤放大器自动增益控制自动功率控制 a b s t r a c t t h et r e n di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sg o e st oh i g hs p e e da n dg l o b a ln e t w o r k sp r o v i d i n g u b i q u i t o u sc o v e r a g e f i b e ra m p l i f i e r sa r eo n ep o s s i b l es o l u t i o nt of u l f i l lt h ep o w e ra n dt h er a t e r e q u i r e m e n t sf o r t h eo p t i c a li n t e r s a t e l l i t el i n k i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s s e dv a r i o u sd o p e df i b e re n e r g ys t a t ep l a n sa n de x p l o r e dt h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nd i f f e r e n tm e t a l - d o p e df i b e r si nw a v e l e n g t ha n d o u t p u te n e r g y a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n t s f o rt h i sp a p e r ，w eu s ee r b i u m - y t t e r b i u mc o d o p e dd o u b l ec l a df i b e ra st h ec o r ed e v i c ei nh i g h g a i n o p t i c a ld e v i c e s ，a n du s eh i g he f f i c i e n c yp u m ps o u r c e ，a d v a n c e dp u m pc o u p l i n gt e c h n o l o g y ，f i b e r a m p l i f i e ra u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l ( a p c ) m o d e la n da u t o m a t i cc u r r e n tc o n t r o lm o d e ( a c c ) ，w h i c h a c h i e v e d h i g hp o w e ro u t p u t ；i n t e g r a t i n gt h ee am o d u l a t o rw i t hd f bl a s e rf o r m e d e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r st oa c h i e v eh i g h s p e e do u t p u t t h i sk i n d o fd e s i g ns o l v e d s p e c t r u mb r o a d e n i n ga n dr e l a x a t i o no s c i l l a t i o nc a u s e db yt h ec h i r pa n db r o a d e n i n go ft h ef r e q u e n c y w ea c q u i r e dh i g h c o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dh i g ho u t p u tp o w e ro fm o d u l a t i o nl i g h tb e t w e e nt h e m o d u l a t o ra n dt h el a s e r ，a n da l s or e d u c e dt h ec o s t sa n dt h es i z eo ft h ep a c k a g e k e yw o r d ：h i g hp o w e ro p t i c a lf i b e ra m p l i f i e ra g ca p c 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，填写论文题目是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 红 竺辫月丛日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 巡年上月丛同 1 1 研究背景 第一章绪论 激光通信对于波长的低损耗窗口有三个，分别是8 0 0 n m ，1 3 0 0 n m , 币1 1 5 5 0 n m ，由于 1 5 5 0 n m 具有良好的大气透过率，所以目前超远距离无线光通信设备多选用1 5 5 0 n m 波段 【l 】 o 空间光通信因其容量大、抗干扰能力强、保密性好等特点，越来越得到各国的鼋 视，在多种通信平台上得到应用，如星星、星飞机、星一地、飞机飞机。随着光通信 链路距离越来越远，对激光发射功率的要求越来越高，仅仅依靠单只激光器不能够满 足空间光通信的需要，各国都开始研究光纤放大器作为功率放大设备提供高功率。而 越来越大的信息容量，也要求激光发射传输速率很高，因此高速率光调制技术也是光 通信领域的关键技术之一。 英国南安普敦大学的一个小组，在1 9 8 6 年第一次提出掺铒光纤放大器的工作原理。 这是光纤光学领域的一次革命。光纤放大器能以高增益、更大带宽来替换电子中继器， 1 5 p , m 的波长实现光纤最低损耗。2 0 0 6 年，美国朗讯公司和贝尔公司联合研制，采用 d f b 半导体激光器作为种子源，利用三级光纤放大，实现平均输出功率1 3 w ，波长 1 5 5 0 n m ；2 0 0 7 年，美国加利福尼亚技术研究院喷气动力实验室采用德国l u m i c s 的 1 0 6 0 n m 单模半导体激光器作为种子源，使用法国的k e o p s y s 两级掺镱光纤放大器进 行预放大，美国i p g 的三级掺镱光纤放大器作为功率放大器，全光路采用保偏传输， 实现平均功率1 0 w 8 | 。 与一般f p 腔激光器相比，d f b 激光器具有动态单纵模窄线宽输出、波长稳定性 好两大优点，因而在目前的光通信系统中得到广泛应用。而e a 电吸收调制具有小外 形尺寸、低啁啾效应和低驱动电压等优点。将e a 调制器与d f b 激光器进行单片集成， 形成电吸收调制激光器，既解决了d f b 激光器在高频调制下有啁啾引起的光谱展宽及 频响的张弛振荡现象，在调制器和激光器间获得高的耦合效率和调制光的高输出功率， 又降低了成本并减小了封装尺寸。集成电吸收调制激光器使用外调制技术，避免了高 速调制时激光器中电子与光子之间的相互作用，减小了直接调制引起的较大啁啾，同 时，集成光源还具有体积小，耦合小功率高的优点。 1 2 研究意义 在过去几年中，对高效传输系统的需求不断增加。国内也有了关于大功率光纤放 大器的相关研究报道，但目前国内的研究水平只能实现最大输出平均功率2 w 的光纤放 大器，这远远不能e , 碉, 4 4 - 足远距离空间光通信的需要。国外有输出平均功率1 0 w 的光纤放 大器，但是价格昂贵，而且体积、重量也很大，不利用空间光通信应用。 高功率光纤放大器的研究将为我国星星、星地等远距离空间光通信奠定技术基 础。在临近空间平台应用，军队阵地组网、信息对抗等方面有广阔的应用自i 景。填补 我国高功率光纤放大器研究的空白。 关于激光调制技术，如采用直接调制方式，其调制速率不超过2 5 g b p s 7 。，国内、 外采用外调制技术能够实现1 0 g b p s 的调制速率，但其主要面向光纤通信应用。本论文 所探索的高速率集成种子源研究将为我囤该技术的发展填补空白。 1 3 研究内容 本论文针对高功率光纤放大器及高速率种子源展开研究。主要研究内容包括：高 增益掺杂光纤能级特性，高效率泵浦源及泵浦技术，光纤放大器自动功率控青i ( a p c ) 模式和自动电流控制模式( a c c ) 【3 1 。通过分析光纤放大器的工作原理和放大特性，对光 放大器进行仿真研究，采用先进的泵浦耦合技术，实现平均输出功率1 0 w ，低噪声的 技术指标。研究半导体激光器与外调制晶体集成的单片集成激光器。普通结构的分布 反馈半导体激光器( d f b l d ) ，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传 输速率，因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是研究种子源 的关键技术之一；研究合理的集成封装方式，保证集成电吸收调制激光器的高频特性； 建立集成电吸收调制激光器等效电路模型，研究光电耦合效应对集成模块高频特性的 影响；优化多量子阱结构，使e a 调制器兼备e a 和m z 调制器的传统优势，体积小、 驱动电压低、输出功率大、偏振敏感性小，传送光功率的能力增强，与光纤的耦合损耗 低，适合于高速率系统应用。 光纤放大器 图1 1 总体方案原理图 2 第二章高功率光纤放大原理 光放大器主要有两种类型：半导体光放大器( s o a ) 和光纤放大器( o f a ) 怛j 。半导体 光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现光放大，其原理和结构与半 导体激光器相似。光纤放大器与半导体放大器不同，光纤放大器的活性介质( 或称增益 介质) 是一段特殊的光纤或传输光纤，并且和泵浦激光器相连；当信号光通过这一段光 纤时，信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土元素光纤放大器和非线性光纤放 大器。掺稀土元素光纤放大器的工作原理和半导体放大器一样，也是受激辐射；而非 线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号。目前已有的光纤放大器有掺铒 光纤放大器和拉曼光纤放大器。 光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在 线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件； 由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更罩要的是它开创了 1 5 5 0 n m 频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用( w d m ) 、 密集波分复用( d w d m ) 、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的 一个划时代的罩程碑。掺铒光纤放大器以其优越的性能现己广泛应用于长距离、大容 量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤c a t v 网、军用系统( 雷达多路数据复接、 数据传输、制导等) 等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。 掺杂稀土元素氧化物的光纤是现在通信系统的关键组成部分。选择合理的掺杂光 纤对于设计高性能的光纤放大器来说非常重要。 2 1 掺杂稀土元素氧化物光纤 掺杂稀土元素氧化物的光纤种类很多，以下对三种常用的掺n d 3 + 、y d 3 + 、e r 3 + 光纤 进行对比。 2 1 1 掺n d 3 + ( 钕) 光纤 掺n d 3 + 光纤有三个主要的激发波长，1 3 p , m 、1 0 6 1 t m 和o 9 3 肛m ( 如图2 1 所示) 。 图2 1 掺钕硅光纤能级 泵浦波长选用8 0 0 n m 。1 3 p m 激发态吸收( e s a ) ，大大地减少在第二通信窗口中的 增益。 1 0 6 1 t m 转变对单频率光纤是很有高率的转变， 上不受光纤长度的影响。 现在n d 3 + 因其有更大的可调度和更高的效率， 2 1 2 掺y d 3 + ( 镱) 光纤 不会发生再吸收，因此在一定程度 在一些应用中正在取代y d 3 + 。 二氧化硅中的y d 3 + 离子在0 9 7 和1 2 肚m 之间仅有一个宽带光纤跃迁，不断地在 8 5 0 n m 和1 0 6 4 n m 之间激励( 图2 2 ) 。吸收最高点是9 7 5 n m 。在短波长领域，y d 3 十有惟 一的二级结构。在长波长领域，转变在一定程度上类似于e ，的3 级系统哆1 。 j l 香 j 遣 i n 彳 叮 葛 q 。 o 蜒 昧 图2 2 掺镱杂硅光纤能级 掺y d 3 + 光纤是高效率光纤。释放的波长取决于泵浦波长的选择。掺y d 3 + 光纤现在 4 主要应用于泵浦波长1 0 2 0 r i m 的掺镨光纤放大器( 在1 3 9 m 领域进行放大) ，泵浦波长在 1 1 4 0 n m 的掺铥光纤放大器。在1 0 6 4 n m 波段，可以取代体积庞大的n d ：y a g 激光器。 2 1 3 掺e ，( 铒) 光纤 掺e ，二氧化硅光纤因为在第三通信窗口1 5 p m 处衰减最小，是目前应用最广泛 的光纤。掺e ，光纤能在8 0 0 n m ，9 8 0 n m ，1 4 8 0 n m 处被激发。9 8 0 n m 泵浦足最有利的 选择，具有最大的输出功率和增益，并且有最低的噪声1 1 9 1 。 善 8 堡 嚓 l ： 0 鲁 参 看 一罄 口 蹈量 白 n o o 廷-一蕉_ 一6 煤 f l 量 ， 一 、 j 重 瘩 要 辱 釜 。 瞧。 。照， 笈 锊 h 赆 焦 燃燃 2 2 掺杂质光纤的理论模型 图2 3 铒掺杂硅光纤能级 许多理论模型都可以基于速率方程得到。如果在芯径中有一个掺杂集中的假定模 型，它可能为速率方程找到一种分析解法【10 1 。 2 2 14 级系统的速率方程 所有理论模型的基础都是速率模型。根据图2 4 的能量图，我们定义：r 1 4 和r 4 , 是用于泵浦跃迁的被激励的吸收和释放比率；w 2 3 和w 3 2 是用于信号跃迁的被激励的吸 收和释放比率；a 3 2 ，a 3 2 盯，a 4 3 n r 和a 2 l m 分别是辐射和非辐射的自发发射比率。 c ! c ! 1 2 m 啪 吾| 僦 啪 啊 婀搦 弼 彩 m 埘 镒 图2 44 就缴微光糸统图衣肼况 被激励的吸收和发射比率关系到光子密度在中1 2 1 r 1 4 = t i p c = 瓦l p ( 2 1 ) 2 ：仇三q = ，so - ， ( 2 2 ) 这里t 1 。p 是分别是信号和泵浦波长处的光子密度，c 是真空中光的速度，n 是折射 率，瓯p 分别是信号和泵浦波长处转换横截面。 自发发射率a 3 2 与t 3 2 有关，是激光跃迁的较高级别的寿命，有 4 2 ：一1 ( 2 3 ) 吒2 四个等级的密度是n i ，n 2 ，n 3 和n 4 。使用这些定义，我们得到速率公式： 掣：r l 。n 4 + 鸽b 。r 2 一r l 。1 ( 2 4 ) a t _ d n 2 ：3 + 4 ：3 + 3 一，n 2 一i 2 ( 2 5 ) a t 警= ，2 4 ：3 一铹3 一呢：3 + 鬈4 ( 2 6 ) 警咄。l 一咒。4 一4 ( 2 7 ) 如果从第4 级到第3 级和从第2 级到第1 级的跃迁中非辐射占主导地位，从那么 这些辐射跃迁可以被忽略( r 4 1 n 4 - o ，w 2 3 n 2 = o ) 。密度n 4 和n 2 将是微乎其微的相对于n 3 和n ，所以 n l + n 3 = p 6 ( 2 8 ) 这罩p 是总的掺杂密度。 使用公式( 2 8 ) 古t - 算公式( 2 4 ) 一( 2 7 ) ，n 3 为稳态( d n l d f 0 ) ，最后得到 3 = 雨磊r 1 4 f 盯f l u o 丙 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 局部吸收、释放和激励比率也与信号泵浦密度i 。( z ) 和i 。( z ) 有关。信号波长为k 时 使用释放横截面o s ，泵浦波长为砩时使用吸收横截面f f p 。不同的密度使增益媒介的d z 改变，由【1 3 1 给出 兰孕：吒3 ( z ) t ( z ) ( 2 11 ) 誓= 一o p n l ( 州彤) ( 2 1 2 ) 饱和 激光跃迁较高级别的寿命在理解饱和装置时起到了关键的作用。公式( 2 9 ) 可以写 成一般的形式【1 2 】 1 3 1 1 4 1 n o = p 而t f l u o r l 4 是稳态差异，并且 2 瓜j t u u f n ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 是饱和时间常数。根据公式( 2 2 ) ，w 3 2 是信号密度i 。的函数。因此，密度n 3 将取 决于信号密度，我们最后可以得到 炉高1 + r , c l i ， ( 2 1 6 ) 这里h v 。a 。t 。龇被称为饱和磁化强度i 。a t 。 尽管饱和时间常数岛砒很重要，但是不能够直接测量。近似表示这个的物理参数是 荧光寿命t f l u o 。因此，定义阳的泵浦和信号饱和密度，即 7 南 = 黾 m 逊 r 2 丧，矿2 丧 ( 2 1 7 ) 密度不仅仅取决于沿着光纤的位置，也是取决于光纤横截面的位置( ，圆。根据1 ， 我们定义正规化模式被膜甲卵( ，0 ) ，p ，回代表圆柱横向坐标。因此 吒( ，目) ：_ 当生( 2 1 8 ) 上甲卵( 厂，o ) r d r d o 这里v 。，p ( ，d 是模式剖面强度。 s 和p 分别代表信号和泵浦。s 是光纤横截面。那么可以得到强度为 j w ( ，口) = ，p 甲w ( ，矽) ( 2 1 9 ) 这罩只，p 是各自模式引导的总功率。 信号功率p 。( z ) 沿着单模光纤的z 轴的变化由公式( 2 1 9 ) 代到公式( 2 1 1 ) 得到。与公 式( 2 2 0 ) 结合， 甲w ( ，) = 7 砌2 甲卵( ，) ( 2 2 0 ) 通过0 ( 三p o i m o d e ) 结合，得剑 譬：绰f 3 ( 啪) 甲，( ) ，_ d r d z ( d ： 。 这里的自发发射为噪声光子功率p d = h v o v 进入带宽西。 可以为 警= 半3 州r , z ) r d r 释放泵浦比塞 ( 2 2 1 ) 信号的不同功率增益最后 ( 2 2 2 ) 将公式( 2 19 ) 和( 2 2 0 ) 代入公式( 2 2 ) 牺牲受激发射比率 喇懈) 2 矗肫) w ，) ( 2 2 3 ) 类似的方式，可以得到泵浦比率 蜀。( ，z ) ：占v p 乞( z ) 甲，( ，) ( 2 2 4 ) 啪，z ) 2 丽删甲p ( ，) ( 2 2 4 ) 用公式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 乘以寿命 i ；f l ，加上公式( 2 1 7 ) ，产生饱和功率胪和矿 甲= i l s s s a t 舢s 2 ；节= i s p a t _ 2 p q 2 5 ) 分别是信号和泵浦波长，因此发射和吸收比率可写为 8 吼咖= 等州 ( 2 2 6 ) r i 4 ( 邵肛辔吖，) ( 2 2 7 ) 也可以将信号和泵浦功率分别规格化到饱和功率，称为 啦，= 等一专“垆等 亿2 8 ， 在公式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 中取代公式( 2 2 6 ) 并- 1 1 ( 2 2 7 ) ，代替第3 级的密度 3 ( 厂) = p 而而嘶p ( z ) 再u d p ( r 而) ( 2 2 9 ) 对于基态密度 帅却而高券嘶 亿3 。， 考虑横穿光纤芯掺杂物集中度p 的分布，我们定义一个掺杂物剖面p 和最大集中 度p o 。把公式( 2 2 9 ) , 1 1 ( 2 3 0 ) 代入( 2 2 2 ) 年- 1 1 ( 2 2 6 ) 后，通过公式( 2 2 8 ) ，我们得到在光纤放 大器中信号功率和泵浦功率的不同改变 妄暑c m 砌盼，。而斋鬻斋嘶砌 仁3 ， d 比p = - 2 岛毒比，肇p 。而岩糯砌 亿3 2 ， 双包层掺杂质光纤 大功率的多模泵浦激光二极管其泵浦柱不能发射到单模纤芯中，因此必须使用双 包层掺杂光纤。在双包层掺杂质光纤中，单模掺杂纤芯由一个大的多模芯包围，这会 产生泵浦光。芯将吸收越来越多的泵浦功率。 泵浦分布不再是l p o l 模式。尽管如此，公式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 仍然可以应用，所以 以调2 。瓦u d 而p ( r , o 磊) ( 2 3 3 ) 这里多模泵浦柱的强度剖面。在第一个近似值中，我们可以考虑通过双包层横 截面的剖面是恒值( g p = 1 ) 。因此，公式( 2 3 3 ) 可简化为 聊= 去，当吼时 ( 2 3 4 ) 这单一m 是多模芯的半径。尽管严格来说这种假设不正确，由b e d 6e ta 1 【1 8 】通过吸 9 , q 厶，等华一胁 亿3 5 ， dl + 掣甲，( ，) i -懈-旦p-pocrpi(z)秘fp(r)。一砌 亿3 6 ， - q 釜- = , o o o ；( l + 2 1 0 ) 半鲜蒜胁 亿3 7 ， 警一风o p i p 睁 3 8 ， 。，胁蹿品d i d i i i p ( l + 2 厶) 薏 茅 ( 2 3 9 ) 盟：一旦幽堡兰一旦盟 (240)dz v p 1 j d z v p d z 、7 2 2 2 强泵浦放大器 假定泵浦或者信号，相对于放大自发发射( a s e ) 较大。 和瑞利散射。沿着z 轴的信号和泵浦由下式给出 巧( z ) 兰尊( l ) e x p r ( l - z ) ( 1 + g ) 矽( 三- z ) g ( z ) 兰e ( o ) 彳( o ) e 一( z ) re x p ( 一r z ) 1 0 应用它们的模型考虑a s e ( 2 4 1 ) f 2 4 2 ) 第三章高功率光纤放大器设计 光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。光放大器的工 作不需要转换光信号到电信号，然后再转回光信号。这个特性导致光放大器比再生器 有两大优势。第一，光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大 所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的； 第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大一像再生器，而且支持一定波长范围的光 信号放大。例如，我们下面将要讨论的掺铒光纤放大器( e d f a ) ，它能够放大大约从 1 5 3 0 n m 到1 6 1 0 n m 的所有波长。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制 格式和不同波长的时分复用和波分复用网络。实际上，只有光放大器特别是e d f a 的 出现，波分复用技术才得到迅速发展，并且使波分复用成为大容量光通信系统的主力。 e d f a 是现在应用最广泛的光放大器，它的出现极大地推动了波分复用技术的发展。 3 1 光放大器主要参数 光放大器是一个模拟器件，所以它的性能参数都足模拟参数。 ( 1 ) 增益( g a i n ) 增益是输出光功率与输入光功率之比，增益= p o u 们i n ，其中p o u t 和p i n 分别是输出 光功率和输入光功率，功率的单位为瓦特；通常用分贝( d b ) 为单位来表示增益，也就 是：增益( d b ) = 10 1 9 ( p o u t p i n ) 2 0 1 。 ( 2 ) 噪声指数州f ) 光放大器的噪声指数( n f ，n o i s ef i g u r e ) 的定义式为光放大器输入输出端口的信噪 l 匕( s n r ，s i g n a lt on o i s er a t i o ) 的比值【2 1 j 。 ( 3 ) 增益带宽 所谓增益带宽是指光放大器有效的频率( 或波长) 范围，通常指增益从最大值下降 3 d b 时，对应的波长范围。增益带宽的单位是纳米( 咖) 。对于w d m 系统，所有光波 长通道都要得到放大，因此，光放大器必须具有足够宽的增益带宽。 ( 4 ) 饱和输出功率 光放大器的输入光功率范围有一定的要求，当输入光功率大于某一闽值时，就会 出现增益饱和；增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据 i t u t 的建议，当增益比正常情况低3 d b 时的输出光功率称为饱和输出功率，其单位 通常用d b m 表示。 在掺杂光纤中达到高功率的有效方法是采用高功率激光二极管泵浦，使用双掺杂 金属包层。由于巨大的外芯区域，因此对泵浦失调不敏感，这对于在太空中应用是个 巨大的优越性。但是一个巨大的外核区域会减少泵浦功率的吸收，因此必须增加放大 器的长度。在高泵浦和高信号状态下，增益对于光纤几何学是不敏感的，而对于掺杂 浓度是敏感的。因此，精确调整掺杂浓度和外芯直径对于实现高功率输出十分重要。 3 2 光纤放大器 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到e d f 中时，就可 以将大部分处于基态的e r 3 抽运到激发态上，处于激发态的e r 3 又迅速无辐射地转移到 亚稳念上，由于e r 3 在亚稳态上的平均停留时间为1 0 m s ，因此很容易在亚稳态与基态 之问形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大 量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放 大的光信号。自8 0 年代末至9 0 年代初研制成掺铒光纤放大器( e d f a ) ，并开始应用于 1 5 5 0 n m 频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，应用广泛的 c 波段e d f a 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、 与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路 波长信号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。 双包层光纤由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4 部分组成，与常规光纤相比， 多了一个可以传输泵浦光的内包层，其结构如图3 1 所示。纤芯由掺稀土元素的s i 0 2 构 成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的；内包层由横向尺寸和数值孔径都 比纤芯大得多、折射率比纤芯小的s i 0 2 构成，是泵浦光通道，对泵浦光波长来说是多 模的，用以传输高功率的泵浦光。泵浦光从一端通过耦合系统进入双包层光纤，在内 包层传输过程中，以折射方式反复穿越纤芯，被掺杂离子吸收，形成粒子数反转以实 现增益。 抽运光 纤芯 内包层 外包层 折射率 邕昏 匕口 图3 1双包层光纤结构示意图 高功率光纤放大器的基本原理是种子源主振荡放大技术( m o p a ) ，所谓种子源主振 荡放大技术，就是采用高光束质量、小功率的固体或光纤激光器为种子光源，双包层 光纤为放大器，通过将信号光耦合进光纤纤芯，将抽运光耦合进光纤内包层，从而实 现对种子光源的高功率放大。如图3 2 所示：光纤放大器一般由种子源、抽运源、增益 1 2 介质光纤、光隔离器及耦合系统等部分组成。双包层光纤放大器的独特之处在于其增 益介质为双包层光纤，抽运光从一端通过耦合系统进入双包层光纤，在光纤内传输过 程中被掺杂离子吸收，形成粒子数反转以实现增益；信号光从另一端耦合进入纤芯， 最终获得高功率、光束质量好的放大激光输出。双包层光纤放大器采用的是行波放大 的原理。纤芯中的掺杂离子在抽运光作用下，处于粒子数反转状态，当信号光通过纤 芯时，由于信号光频率与双包层光纤的增益谱线相重合，故激发态上的粒子在外来信 号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到外来信号光上而得到放大。 脉冲激光器 3 2 1 光纤研制技术 双色片 掺y b 双包层光纤i ： 图3 2 高功率光纤放人器原理示意图 口 抽运源l d 稀土掺杂双包层石英光纤技术最早于上世纪8 0 年代术期，由美国宝丽来公司 ( p o l a r o i dc o r p ) 和英国南安普敦大学提出。它有效解决了光纤激光器中泵浦光功率与增 益光纤之间的耦合效率问题，使光纤激光器输出功率得到了迅速提高。 为了使内包层中传输的泵浦光更多次地穿越掺有稀土离子的纤芯，提高泵浦效率， 人们提出了不同形状的内包层结构，如偏芯圆形、矩形、j 下方形、d 形、梅花形、六边 形、八角形等理论表明，矩形和d 形内包层结构具有很高的泵浦光利用率。虽然双包层 光纤激光器的输出功率有了较大提高，但由于其纤芯仍属于传统单模，纤芯直径较小， 增益大，放大的自发辐射很容易建立，非线性作用较强，因此很难得到高脉冲能量的 脉冲激光输出。理论表明光纤激光器产生的脉冲能量是由光纤中的饱和能量如，决定 ( 3 】) 【3 6 】： 晟广瓦i h r , a 瓦 ( 3 1 ) 其中，h v s 为激光的光子能量，a 为掺杂纤芯面积，、o a s 分别为光纤在激射波长 处的发射和吸收截面积，厂。为激光的重叠因子。f l 了( 3 1 ) 式可知，双包层光纤的纤芯直 径越大，纤芯中存储的能量越高，才能从光纤中获得更高能量的脉冲激光输出。但是， 随着纤芯直径的增大，光纤的v 值增加，纤芯中传输的模式增多，光纤输出激光的光束 一争 邑 质量将变差。为此，人们研制出大模场面积的双包层光纤( l m a ) ，通过增加纤芯面积， 克服了非线性作用、增大了纤芯的存储能量；同时减小纤芯与内包层的相对折射率差， 以维持辐射激光的近似单模传输，从而在光纤中实现高脉冲能量和高光束质量的激光 输出。 3 2 2 泵浦耦合技术 高效率的泵浦技术对于光纤放大器而言是非常重要的技术之一，目前常见的泵浦 耦合方式主要有端面耦合、侧面耦合两种。 ( 1 ) 端面耦合技术 端面耦合技术最大的特点在于结构简单，易于实现，根据泵浦光和接受双包层光 纤两者的数值孔径和光斑大小，设计合适的透镜组将泵浦光耦合进双包层光纤，在泵 浦光功率很高时，这种方法因受光面积导致光纤端面处的光密度极高，易造成光纤端 面损伤；另一大缺陷是相对于耦合光斑来说，光纤端面接受面积太小，以至于稍微的 位置偏移都会引起耦合效率的急剧下降。解决这些问题的途径之一时采用锥形光纤耦 合技术，如图3 3 所示： 增益光纤 图3 3 锥形光纤耦合技术的光纤激光器原理刚3 0 j 锥形光纤耦合方式是一种改进的端泵浦耦合方式，主要依靠锥形光纤将尾纤输出 的大模场直径光斑压缩进横截面相对较小的双包层光纤中。这种方式耦合效率高于普 通的端面耦合方式。 ( 2 ) 侧面耦合技术 到目前为止，侧面耦合技术主要有内包层“v ”型槽耦合技术、内包层内嵌反射镜耦 合技术、斜角光纤耦合技术( 包括侧面熔接、胶合两种途径) 、棱镜耦合技术以及光纤盘 耦合技术等形式。根据技术原理来划分，内包层“v ”槽耦合技术和内包层内嵌反射镜耦 合技术的原理基本类似，分别是利用v 形槽斜面处和内嵌的反射镜的全内反射实现泵浦 光与双包层光纤内包层问的耦合，该技术对工艺要求较高，而且不能实现多点分布式 泵浦。而斜角光纤耦合技术和棱镜耦合技术刚好解决了多点分布式泵浦的问题。斜角 光纤耦合技术和棱镜耦合技术属于同一种泵浦原理的耦合技术。 对于拥有大p n 结的大功率多模激光二极管而言，将泵浦光有效地耦合进单模的芯 1 4 径很困难。无源光束不能将多模辐射转化成可被光放大器芯径所接收的单模。 在双金属掺杂光纤中单模纤芯被一个巨大的多模区域包围，在此区域里进行泵 浦功率发射，如图34 泵浦光被掺杂芯径逐渐吸收，实现信号高功率输出。使用一种比 硅玻璃折射率低的敷层导向外部会属包层。 翻34 双金属崖掺杂光纤的前向和侧向泵浦” 双金属包层技术增加了吸收长度 i s l ，因此可满足任意掺杂浓度或者长度的光纤进 行有效泵浦。在长光纤中，吸收信号波长会降低放大器的效率，因为增益必须第一时 间补偿传播损耗。长光纤对宇宙辐射也更敏感。辐射对于增加光纤中吸收及损耗与光 纤长度成正比。月一方面，传播损耗主要依赖于制造过程而且宇宙辐射导致的损耗和 掺杂浓度没有关系。因此，选择增加掺杂浓度以保持光纤简短。 通过使用不同的技术，泵浦功率能从光纤前端直接介入，或从侧面介入。我们采 用前向和侧向象浦。单通道结构。 泵浦光在双金属层光纤中的吸收主要取决于光纤圈的形状。光纤圈是圆筒型，因 此减少了线圈的辐射，加强吸收，但这还不能够使泵浦功率得到充分的吸收。z e l l m e r 等人1 4 ”建议把光纤线圈做成肾形状，这样可以改善泵浦功率的吸收。 昌 菖 杂光纤 闰35 典型的肾形取金属掺杂光放大器线圈论证 表3 1 给出几种光纤参数。第一个是f l | c s e m 制造的，其他的是由i p h t 制造的。这 些光纤都是用石英玻璃做的，他们都是在圆形多模核心中央有个单模核心。使用校准 前向泵浦 的掺杂光纤采样，他们的浓度是通过吸收泵浦光波长束削断的【刈p 1 i 。 表3 1 烈金属包层掺尔光纤的参数。滩度是由口】计算 i 米的 c s e m0 0 1 9 2 b 【5 3 】 i p h t 4 5s k3i p h t l5 2s k4 a 。【“m 】 7 434 n a n 0 10 1 9 02 2 o d 删l 赡【p m 】 1 6 02 0 01 8 0 n a c i “d m p 0 4 040 4 信号损失 1 2 05 806 6 ( 1 0 6 0r i m ) d b m 】 泵浦衰减 4 4 07 5 01 2 0 0 ( 8 0 0 r i m ) 【d b m 】 n d 3 + 分量】 1 l7 27 连续操作时间【m s 】 3 3 0 2 7 02 3 0 放大器工作在双向传播方式，是最大化提高输出功率的最好方法拍i 。 圈36m f i s b a 撤光二极管模块泵浦的敢金属包层光放人器图 3 2 3 线宽的影响 泵浦掺n a 3 + 光纤的波长或者是线宽的改变会影响泵浦效率。采用一个简单模型研 究这一理论，研究泵浦线宽和叶1 心波长对掺杂光纤吸收的影响。吸收和发射的线宽假 设为l r e t z i a n 形状。因而光纤的吸收系数叫柚和泵浦激光二极管的发射强度谱是通过 他们的中峰值时全宽度( f w h m ) 和量级给出的。能够看出吸收泵浦功率的数量等于泵浦 功率谱p d i o d e ( ) 在吸收范围上的积分。 匕= e m ( z 羽玎“” ( 3 2 ) k 。和k 嗽是泵浦转换波长的上f 限，c 是泵浦耦合进掺杂光纤的耦台系数。 为了简单。c 被设为l ，吸收系数被芯径和金属层区域的比率分解，我t 1 1 计算出了当 中心波长在吸收峰值周围变化( 如图3 7 ) 时的吸收泵浦功率，也研究了二极管谱宽的影 响( 如图38 ) 。 吸 器 熏 鏊 t 蹦37 对府中心波睦移位的吸收的泵浦功率( “c - 1 w ，i o m 长光纤) 酗38 髓着泵浦线宽的增加，吸收泵浦功率减少泵浦中心波长是8 0 2 n m 3 3 偏撮性 3 31 偏振状态的测量 用一种基于波阵面分割的偏振器来测量放大器输出信号的偏振，这个系统不能区 分左右偏振态。但是已经足够获得给定位置的偏振卷的变化。 售；收盼是浦鍪h 输 j 芏| 39 四检波器偏振器 强度i i ，厶，6 和 在检波器上是一个椭圆形的投影，偏振状态在四个轴上( 9 0 。，0 。，4 5 。 和4 5 0 ) ，如图3 1 0 。 ( 3 鼢 斜戮 彤苄瓦 目3 1 0 椭圆偏振态 在【”1 中通过四个检波器上的强度定义了斯托克斯参数 s o = l 、+ 1 1 + l 、+ i 量：盟二坐 氏( + l ) 墨：垡二尘 s( 厶+ ) 从椭圆率的定义，我们可以定义消光比 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 偏搌 l _ 士e o 检波器 i 专= 斟v 2 i m 舣和i m i 。是偏振态的主轴和副轴强度。 系统的最大采集率是6 k h z 。这一频率与通信信号调制频率相比很低， 够获得放大器中的热干扰和机械干扰的信息。 3 3 2 偏振的稳定性 ( 3 9 ) 但是已经足 干扰沿着光纤能在不同的偏振模块问耦合进光路。这种干扰是由于几何学上的变 化，光纤复合或者张紧而引入的。干扰发生在拉伸过程中或者由于光纤的弯曲和捻度 而造成。 因为沿着光纤的干扰不能预先知道，所以光纤输出端的偏振态不能直接计算出， 这种情况下，沿着光纤的干扰的随机分布通常是被假定的【6 们双金属层掺杂光纤因这种 随机分布的特性双折射而受损。因此，在光放大器的输出端需要一个偏振控制器来获 得一个线性偏振态。g e n e r a lp h o t o n i c sc o 发明的一个p o l a r i t e t ma 1 1 f i b e rb a b i n e t - s o l e i l 补偿器嵌入到放大器中来完成所需的偏振拶1 3 l 。偏振的稳定性就是根据上述方法来测 量的。 3 4 增益、输出功率和功率转换效率 3 4 1 增益和输出功率的测量方法 在高功率放大器中，小输入信号要和放大自发辐射( a s e ) l y , 较，因此需要同步检波。 然而，因为在饱和状态下不能完全调制输入信号，从a s e 转换能量到放大信号。因此 a s e 相对于放大信号是被调信号，锁定放大器只能看到放大信号和a s e 电平的不同。因 此准确的测量增益，光谱滤波是必须的。 窄带滤波器，分光仪和外差检波系统，这三种方法都能实现对放大自发辐射的过 滤。 带通滤波器可用，但是当放大器工作在不完全饱和时效果较差，因为对于滤波器 的带宽来说自发辐射的作用可能会太大。在使用窄带滤波器之前，应该研究在不同工 作状态下的a s e 光谱。 分光仪是较好的方法，因为滤波器的带宽和中心波长可以准确设置以匹配信号。 另外，分光仪在系统在收集时间内稳定的调间隙可以用于分析a s e 光谱。 外差检波是实现增益测量非常好的工具。它非常灵敏，可以提供增益信息及放大 器的相位噪声。放大器信号干扰基准有用的电脉冲信号。a s e 作为直流器件在电子波 1 9 谱中，被波谱分析仪滤掉。 所有光放大器的终端都被设置成1 2 。倾斜来防止白激震荡。光隔离器用来隔离放大 器噪声以保护n d ：y a g 激光器。 3 4 2 增益和输出功率 对于短波长光放大器来说，输出功率对应输入功率几乎是饱和的。采用这种设计 方式，系统对输入功率不敏感了，这使得对主振荡器的功率设定更加灵活。从辐射硬 度的角度考虑，保持光纤短小也具有优点。 3 43 功率转换效率 放大器的功率转换效率定义如下伊c e ) 3 2 1 ： dd p c e = 生二二o( 3 10 ) 一。是放大器输入端的信号功率，只删是放大信号，吸收的泵浦功率。对于一 个给定的吸收功率，当放大器是处在饱和状态下，p c e 相对于输入信号是个常量。有 时，功率转换效率也被定义为吸收的泵浦功率甚至是总的可利用的泵浦功率。 根据泵浦波长和信号波长的比率，理论的p c e 是7 5 ( i 泵浦光子，信号光子) 。吸收 的泵浦功率能够通过发射泵浦功率减掉在输出端得到的剩余泵浦功率被计算出来。 为了保证放大器光纤尽可能短，虽然有好的效率，大家一定认为最高的掺杂浓度 是最好的。但是观察不同的p c e 会发现并不如此。事实上，我们得到一个上限浓度多 半是由于浓度淬火的问题，因此，对于光放大器，2 的钕加在芯径中，是最佳的掺杂 浓度。 譬 辩 嚣 丑 解 凹31i 不同光放人器的功率转换效率( p c e ) 的洌l 量 信号波长上的损耗不是因为掺杂浓度而是在制造过程。对于一个给定的过程短 光纤会有更小的分散损耗，更有效率。 3 4 4 同理论模型比较 用h 莉y 和o r o n 发明的模型【1 9 儿2 0 1 ，我们计算出t i p h t4 5s k 3 双会属层掺杂光纤的 一些参数，如表3 2 所示 表3 2 作为数值模拟的i p h t4 5 s k 3 光纤的参数 仿真参数 a s ( 输入信号)1 0 m w 】 p p6 6 w s 2 5 1 0 2 4 m 2 l p 2 木l o 。2 4 【m 2 】 s 1 0 6 4 1 0 - 9 n m p8 0 6 1 0 。9 【m 】 n1 5 jo 7 5 p o 1 5 计算的输出功率值和测量数据如图3 1 2 所