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干貨│稀土摻雜光纖如何影響光纖器件的高效開發(fā)

激光制造網(wǎng) 來源:老one編譯2024-05-29 我要評論(0 )   

近40年來,工業(yè)界對稀土摻雜光纖的青睞程度大幅提高。例如,摻鉺(Er)電信光纖放大器和摻鐿(Yb)或摻銩(Tm)高功率激光器被廣泛應用于許多工業(yè)和科學領域。20世紀80...

本文作者:RüDIGER PASCHOTTA

單位:RP PHOTonICS AG


近40年來,工業(yè)界對稀土摻雜光纖的青睞程度大幅提高。例如,摻鉺(Er)電信光纖放大器和摻鐿(Yb)或摻銩(Tm)高功率激光器被廣泛應用于許多工業(yè)和科學領域。

 

20世紀80年代開發(fā)和推出這些特種光纖之后,稀土摻雜光纖及其支持的光子系統(tǒng)并未立即得到采用。然而,即使這些光纖的使用朝著普及方向發(fā)展并最終實現(xiàn)了普及,其性能背后的基本機制在很大程度上并沒有改變。


 

簡單地說,光纖內的信號光可以通過收集受激稀土離子來放大。這些離子通常只位于光纖的核心部分,并能進行受激發(fā)射。將一些泵浦光注入光纖的一端或兩端,可起到激發(fā)離子的作用。

 

除某些上轉換泵浦方案外,泵浦波長比信號波長短。當放大信號產(chǎn)生很大的光功率時,就會影響離子激發(fā)。這反過來又會導致增益飽和。

 

強飽和效應

 

原則上,向光纖中注入一些泵浦光可產(chǎn)生信號放大效果。然而,由于各種原因,通常很難準確預測注入光后會發(fā)生什么。例如,圖1顯示了纖芯直徑為4μm的摻鐿單模光纖在波長為975nm、功率為100mW的情況下,泵浦功率和光纖中鐿激發(fā)的結果曲線。令人驚訝的是,泵浦功率呈線性下降(近似),而不是呈指數(shù)下降。此外,功率衰減的長度范圍也遠大于人們僅從吸收系數(shù)所預期的長度范圍。這個值是根據(jù)摻鐿密度、吸收截面和光纖模式與摻鐿纖芯的重疊系數(shù)的乘積計算得出的。

 

此外,在大部分傳播長度內,摻鐿激發(fā)率保持在50%左右,與本地泵浦功率幾乎沒有關系,直到距離光纖3米之后才突然大幅下降。

 

摻鐿吸收的強飽和度與摻鐿激發(fā)程度有關,是這些效應的背后原因。只需適度的泵浦功率,系統(tǒng)就能遠遠超過飽和功率,低至2.4mW。

圖1還顯示了前向和后向的放大自發(fā)輻射(ASE)。前向自發(fā)輻射在光纖的其余部分被部分重吸收。這就導致盡管泵浦功率的殘余可以忽略不計,但右端附近仍存在大量的鐿激發(fā)。

 

圖1. 基于軟件模擬的摻鐿光纖(灰色)中光功率和鐿(Yb)激發(fā)分數(shù)的演變。飽和效應驅動泵浦功率線性下降(近似值),而不是指數(shù)下降。ASE:放大自發(fā)輻射。(RP Photonics供圖)

 

圖2進一步顯示了在1030nm注入1mW信號時飽和的影響。在這里,信號被放大到近100mW。現(xiàn)在,光纖的實質激發(fā)部分明顯縮短。由于信號的再吸收,信號功率最終下降,而泵浦功率的下降速度比之前快得多。


圖2. 注入波長為1030nm的1mW輸入信號,信號被放大到近100mW。增益飽和效應決定了光纖的實質激發(fā)部分會縮短。(RP Photonics供圖)

 

如圖2所示,將光纖長度減半可提高性能。此外,由于增益降低,ASE在很大程度上也會被抑制。

 

從這些系統(tǒng)中可以看出,稀土摻雜光纖的具體性能可能與最初的預期大相徑庭,因為很難預料其中涉及的所有相關物理細節(jié)。因此,即使在簡單的情況下,不進行模擬也很難優(yōu)化放大器或激光器的設計。當設計需要更復雜的設置(如多個增益級、級間ASE濾波、脈沖放大和/或需要光譜平坦增益)時,確保最佳結果的可能性就會降低。

 

動態(tài)行為

 

與其他各種激光活性離子相比,稀土離子的上態(tài)壽命相當長。鐿的上態(tài)壽命為1ms,鉺的上態(tài)壽命略小于10ms。這些數(shù)值在一定程度上取決于光纖玻璃的成分。

 

因此,當將放大器放入一個系統(tǒng)中時,放大器增益會在泵浦源開啟后通過相當長的一段時間來積累。此外,信號注入后,放大器增益也不會立即達到飽和。

 

放大器增益與光纖中存儲的大量激發(fā)能量有關。這可用于脈沖放大。事實上,通常只需一個脈沖就能提取其中的大部分能量。這發(fā)生在脈沖能量高于給定飽和能量的情況下,有時甚至高達數(shù)十毫焦。在脈沖放大過程中,增益會急劇下降,從而扭曲時間脈沖的形狀。

 

例如,在圖3中,同一根摻鐿單模光纖被泵浦1.5ms,然后注入高斯5μJ信號脈沖(1030nm)。由于輸出脈沖能量為96μJ,遠高于飽和能量,因此系統(tǒng)出現(xiàn)了強烈的脈沖失真。

 

圖3. 放大器的信號輸出脈沖。輸入脈沖為高斯脈沖,以t=0為中心。當輸出脈沖能量超過飽和能量時,系統(tǒng)會出現(xiàn)強烈的脈沖失真。(RP Photonics供圖)

 

在這個序列中,值得一提的是功率放大系數(shù)與平均激發(fā)成指數(shù)關系,因此在脈沖期間會顯著下降。圖4顯示了脈沖放大前后放大器的狀態(tài)。事實上,鐿激發(fā)急劇下降,這也導致了泵浦吸收的突然增加和脈沖后泵浦功率更快的下降。在此之后,泵浦源需要1ms的時間才能恢復到良好的泵浦狀態(tài)。此外,信號再吸收也會阻礙能量的完全提??;脈沖波長越長,這種影響越弱。


圖4. 脈沖放大前后光纖放大器的狀態(tài)。鐿(Yb)激發(fā)下降導致泵浦吸收突然增加,或脈沖后泵浦功率下降更快。(RP Photonics供圖)

 

該系統(tǒng)假定輸入脈沖持續(xù)時間為10ns,峰值輸出功率為8.1kW。這種功率水平會導致一定程度的光學光譜非線性拓寬。在皮秒甚至飛秒脈沖情況下,非線性限制會大大增加。

 

光纖成分

 

稀土摻雜光纖的不同化學成分會影響其性能。例如,稀土離子的摻雜密度、隨波長變化的躍遷截面等特性,以及其聚集和性能降低的趨勢,都與此有關,可通過光譜測量來揭示。此外,化學成分會影響摻鐿光纖的光衰減趨勢,從而導致光纖性能逐漸下降。


大多數(shù)稀土摻雜光纖的成分是基于熔融二氧化硅和各種添加劑。這些添加劑可能包括鍺(可用于增加折射率控制)、鐿、鉺、釹(Nd)和/或氚的稀土離子;以及其他離子,如鋁(添加鋁可提高稀土材料的溶解度)。


在某些情況下,會同時使用兩種不同的稀土離子組合。最常見的例子涉及鐿離子和鉺離子。鉺離子作為激光活性離子,而摻雜密度更高的鐿離子則確保泵浦輻射的有效吸收。只要光纖成分得到優(yōu)化,鐿離子就能有效地將其激發(fā)能量轉移到鉺離子上。由于聚類和信號重吸收問題,僅使用較高密度的鉺無法達到最佳效果。


其他應用則需要使用非硅玻璃。例如,由于重金屬氟化物玻璃具有較低的聲子能量,因此可以延長某些稀土離子激發(fā)態(tài)的壽命。這種光纖可以使用不同的放大器或激光躍遷,而硅基玻璃中的快速非輻射衰減過程(涉及多聲子發(fā)射)會完全繞過這些放大器或激光躍遷。如今,氟化物玻璃僅限于少數(shù)幾種小眾應用,如上轉換激光器和中紅外放大器,因為它們的制造成本高昂,機械強度遠不如石英玻璃,因此更難處理——如切割和焊接。

面積


尤其是在用于強光脈沖的放大器中,光纖的非線性往往是限制性能的關鍵因素。在某種程度上,增加有效模式面積可以緩解這一瓶頸。雖然增加光纖纖芯直徑很容易,但大多數(shù)用戶通常必須確保光纖保持單模性能,以輕松保持高輸出光束質量。


在這些問題上需要考慮一些權衡:例如,降低光纖的折射率對比度或數(shù)值孔徑(NA)是增加模式面積的直接方法。但這種做法會降低光導性能,最終使光纖對微觀和宏觀彎曲損耗以及制造缺陷過于敏感。對于稀土摻雜光纖來說,這一挑戰(zhàn)甚至比無源光纖更大,因為這些光纖的纖芯往往會出現(xiàn)更大的折射率波動。


實現(xiàn)大模式面積的其他方法包括與光子晶體光纖有關的方法,與其他類型的光纖相比,這些方法可以更有效地緩解模式面積與光導魯棒性之間的權衡。


不過,大的模式面積自然意味著較弱的導光性能。由于衍射效應較弱,必須由基于光纖設計的相應弱聚焦效應進行補償,因此通過平衡這兩種微弱的抵消效應而形成的模式自然會對額外的、通常是不理想的影響(如彎曲)非常敏感。


雙包層和三包層光纖


泵浦光的注入為高功率激光器和放大器帶來了另一系列挑戰(zhàn)。由于從物理上不可能將光束質量較差的泵浦光(例如來自二極管棒的泵浦光)有效地注入單?;蛏倌9饫w纖芯,因此需要采用雙包層光纖設計。在這種情況下,大部分泵浦光被注入直徑比纖芯大得多的泵浦包層。這種泵浦包層的NA值也大得多。因此,它可以支持多種引導模式,甚至適用于光束質量較差的泵浦源。

 

簡單的雙包層設計是徑向對稱的,在圓形泵浦包層內有一個圓形芯。遺憾的是,這種結構的泵浦包層模式大部分泵浦吸收率較低,因為它與纖芯的空間重疊很小。常見的補救辦法是降低對稱性,例如使用D形或八角形泵浦包層。此外,用戶還可以對光纖進行一定程度的可控彎曲,從而引入模式混合。


雙包層光纖設計通常采用聚合物涂層作為泵浦包層的外部邊界。這種光纖制造簡單,折射率對比度高,因此泵浦包層的NA值很高。然而,將聚合物暴露在高泵浦強度和高溫下會產(chǎn)生問題。三層包層設計,即在泵浦包層周圍增加一層玻璃包層來限制光線,聚合物涂層不再發(fā)揮任何光學功能,是極端工作條件下的首選設計。三包層方法還允許設計人員實現(xiàn)更小的泵浦包層。在某些應用中,較低的泵包層與纖芯面積比有利于提高系統(tǒng)性能。


最常見的是采用標準125μm泵包層直徑的雙包層設計。這會導致相對較大的面積比,通常為100,這對性能有重要影響。

圖5顯示的是相同的摻鐿光纖,纖芯中的鐿濃度相同,但現(xiàn)在纖芯周圍是125μm的泵浦包層。我們在975nm波長處使用20W的泵浦功率,并向后移動?,F(xiàn)在,需要30米的光纖才能獲得合理有效的泵浦吸收。由于泵浦吸收的飽和度較低,因此光纖長度的增加遠遠小于面積比的預期。雖然泵浦功率很低,但輸入端附近的鐿激發(fā)卻更高。由于信號與纖芯中的鐿耦合更為強烈,因此信號功率與鐿激發(fā)程度更為相關。ASE也是如此,它在前2米處的摻鐿激發(fā)較低。


圖5. 后向泵浦(橙色)雙包層(125μm)光纖中的功率和鐿(Yb)激發(fā)。雙包層設計產(chǎn)生了相對較大的面積比,這對系統(tǒng)性能有重要影響。(RP Photonics供圖)

 

例如,為了支持波長為940nm的泵浦,就需要更長的光纖,單靠更大的纖芯是不夠的,還需要更高的摻鐿密度。光纖中的摻鐿量越多,對1030nm信號波長的重吸收也就相應越強。這樣,最大有效增益就會轉移到更長的波長。出于這個原因,摻鐿雙包層光纖通常用于較長波長區(qū)域的放大,但不幸的是,這會增加量子缺陷。盡管如此,功率轉換效率仍可輕松超過 80%。

光纖表征


對于稀土摻雜光纖和特種光纖,制造商最好能說明所有相關參數(shù),因為這些信息使得光纖的性能可以預測。通過仿真軟件,用戶就可以在購買元件之前完成放大器和激光器的設計。經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)設計人員和最終用戶都知道,根據(jù)實驗室實驗來分析和解決各種問題可能會非常繁瑣、耗時且耗資巨大,因為未能達到預期性能通常并不表明潛在問題及其解決方案。

 

雖然光纖的波導參數(shù)通常是眾所周知的,但光譜細節(jié)卻不那么容易確定。尤其是在較為復雜的情況下,如離子間的能量傳遞或激發(fā)態(tài)吸收等。某些重要的量無法直接測量,但可以使用模擬模型將光譜參數(shù)與可用數(shù)據(jù)進行擬合。


因此,如果制造商投資于全面的光纖表征,他們就可以銷售性能可預測的光纖。這使客戶無需經(jīng)過許多優(yōu)化步驟即可獲得成功。

 

對于相對標準的光纖,例如摻雜鐿、鉺或釹離子的光纖,供應商通常會提供相對全面可靠的光譜數(shù)據(jù),至少在使用常見的泵浦和放大躍遷時這么做。然而,對于更特殊的光纖和用例,用戶通常必須自己測量某些光纖參數(shù),或接受更多的反復試驗,直到實現(xiàn)優(yōu)化的器件設計。

結語


在稀土摻雜光纖問世40年后,人們對其原理有了全面的了解。這對它們的持續(xù)廣泛應用至關重要,因為深入的定性和定量理解對光纖放大器和激光器的高效開發(fā)至關重要。由于強泵浦和增益飽和、信號重吸收和ASE等帶來的復雜性,基于簡單圖片的純粹直覺往往會失敗。在許多情況下,利用從制造商那兒獲得的光纖數(shù)據(jù)和合適的模擬軟件,設計人員和用戶可以可靠地預測稀土摻雜光纖的性能,從而避免購買和測試最終可能無法產(chǎn)生令人滿意結果的光纖。

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