光纤放大器的
教程包含以下十个部分:
o5@P>\u> 1、光纤中的稀土离子
aT1W]i 2、增益和泵浦吸收
3t6'5{ 3、稳态的自洽解
qinQ5 t 4、放大的自发发射
,/U9v~ 5、正向和反向泵浦
Rk0rHC6[ 6、用于大
功率操作的双包层光纤
717m.t,x 7、纳秒脉冲光纤放大器
<?}g[]i 8、超短脉冲光纤放大器
<:t\P. 9、光纤放大器噪声
Ybg`Z 10、多级光纤放大器
~i#xjD5 接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第5部分:
A0sW 9P6F V]cY+4Y 第五部分:正向和反向泵浦
9@+X?Nhv5 如果我们在光纤放大器中放大一些信号,我们有不同的泵浦选项:
u;1NhD<n • 正向泵浦是指泵浦波与信号波的传播方向相同。
7ij=%if2@k • 反向泵浦意味着泵浦波沿相反方向传播。
Zul32]1r • 一个也可以同时双向泵送;这称为双向泵送。
3goJ(XI 图 1 显示了一个双向泵浦光纤放大器。用于前向泵浦的来自左侧
激光二极管的辐射使用二向色光纤耦合器与输入信号相结合。在有源(掺铒)光纤之后,有第二个二向色耦合器,用于将来自第二个泵浦二极管的光反向注入。相同的耦合器还可以防止任何残留的泵浦光到达信号输出。
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2xj`cFT 图 1: 简单的掺铒光纤放大器的示意图。两个激光二极管 (LD) 为掺铒光纤提供泵浦功率,使其能够放大波长约为 1550 nm 的光。两个带尾纤的法拉第隔离器大大降低了设备对背反射的敏感性。
p5BcDYOw` 在下文中,我们将研究各种技术细节,这些细节部分地导致了某些泵送方向的优势。
+'4 dP# 电源转换效率
Db:WAjU 在简单情况下,有源光纤的寄生损耗可忽略不计,ASE 可忽略不计(参见第 4 部分),放大器的功率转换效率不取决于泵浦方向:
tC~itU=V • 总增益仅取决于沿光纤的平均激发密度。
bv];Gk*Z- • 总泵吸收效率也仅取决于该平均值。
\./2Qc, • 这同样适用于通过荧光(自发发射)损失的功率量。
2p[3Ap _9
O' 所有这些也适用于准三能级激光跃迁,当然也适用于双向泵浦。
I2Rp=L:z5 如果光纤具有大量寄生损耗,则反向泵浦更为有效。这是因为泵浦输入端附近的信号很强,抑制了该区域的激发密度,因此泵浦光在寄生损耗得到它之前就被离子有效吸收。在某些情况下,双向泵送可能更有效。然而,大多数放大器只有几米长,在这个长度内的寄生损耗并不是很重要。功率转换效率的一个更重要的差异可能来自 ASE,接下来将讨论:
'FXZ`+r| 放大的自发发射
EZW?(%b>H 我们已经在第 4 部分中看到,如果没有信号输入,ASE 在反向方向上会更强。毫不奇怪,如果我们也有信号输入,这种不对称性并不会消失,而 ASE 的数量(构成功率损耗)在很大程度上取决于信号和泵浦光的相对方向。
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L 例如,让我们考虑与第 3 部分和第 4部分相同的掺镱光纤放大器。我们已经在左侧看到了 940 nm 的正向泵浦功率和 1030 nm 的 1 mW 信号输入功率如何演变:
7!)%%K.z6 A+8b]t_k 图 2: 沿带正向泵浦的掺镱光纤放大器长度方向的光功率。
8r,%! 70 现在我们改为反向泵送:
["/x~\c'N w;_=$L'H&G 图 3: 沿掺镱光纤放大器长度的光功率,现在具有反向泵浦。
H:Le^WS 我们看到 ASE 现在微弱到可以忽略不计,我们获得了 346 mW 的信号输出功率,而不是只有 290 mW。ASE
光谱(此处未显示)仅在 1030 nm 附近显示一些弱 ASE,而在 975 nm 附近则更少。975 nm 处的正净增益仅出现在距离左侧约 2 m 的光纤短区域中。
o`0H(\en 这些发现非常典型。一般来说,准三电平光纤放大器在反向泵浦时具有较低的 ASE 损耗,因此如果 ASE 损耗会很大,那么该配置中的功率转换效率会更高。对于更高的输入信号功率,造成更强的增益饱和,两个方向的差异更小。
w!M ^p&T7 -6>rR{z 信号的噪声污染
-lEh}r 另一方面是与信号一起传播的ASE构成该信号的宽带噪声。对于反向泵浦,与信号同向传播的 ASE 对于准三能级
系统通常更强——即使 ASE 的总功率损耗更低!因此,对于低噪音运行,前向泵送效果更好,尽管效率可能较低。
N `MQHQ1 非线性效应
~`.%n7 如果我们放大短脉冲,非线性效应通常是有害的。这将在第 7 部分中讨论,但在这里应该已经提到,反向泵送通常要好得多。原因是对于反向泵浦,脉冲能量和峰值功率最初上升得更慢,因此对于给定的输出峰值功率,空间积分峰值功率变得更低。
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