光纤放大器的
教程包含以下十个部分:
59zENUYl 1、光纤中的稀土离子
\EKU*5\Hp> 2、增益和泵浦吸收
Pl<;[cB 3、稳态的自洽解
Kh4$ wwn 4、放大的自发发射
(`6T&>(4 5、正向和反向泵浦
X^\>:< 6、用于大功率操作的双包层光纤
*J+_|_0nlW 7、纳秒脉冲光纤放大器
u~3%bJ] 8、超短脉冲光纤放大器
{q<03d~9|G 9、光纤放大器噪声
,(.MmP` 10、多级光纤放大器
<L{(Mj%Z 接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第2部分:
Iw<j T|y) iSFuT7;% 在第 1 部分中,我们已经看到如何根据给定的光强度计算
激光活性离子的激发密度。从这些,我们很容易得到局部增益系数。如果激光跃迁在 1 级和 2 级之间,则增益系数(以 1/m 为单位)为
etoo
#h"]1 其中z是纵向位置,N dop是光纤纤芯中激光活性离子的掺杂浓度,而ξ ( λ )是重叠因子,考虑到部分光在纤芯外传播,因此不会“看到” 兴 奋 剂。注意带负号的术语,考虑到信号的重吸收。重吸收效应在激发密度低的位置尤为重要;净收益甚至可以变为负数。即使在光纤放大器的强激发部分,它也常常非常相关。
Q 2A7mGN 我们可以将相同类型的方程应用于泵浦波。在那里,由于吸收项占主导地位,增益将变为负值——泵浦波因吸收而衰减。
h.!}3\Y 假设给定z位置的核心内泵浦强度恒定,上面的等式稍微简化了。为了概括这一点,必须在掺杂区域的区域上插入积分。这样的版本将允许场强和掺杂浓度的任意横向变化。合适的仿真
软件会考虑这些因素。
u(OW gbA3 为了考虑光纤的寄生传播损耗,也可以在上面的等式中加入一个负数。然而,在放大器的小长度中,这些通常很弱。
,o^y`l 一个不错的方面是,如果光纤是单模光纤,则泵浦光和信号光的空间分布是固定的,除了由于吸收、增益和可能的寄生功率损耗引起的功率纵向演变。所以我们只需要计算光功率是如何演变的,而通常不必进行全面的数值
光束传播(使用波前等)。即使在多模光纤中,人们也经常绕过这一点。
?d4m!HgR I+!:K|^ 示例:掺铒磷酸盐玻璃纤维
n.sbr 例如,考虑掺铒的磷酸盐玻璃。图 1 显示了其在 1.5-μm
光谱区域中的有效过渡截面。
TLd `1Ac 图 1:铒离子在 Er:Yb 掺杂的磷酸盐玻璃 中的吸收和发射截面,数据来自 S. Konkanen 等人,Proc。SPIE 2996, 32 (1997)。
RN)dS>$ 由此我们可以根据上式计算不同激励电平的有效增益系数:
M\Gdn92pd 图 2: 图 1 中数据的有效增益,激励程度从 0 到 100%,步长为 10%。
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}R z=& 对于基态(最低
曲线),我们在所有
波长都有吸收(负增益)。例如,在铒离子激发 50% 时(中间曲线),我们在 1550 nm 区域获得了一些增益,而在 1500 nm 处仍有净吸收;然而,这种吸收现在比基态要弱得多。在 80% 的激发下,1550 nm 区域,特别是 1535 nm 附近的净增益变得相当高,现在即使在 1500 nm 也有一些增益。这意味着用 1500 nm 泵浦不可能达到如此高的激发能级。它需要更短的泵浦波长以减少泵浦波的受激发射。实际上只能通过泵入液位歧管 3 ( ⁴ | 11/2) 波长约为 980 nm。不幸的是,由于高
量子缺陷,泵浦的功率效率更差。
>7roe []-| 图 2 显示,更强的激发能级不仅提供更多增益,而且会改变增益谱的形状。这是光纤放大器的典型现象。
Ja SI^go Qj3a_p$)P 示例:掺镱锗硅纤维
xl"HotsX-x 对于掺镱器件,我们得到了一些类似的行为,只是一切都发生在 1 μm 左右的波长范围内。图 3 显示了锗硅玻璃(主要用于掺镱光纤放大器)中镱 (Yb 3+ ) 离子的跃迁截面:
+rIL|c}J 图 3: 掺镱锗硅酸盐玻璃的吸收和发射截面,用于掺镱光纤的纤芯。(R. Paschotta 的光谱测量数据)
P_c,BlfGMH 我们可以再次计算有效增益:
9}c8Xt^&