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小火龙果

2022-05-26 15:06

RP系列激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第五部分

光纤放大器的教程包含以下十个部分：
1、光纤中的稀土离子
2、增益和泵浦吸收
3、稳态的自洽解
4、放大的自发发射
5、正向和反向泵浦
6、用于大功率操作的双包层光纤
7、纳秒脉冲光纤放大器
8、超短脉冲光纤放大器
9、光纤放大器噪声
10、多级光纤放大器
接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第5部分：

第五部分：正向和反向泵浦
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：
• 正向泵浦是指泵浦波与信号波的传播方向相同。
• 反向泵浦意味着泵浦波沿相反方向传播。
• 一个也可以同时双向泵送；这称为双向泵送。
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。

[attachment=112646]

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。

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。
电源转换效率
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：
• 总增益仅取决于沿光纤的平均激发密度。
• 总泵吸收效率也仅取决于该平均值。
• 这同样适用于通过荧光（自发发射）损失的功率量。

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。
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：
放大的自发发射
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。
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：

[attachment=112647]

图 2：沿带正向泵浦的掺镱光纤放大器长度方向的光功率。

现在我们改为反向泵送：

[attachment=112648]

图 3：沿掺镱光纤放大器长度的光功率，现在具有反向泵浦。

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。
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。

信号的噪声污染
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。
非线性效应
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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