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光纤放大器：原理、应用与设计要点

发布时间：2023-11-14 10:27:38 阅读数： 229

本文深入探讨了基于稀土离子掺杂的光纤作为激光增益介质的光纤放大器，详细介绍了其工作原理、应用领域、增益和输出功率、光脉冲放大、饱和特性、噪声问题、放大器建模以及特定离子掺杂的光纤放大器类型。同时，探讨了设计中的若干关键问题，包括泵浦方式、准三能级增益介质、光学非线性、啁啾脉冲放大、多级放大器、偏振问题以及光纤放大器模块。

光纤放大器简介

光纤放大器是基于光纤作为激光增益介质的光学放大器。在大多数情况下，增益介质是掺杂了稀土离子如铒（EDFA=掺铒光纤放大器）、钕、镱（YDFA）、镨或铥的玻璃纤维。这些活性掺杂物通过激光器如光纤耦合二极管激光器提供能量（泵浦），在几乎所有情况下，泵浦光与待放大的信号光一起通过光纤芯传播。一种特殊类型的光纤放大器是拉曼放大器（见下文）。

光纤放大器的工作原理

光纤放大器的基本工作原理与其他激光放大器一样，是辐射的受激发射。当一个信号光子遇到一个激发态的激光活性离子时，它可以刺激它发射另一个相同波长且在相同方向传播的光子，有效地放大该信号光。

光纤放大器的应用

光纤放大器最初主要应用于长距离光纤通信，其中信号需要周期性放大。通常，在1.5-μm光谱区域使用中等光功率（输出功率例如几百毫瓦）的掺铒光纤放大器。通常在单个光纤放大器中同时放大许多不同波长的通道（→波长分复用）。

增益与输出功率

由于光纤的可能的小模式面积和长长度，可以使用适度的泵浦功率实现高增益，例如30或40 dB，即增益效率可以非常高（特别是对于低功率放大器）。通常可以获得的增益受到ASE（见下文）的限制。

光脉冲放大

光纤放大器不仅可以放大连续信号，还可以放大短或甚至超短光脉冲。在这里，可以利用放大器存储大量能量，然后在非常短的时间内通过强烈脉冲释放。此外，由于巨大的增益带宽，可以实现相当短的脉冲持续时间（例如100 fs或更短）。但是，光纤放大器在脉冲放大方面存在限制：

饱和特性

在增益饱和方面，光纤放大器与半导体光放大器（SOAs）非常不同。由于小的跃迁截面，饱和能量相当高，例如对于典型的掺铒电信放大器为几十微焦耳，对于大模式面积掺镱放大器为数百微焦耳。与此同时，上层态寿命相当长——例如，对于掺铒放大器大约为8 ms。因此，可以在光纤放大器中储存大量能量（有时几毫焦耳），并且稍后可以通过单个短脉冲提取。只有对于输出脉冲能量达到饱和能量或更高的情况，通过饱和产生的脉冲失真才变得显著。对于放大锁模激光器的输出，其中脉冲能量相当低，增益饱和通常与连续波激光器相同。

ASE与噪声

通常可以获得的增益不是由可用的泵浦功率限制，而是由放大的自发辐射（ASE）限制。这在增益大约超过40 dB时变得相关。高增益放大器还需要防止任何寄生反射，因为这些可能导致寄生激光振荡甚至光纤损坏，因此通常在输出端并可能在输入端装备光隔离器。

放大器建模

可以建模（→激光建模）光纤放大器的基本性能方面，通常使用适当的光纤仿真软件。这样的模型通常包括一组速率方程，可以用它来计算给定信号和泵浦强度的种群密度。这样的速率方程模型可以被纳入更全面的模型中，然后计算沿着光纤的光功率。

钕和镱光纤放大器

基于掺镱或掺钕的双包层光纤的光纤放大器可用于将1-μm激光源的输出功率提高到高达数千瓦的非常高水平（→高功率光纤激光器和放大器）。广泛的增益带宽也适用于超短脉冲的放大（→超快放大器）；由于光纤非线性效应如克尔效应和拉曼效应（见下文）而受到限制。单频信号也可以放大到高功率；在这种情况下，受激布里渊散射通常设定了限制。