光纖放大器的教程包含以下十個部分：
2~/`L=L 1、光纖中的稀土離子
]\K?%z 2、增益和泵浦吸收
H0i nU+Ih 3、穩(wěn)態(tài)的自洽解
pD[&,gV$ 4、放大的自發(fā)發(fā)射
6R^F^<< 5、正向和反向泵浦
Txo{6nd/ 6、用于大功率操作的雙包層光纖
gYN;F u-9Z 7、納秒脈沖光纖放大器
^k % +ao 8、超短脈沖光纖放大器
w uY-f4 9、光纖放大器噪聲
i 7T#WfF 10、多級光纖放大器
JdI*@b2k[ 接下來是Paschotta 博士關(guān)于光纖放大器教程的第6部分：
En7+fQ 5!9y nIC+> 第六部分：用于大功率操作的雙包層光纖
YIW9z{rrs 基于單模光纖的光纖放大器的輸出功率非常有限，因為很難將高泵浦功率注入這種光纖。這有兩個原因：
<H] PP6_g: • 高功率
激光二極管的光束質(zhì)量通常很差——不足以有效地發(fā)射到單模核心。
ha|2u(4 • 即使有一個高功率單模泵浦源，注入泵浦光也是一個非常微妙的問題。光纖纖芯中的高泵浦強度不會是主要問題：畢竟，高功率光纖放大器也可以應(yīng)對類似的高信號輸出功率。然而，由于發(fā)射效率永遠不會100%，即使使用高質(zhì)量的泵浦光束，也會將大量功率發(fā)射到包層中，然后可能由于過熱而破壞光纖，例如由于涂層處的吸收（即使光纖末端被剝離了一些重要的長度）。
=>PX~/o 這個問題可以通過使用雙包層光纖來解決。它們在纖芯周圍有一個泵浦包層，纖芯本身被折射率更低的外包層包圍。泵浦包層通常具有比光纖纖芯大得多的直徑和更高的數(shù)值孔徑，構(gòu)成多模波導，即使泵浦光束質(zhì)量不是很好，也可以輕松有效地將高功率泵浦光發(fā)射到其中。纖芯的折射率仍然高于泵浦包層的折射率，因此它支持單導模，有時甚至支持幾個模。
"24d:vf\ 射入泵浦包層的光也進入光纖纖芯，在那里它可以被激光活性離子吸收。（請注意，泵浦包層是未摻雜的，因此那里沒有泵浦吸收。）只是，泵浦光與摻雜纖芯的重疊減少了，因為大部分泵浦功率在未摻雜的泵浦包層中傳播。
+&"W:Le: 圖 1 顯示了泵浦光如何注入內(nèi)包層（泵浦包層），而信號光如何注入光纖纖芯并保留在那里。
QE"$Lc) _: Q^mV=;j gYbvCs8O! 圖 1： 基于雙包層光纖的包層泵浦光纖放大器。信號光射入摻雜纖芯，泵浦光射入內(nèi)包層。芯為 D 形，可更有效地泵吸。
;C o"bP's 優(yōu)化泵吸收
?z M 所提到的注入泵浦包層（而不是直接進入纖芯）的泵浦光的吸收減少會導致缺點，如下面更詳細討論的。因此，最大化雙包層光纖中的泵浦吸收通常是有益的。
}`
`oojz 一種直接的方法是使泵包層盡可能小。當然，這增加了對泵浦光束質(zhì)量的限制。數(shù)值孔徑（即泵浦包層和外包層之間的折射率對比）越高，該問題就越不嚴重。
h{- en50tN 另一種方法是使摻雜光纖纖芯盡可能大，從而減小泵浦包層與纖芯的面積比。限制通常是由需要穩(wěn)健的單模信號傳播來設(shè)定的，這對于大纖芯來說更加困難（參見關(guān)于大模面積光纖的百科全書文章）。有時，人們接受具有多個導模，盡管這使得獲得高光束質(zhì)量的信號輸出變得更加困難，并且還可能導致在高功率水平下的某些模式不穩(wěn)定性。
rkS'OC 其次，可以最大化纖芯的摻雜濃度。但是，這是有限制的；在高摻雜濃度下，有害的猝滅效應(yīng)變得太強，對于高功率操作，每米光纖的功率耗散可能會過高。
]b}3f< {=I,+[( 圖 2： 泵浦光沿帶有圓形泵浦包層的雙包層光纖的幅度分布。使用RP Fiber Power軟件完成的數(shù)值模擬表明，泵浦強度分布在核心區(qū)域形成了一個“洞”。剩余的泵浦光表現(xiàn)出相當不完全的吸收。例如，使用 D 形磁芯可以減輕這種影響。
!-qk1+<h 一些雙包層光纖的一個令人討厭的問題是，泵浦吸收甚至比僅考慮上述面積比所預(yù)期的還要差。這是因為對于泵包層的不同模式，與纖芯的重疊是完全不同的。其中一些與核心幾乎沒有重疊，因此僅表現(xiàn)出非常弱的泵吸吸收。經(jīng)過一段光纖長度后，可能僅在這些模式下留下大量泵浦功率，并且使光纖更長沒有太大幫助（參見圖 2）。一些泵浦包層模式的吸收比平均值好得多也無濟于事，因為超過 100% 的吸收無論如何是不可能的。
l]DRJ 有多種可能的對策，例如光纖的強烈卷繞（這會導致模式加擾）和使用不太對稱的光纖設(shè)計，這種設(shè)計沒有泵浦包層模式，纖芯重疊非常低。圖 3 顯示了不同的設(shè)計。最簡單的一種具有圓形泵浦包層和中心芯的設(shè)計，如圖 2 所示，在泵浦吸收方面非常差，而其他的都更好。
o/
\o -kC} 4`v[p4k 圖 3：雙包層光纖 的各種設(shè)計。纖芯為藍色，內(nèi)包層為淺灰色，外包層為深灰色。沒有顯示經(jīng)常使用的附加聚合物涂層。
7.NL> :lu 雙包層光纖也可以制成
光子晶體光纖，如圖 4 所示。在這里，多模泵芯由空氣包層中的非常薄的支柱懸掛，泵浦光無法通過這些支柱逃逸。這樣的結(jié)構(gòu)對于泵浦光可以具有非常高的數(shù)值孔徑，這降低了對泵浦光束質(zhì)量的要求。纖芯的引導與其他光子晶體光纖一樣。
Z{(Gib~{N IA1O]i
S 圖 4： 具有空氣包層的光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)。
xF) .S@ 包層泵送的局限性
|af<2(d 期望雙包層光纖能夠?qū)崿F(xiàn)與光纖放大器基本相同的性能，只是在更高的功率水平下，這是完全錯誤的。有各種各樣的問題，我們將在下面討論。
ZHA&gdK@ 第一個問題是泵浦吸收減少的直接后果：我們需要更長的光纖長度，這可能會產(chǎn)生各種不利影響：
H"pY j 這些發(fā)現(xiàn)非常典型。一般來說，準三電平光纖放大器在反向泵浦時具有較低的 ASE 損耗，因此如果 ASE 損耗會很大，那么該配置中的功率轉(zhuǎn)換效率會更高。對于更高的輸入信號功率，造成更強的增益飽和，兩個方向的差異更小。
)N{PWSPs • 寄生傳播損耗的影響變得更強。然而，這通常不是一個大問題。例如，對于摻鐿雙包層光纖而言，典型的 0.01 dB/m 量級的損耗在 20 m 范圍內(nèi)僅為 0.2 dB。這對應(yīng)于 4.5% 的中等功率損耗。
jyg> '"W • 非線性效應(yīng)變得更強。這通常是脈沖放大背景下的一個問題（參見第 7 部分）。
Yy[=E\z • 與纖芯泵浦光纖相比，纖芯中的激光活性摻雜劑總體上要多得多。由于信號波與摻雜劑的相互作用沒有減少，這可能會產(chǎn)生有害的后果（參見下面討論的示例）。
@:hWahMy • 另一個問題可能是雙包層光纖中的泵浦強度相對較低。如果需要高激發(fā)密度，例如為了實現(xiàn)在相對短
波長下的操作，這可能是個問題。
yT3K 2A 另一方面，需要一定的纖維長度以避免過熱。至少，大大減少的光纖長度將需要在高功率運行期間進行積極的冷卻。盡管如此，如果可以進一步改善泵浦吸收，它通常還是有用的——特別是對于脈沖放大。對于摻鉺光纖來說尤其如此，因為鉺離子具有較低的吸收截面和較高的聚集效應(yīng)趨勢，從而為摻雜濃度設(shè)定了下限。
`$ bQ8$+Ci )I<VH +6 示例：摻鐿雙包層光纖放大器
.Z QXY%g 作為一個例子，我們考慮一個摻鐿光纖，它的纖芯與前面的例子相同，但泵浦是在一個直徑大 10 倍的泵浦包層中完成的。940 nm 的泵浦功率從 500 mW 增加到 20 W，1030 nm 的信號輸入功率從 1 mW 增加到 40 mW。所以兩者都比以前高 40 倍，而泵的面積則大了 100 倍。纖維制成 50 m 長以提供足夠好的泵吸吸收。為簡單起見，我們假設(shè)光纖中的模式混合完美，這樣就不會出現(xiàn)上述泵浦吸收不完全的問題；這有點樂觀。
Zq1> M'V; 然后，人們可能希望獲得與以前一樣好的性能，只是功率提高了 40 倍。然而，情況并非如此，如圖 5 所示：在 ≈60% 的泵浦功率已轉(zhuǎn)換為信號功率后，信號功率開始下降。所以更長的纖維長度也無濟于事，即使泵吸收還不是很有效。
Rbm+V{EF& zXGI{P0O 圖 5： 摻鐿雙包層光纖放大器中光功率的演變。
&C,]c#-+ 主要原因是 ASE 出現(xiàn)的波長稍長一些：
_mdJIa0D6k 25, [<Ao 圖 6： 摻鐿雙包層光纖放大器的 ASE 光譜。ASE 最大值已移至更長的波長，因為現(xiàn)在鐿激發(fā)較低。
P'_ aNU 通過提供 10 倍以上的信號輸入功率，即通過以較低增益操作放大器，可以大大抑制 ASE。然而，即便如此，功率轉(zhuǎn)換效率也僅限于 73%。如果我們使用 60 m 的稍微超長的光纖，我們再次得到更高的 ASE 相關(guān)功率損耗，轉(zhuǎn)換效率下降到 54%。
tvzO)&)$ 例如，放大器在 1080 nm 的較長信號波長下會更好地工作，因為此時信號波長更接近最大增益的波長。事實上，人們可以發(fā)現(xiàn)，高功率雙包層放大器和
激光器通常在比核心泵浦設(shè)備更長的波長下運行，盡管這當然會增加
量子缺陷，這對于高功率運行尤其不利。
Obc, 3
