光纖放大器的教程包含以下十個(gè)部分： /J
R+WmO  
1、光纖中的稀土離子 cw<
IL  
2、增益和泵浦吸收 `dvg5qQ  
3、穩(wěn)態(tài)的自洽解 ,';|CGI cP  
4、放大的自發(fā)發(fā)射 :c/54Ss~  
5、正向和反向泵浦 |&#N&t  
6、用于大功率操作的雙包層光纖 tpJA~!mG3  
7、納秒脈沖光纖放大器 ?%6oM
 
8、超短脈沖光纖放大器 &e^;;<*w  
9、光纖放大器噪聲 kOydh(yE  
10、多級光纖放大器 UA$IVK&{  
接下來是Paschotta 博士關(guān)于光纖放大器教程的第10部分： k'o[iKlu  
@lN\.O  
第十部分：多級光纖放大器 p>tkRA?lk  
在本教程的前面部分已經(jīng)提到過，例如在納秒脈沖和超短脈沖放大器中，可以使用多級放大器，即包含多個(gè)有源光纖的放大器設(shè)置。 Dj\nsc@e3  
本質(zhì)上，使用多級放大器有兩種不同的原因： =.3#l@E!C  
• 人們可能希望在設(shè)置中使用不同種類的有源光纖——例如，一種用于前置放大器的有效模式面積較小的光纖，另一種用于最終放大器級的雙包層大模式面積光纖。 aKj|gwo!  
• 在許多情況下，需要在兩級之間插入光學(xué)元件，例如泵浦耦合器、濾光片和開關(guān)。 7P<VtS  
在下文中，我們將更詳細(xì)地了解多級光纖放大器的各個(gè)重要方面。 jrQ0-D%M d  
GAj%o]}u  
​需要不同的模式區(qū)域 P73GH  
光纖放大器系統(tǒng)通常提供幾十分貝的非常高的增益。這意味著有源光纖的不同部分會(huì)看到非常不同的光功率或脈沖能量。 z=>fBb>w7  
最后一級（功率放大器級）需要大模式區(qū)域有幾個(gè)原因： 3x;UAi+&  
• 對于太低的模態(tài)區(qū)域，非線性效應(yīng)會(huì)過大。 KfiSQ!{  
• 當(dāng)使用雙包層光纖獲得高平均功率時(shí)，大模面積會(huì)降低包層/纖芯面積比，從而提高泵浦吸收，因此可以使用更短的光纖長度；這進(jìn)一步減少了非線性效應(yīng)。 &>\;4E.O5  
• 此外，可以避免或減少高能脈沖引起的過度增益飽和（以及由此產(chǎn)生的脈沖形狀失真）的問題。最后，如果需要在光纖中存儲高能量，還可以避免因增益過大（例如，強(qiáng)放大的自發(fā)發(fā)射，參見第 4 部分）而導(dǎo)致的問題。 ;\pVc)\4"  
另一方面，對于低功率前置放大器來說，較小的模式區(qū)域仍然是可取的： UePkSz9EU  
​• 我們希望具有高增益效率，以便在使用小泵浦功率的同時(shí)獲得高放大器增益。 g#$ C8k  
• 在低平均功率狀態(tài)下，功率轉(zhuǎn)換效率更高。 {[!<yUJ`S#  
• 我們可以使用具有穩(wěn)健導(dǎo)向的嚴(yán)格單模光纖，允許緊密盤繞以實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)置，同時(shí)保持光束形狀穩(wěn)定。 ^C'S-2nGH  
• 上述較高模式區(qū)域的原因不適用于低功率前置放大器：不存在（或至少較小）非線性、增益飽和或 ASE 問題。 v5M4Rs&t  
• 通常，功率放大器級具有顯著較低的增益，但提供了最大部分的輸出功率。 E;a,].  
J+P<zC  
需要不同的泵送選項(xiàng) =o9s?vOJ  
​當(dāng)使用如上所述的兩種不同光纖時(shí)，可能希望通過將光纖直接泵入纖芯來最小化前置放大器的泵浦功率。在低功率水平上，這很容易做到，例如使用光纖耦合二極管激光器和二向色光纖耦合器。但是，該選項(xiàng)可能不適合最終需要的高功率；在那里，人們想做包層泵浦，即將泵浦光注入雙包層光纖的泵浦包層（見第 6 部分）。顯然，當(dāng)使用具有相應(yīng)不同光纖的兩個(gè)不同放大器級時(shí)，這至少更容易。 I-R7+o  
!8G)`'  
注入額外的泵浦光 uyYV_Q0~;  
對于纖維，我們有時(shí)會(huì)缺少末端。更多的纖維有助于擁有更多的末端。例如，在兩級放大器中，我們已經(jīng)有四個(gè)光纖端可以注入泵浦功率。這是受歡迎的，例如，如果我們無法僅使用兩個(gè)泵浦二極管獲得足夠的泵浦功率。 JR]2Ray  
=> (g_\  
ASE 抑制 dL0Q8d\^T  
為了避免過度放大自發(fā)發(fā)射的麻煩（ASE，見第 4 部分），第一步是設(shè)計(jì)一個(gè)不高于所需的增益。特別是，增益效率不應(yīng)高于必要的值。然而，有時(shí)我們只需要一個(gè)非常高的增益，例如 60 dB。在單個(gè)放大器級中會(huì)導(dǎo)致過度的 ASE；更準(zhǔn)確地說，在達(dá)到該增益之前，我們會(huì)將大部分泵浦功率轉(zhuǎn)換為 ASE 功率。 7ui<2(W@0  
多級放大器允許通過級之間的 ASE 消除來解決該問題。本質(zhì)上，一個(gè)人在那里強(qiáng)烈衰減 ASE，因此它必須在下一階段“從頭開始”建立。有不同的選擇： H\>{<`sD;f  
• 如果只需要放大窄帶信號或脈沖，則可以簡單地使用窄帶光學(xué)帶通濾波器來傳輸有用的輻射（信號或脈沖），同時(shí)抑制大部分 ASE。例如，如果可以使用具有 1 nm 濾波器帶寬的干涉濾波器，則可能已經(jīng)將不需要的 ASE 功率降低了大約一個(gè)數(shù)量級。然而，對于本質(zhì)上是寬帶的飛秒脈沖，這是一種不太有效的方法，因?yàn)樾枰�更大的濾波器帶寬。 <odi>!ViH  
• 法拉第隔離器允許人們在反向強(qiáng)烈抑制 ASE。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榍爸梅糯笃魍ǔ��?ASE 比功率放大器級更敏感。 FOG{dio  
• ​對于脈沖操作，也可以使用具有級之間的光開關(guān)的時(shí)間選通，該光開關(guān)僅在要放大的每個(gè)脈沖周圍的短時(shí)間間隔內(nèi)打開。（例如，可以使用聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器。）該方法不能避免 ASE 直接在脈沖周圍可能出現(xiàn)的問題，這可能會(huì)干擾某些應(yīng)用，但它會(huì)降低系統(tǒng)中的 ASE 功率損耗. .aNh>`OT'  
• 如果信號在整個(gè)器件中極化良好，也可以在級之間使用偏振器來抑制未使用的極化方向上的 ASE。然而，這種措施不太常見，因?yàn)樗�比其他措施�?shí)現(xiàn)的少，而且信號通常是非極化的。 )V1xL_hx/  
​在某些情況下，必須將這些選項(xiàng)中的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)足夠的 ASE 抑制。 )k(K/m  

nYx /q  
​最小化放大器噪聲 pq) =  
使用大功率雙包層光纖放大器可能難以實(shí)現(xiàn)放大器的低噪聲系數(shù)（參見第 9 部分）。這是因?yàn)榇祟愒O(shè)備通常在輸入端以相當(dāng)?shù)偷募ぐl(fā)密度運(yùn)行，特別是在反向泵浦時(shí)。但是，如果將這樣的功率放大器與核心泵浦前置放大器相結(jié)合，則整個(gè)設(shè)備可以具有非常好的噪聲系數(shù)。 E*YmHJ:k  
j#//U2VdN  
保護(hù)和監(jiān)控 xrg"/?84  
法拉第環(huán)行器（即具有附加輸出端口的法拉第隔離器）允許提取從功率放大器返回的任何信號光，例如來自應(yīng)用的背反射結(jié)果。這樣，可以避免損壞前置放大器或種子源。請注意，背向反射的光會(huì)在那里被進(jìn)一步放大。輸出端的法拉第隔離器可能無法工作，因?yàn)樗�必須承受高光功率。（�?dāng)然，它的反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，它也可能會(huì)殺死階段之間的循環(huán)器。） D)-LZbPa  
​此外，可以監(jiān)控放大器級之間的功率電平，例如，以便在檢測到不良操作條件（例如太強(qiáng)的光反饋）時(shí)關(guān)閉設(shè)備。 C'I&<  
:TTq   
增益扁平化 QGpj$ _b  
對于某些應(yīng)用，例如具有波分復(fù)用的光纖通信，需要具有“平坦”增益的放大器，即在某些光譜窗口內(nèi)具有低增益變化。這通常是通過插入一些增益平坦濾波器來完成的，這會(huì)在增益過高的波長區(qū)域提供更高的光損耗。 Y(Qb)>K  
但是在哪里放置這樣的過濾器？如果我們把它放在放大器前面，它會(huì)破壞噪聲系數(shù)（見第 9 部分）。如果我們把它放在后面，它會(huì)降低電源轉(zhuǎn)換效率。這兩個(gè)問題都可以通過將濾波器放置在兩個(gè)放大器級之間來避免，在這兩個(gè)放大器級之間，噪聲問題和功率損耗都不是關(guān)鍵問題。 ')q0VaohC  
增益平坦化也可以通過組合具有不同纖芯化學(xué)成分的兩根光纖來促進(jìn)，從而導(dǎo)致不同的增益光譜和整體更寬的增益光譜。 M`&t=0D