多模包层泵浦大功率光纤放大器

多模包层泵浦大功率光纤放大器
伍 峰
摘 要：本文论述了多模包层泵浦技术在制作大功率光纤放大器上的优势，讨论了采用该
技术制作30dBm以上光纤放大器需要考虑的问题，给出了研制产品的技术指标。

关键词：光纤放大器，多模包层泵浦，双包层光纤，大功率
1引言
多模包层泵浦技术是最近发展起来的新兴技术，是一系列新技术、新工艺和新材料相结合的产物，是实现光纤放大器超大功率输出的技术核心，代表了大功率光纤放大器制作技术的发展方向。

采用单模纤芯泵浦技术，实现更高输出功率在技术和成本上均受到极大限制，目前国内外采用这种技术途径制作的光纤放大器，输出功率一般在23dBm（约0.2W）以下。

如果要制作输出功率超过30dBm的光纤放大器，必须采用新的技术，多模包层泵浦技术就是实现光纤放大器大功率和超大功率输出的最佳选择。

2多模包层泵浦技术的优势
与单模纤芯泵浦技术相比，多模包层泵浦技术有如下明显的优势：
2.1可采用条宽约100　m的宽发光区多模半导体激光器（LD）作为泵浦源，这种宽发光区
LD由于注入电流的面积比单模LD的电流注入面积大得多，因而注入电流的密度较小，从而LD的寿命和可靠性大大提高，采用这种宽发光区多模泵浦激光器，能够在大大提高输出功率的情况下获得足够的使用寿命和可靠性。

2.2单模泵浦激光器需要单纵模运行，因而功率很难提高，目前的单模泵浦激光器，能够
提供的最大输出功率的，都低于0.5W，而宽面发光多模泵浦激光器的尾纤输出功率可以轻易达到5W以上。

2.3大功率单模泵浦激光器成本较高，而宽面发光多模泵浦激光器相对便宜，以每毫瓦的
单价进行比较，后者仅为前者的3％至5％，而他们的泵浦效率是不相上下的，因此能大幅度降低泵浦成本。

2.4采用多模包层泵浦技术，是将泵浦光输入至横截面数百倍于单模光纤的多模双包层光
纤之中，因此，同样的输入光密度，多模包层泵浦可以允许数百倍于单模泵浦的输入，从而轻易实现光纤放大器的大功率或超大功率输出。

3多模包层泵浦大功率光纤放大器的应用
光纤放大器是现代光通信的基础器件之一，也是大容量长距离全光通信网存在的前提。

大功率和超大功率光纤放大器在光纤网络不断延伸和扩展的进程中将具有越来越重要的作用，目前，在中心机房，往往需要安装多台光纤放大器以便覆盖较大的范围和更多的用户，以有线电视网络（CATV）为例，一个中等规模的区县，如果需要将高质量的一级电视信号送到小区和村镇，往往需要几台至十几台光纤放大器，而采用超大功率光纤放大器，仅仅一台即可,可大幅度节省成本和维护费用，网络运行的稳定性提高。

多模泵浦超大功率光纤放大器的出现，将提供一种对人眼安全的大功率高速空间通信手段。

大功率光纤放大器也将在光纤到大楼和光纤到户等应用中发挥重要作用。

4 多模包层泵浦光纤放大器的结构和工作原理
4.1 结构
多模包层泵浦光纤放大器的光路结构如图1所示：
图1 多模包层泵浦光纤放大器的光路结构示意图
4.2 工作原理
多模包层泵浦，是将多模泵浦激光耦合到双包层光纤的内包层中，当多模泵浦光在内包层中传播时会反复穿过光纤纤芯（如图2所示），泵浦光在穿过掺有稀土元素的光纤纤芯时被吸收从而实现泵浦。

图2 泵浦光在双包层光纤中的传播示意图
与单模纤芯泵浦不同，用于光纤放大器的双包层光纤，泵浦光主要在内包层中传播，因此，同样的纤芯参数，包层泵浦的泵浦吸收截面要小得多，所以，提高泵浦吸收效率是制造双包层光纤需要重点考虑的因素。

合理的内包层结构形状能够显著提高泵浦吸收效率，目前，已经设计并制作出了多种内包层形状的双包层光纤，
这些专门设计的内包层结构和形状，使泵浦光在单位长度内有效穿过光纤纤芯的几率大大增加。

图3
是设计制作的部分双包层光纤内包层形状示意图。

图3 几种双包层光纤内包层结构示意图
宽面发光多模泵浦激光二极管 双包层有
层耦合
另外，对于1550nm 波段光纤放大器，采用铒、镱共掺的双掺杂技术，利用镱元素的高吸收和铒镱之间能量的高效传递，能够获得铒元素的高效泵浦。

图4为铒镱共掺有源光纤的泵浦吸收和能量传递简单能级示意图。

图4 铒镱共掺有源光纤泵浦吸收和能量传递简单能级示意图
铒、镱共掺由于存在能量传递的互逆性，因此，需要尽可能快的消耗铒离子的受激状态。

减小纤芯直径，有效提高光密度，是通常的做法，这样做对低功率光纤放大器影响不大，但是，对于大功率和超大功率光纤放大器，会由于过高的光功率密度导致非线性效应，这是有害的。

对于光纤放大器的应用，双包层光纤主要用于大功率和超大功率情况，双包层光纤小芯径纤芯设计已经成为一种制约因素。

采用高浓度铒单掺杂可能是解决小芯径问题的一种途径。

我们知道，阻碍铒元素掺杂浓度进一步提高的主要原因，是铒元素在掺杂过程中，不可能达到理想的均匀分布，这样会造成铒掺杂的局部浓度过高，从而导致局部铒元素间距过小，相邻铒元素之间出现非辐射交叉弛豫过程，这种局部的过高浓度，还会导致玻璃基质中产生结晶现象。

所以，人们正在发展新的技术，使铒元素的掺杂非常均匀，在不引起明显的非辐射交叉弛豫过程的情况下，大幅度提高铒元素的掺杂浓度，使采用相对较大的纤芯直径成为可能。

需要说明的是，在其他参数不变的情况下，增大双包层光纤纤芯直径，也能提高泵浦光的吸收效率。

所以，实现高浓度铒单掺和增大纤芯直径，可以获得与铒镱共掺相当甚至更高的泵浦吸收效率，从而发展性能更好的大功率光纤放大器。

目前，通过多种途径优化设计制造的双包层光纤，多模包层泵浦效率已经与单模纤芯泵浦的效率相当。

将多模泵浦激光高效耦合到双包层光纤的内包层中，是多模包层泵浦的关键技术之一，光功率合成器件(Combiner)是实现这种耦合的关键元件。

图5是多模包层泵浦光纤放大器使用的一种(6+1)×1 Combiner 的标准结构。

单模有源纤芯 双包层光纤
图5 (6+1)×1 Combiner结构示意图
5影响多模包层泵浦大功率光纤放大器技术参数的因素
影响多模包层泵浦大功率光纤放大器技术参数的因数基本与单模纤芯泵浦相同，但有如下一些方面的差异：
5.1泵浦波长
单模纤芯泵浦所使用的泵浦激光器，其输出波长在980nm附近，与铒离子的光谱吸收峰吻合，由于该吸收峰陡直狭窄，所以，吸收效率对泵浦波长非常敏感，需要对泵浦波长采取严格的波长稳定措施，这大大增加了单模泵浦激光器的制作成本。

多模泵浦激光器容易获得大功率输，所以，包层泵浦使用吸收率较低但变化比较平坦的915nm至960nm光谱吸收区（见图6），这样，降低了对泵浦激光器输出波长稳定性的要求，所以，多模包层泵浦不需要采取泵浦波长稳定措施，极大地降低了单位泵浦功率的成本。

图6 铒镱双掺双包层光纤的吸收光谱示意图
5.2泵浦功率和输出功率
对于输出功率大于1瓦(30dBm)的大功率光纤放大器来说，由于泵浦功率和输出功率都很高，因此对光纤熔接质量要求更好，对光纤元件的要求更高，对光纤盘绕更讲究。

由于输出功率很高，一般需要将输出信号分成多路进行传输。

5.3非线性效应问题
对于大功率光纤放大器，由于光纤中的光功率密度很高，因此，制作和使用这种大功率光纤放大器时，非线性效应成为需要重视的问题。

6研制产品的技术指标
已经研制的多模包层泵浦大功率光纤放大器，是为CATV应用而开发，产品技术指标如
表1：
表1 CATV 用大功率光纤放大器技术指标
参数名称 单位 参数指标
饱和输出功率 dBm ≥33 mW 2000
工作波长 nm 1540～1560
输入功率 dBm 0～15
噪声系数 dBm ≤6.0
输出功率稳定性 dB ≤±0.2
偏振相关增益 dB ≤0.5
偏振模色散 ps ≤1.0
输入/输出隔离度 dB ≥35
泵浦泄漏 dBm ≤20
输出口数量 8～12
工作温度范围 ℃
-10～+70
机架尺寸 mm 483×330×44
电源电压 V AC165～265
图7为研制产品在输入功率为5dBm 时，输出功率与泵浦功率的关系曲线，从图中可以看出，对于这台光纤放大器，在输出功率小于33dBm（2W）时，输出功率与泵浦功率之间有很好的线性关系，当输出功率达到2.4W 附近时出现饱和。

图7 输出功率与泵浦功率的关系
7 结束语
采用多模包层泵浦技术可以使光纤放大器获得高得多的输出功率，可以大幅度降低单位输出功率的成本，能够获得长寿命。

该技术开辟了大功率和超大功率光纤放大器制作的新纪元，代表了大功率光纤放大器的发展方向。

500 1000 1500
2000 2500 输出功率 泵浦功率 mW。