本文作者：RÜDIGER PASCHOTTA

单位：RP PHOTonICS AG

近40年来，工业界对稀土掺杂光纤的青睐程度大幅提高。例如，掺铒（Er）电信光纤放大器和掺镱（Yb）或掺铥（Tm）高功率激光器被广泛应用于许多工业和科学领域。

20世纪80年代开发和推出这些特种光纤之后，稀土掺杂光纤及其支持的光子系统并未立即得到采用。然而，即使这些光纤的使用朝着普及方向发展并最终实现了普及，其性能背后的基本机制在很大程度上并没有改变。

简单地说，光纤内的信号光可以通过收集受激稀土离子来放大。这些离子通常只位于光纤的核心部分，并能进行受激发射。将一些泵浦光注入光纤的一端或两端，可起到激发离子的作用。

除某些上转换泵浦方案外，泵浦波长比信号波长短。当放大信号产生很大的光功率时，就会影响离子激发。这反过来又会导致增益饱和。

强饱和效应

原则上，向光纤中注入一些泵浦光可产生信号放大效果。然而，由于各种原因，通常很难准确预测注入光后会发生什么。例如，图1显示了纤芯直径为4µm的掺镱单模光纤在波长为975nm、功率为100mW的情况下，泵浦功率和光纤中镱激发的结果曲线。令人惊讶的是，泵浦功率呈线性下降（近似），而不是呈指数下降。此外，功率衰减的长度范围也远大于人们仅从吸收系数所预期的长度范围。这个值是根据掺镱密度、吸收截面和光纤模式与掺镱纤芯的重叠系数的乘积计算得出的。

此外，在大部分传播长度内，掺镱激发率保持在50%左右，与本地泵浦功率几乎没有关系，直到距离光纤3米之后才突然大幅下降。

掺镱吸收的强饱和度与掺镱激发程度有关，是这些效应的背后原因。只需适度的泵浦功率，系统就能远远超过饱和功率，低至2.4mW。

图1还显示了前向和后向的放大自发辐射（ASE）。前向自发辐射在光纤的其余部分被部分重吸收。这就导致尽管泵浦功率的残余可以忽略不计，但右端附近仍存在大量的镱激发。

图1. 基于软件模拟的掺镱光纤（灰色）中光功率和镱（Yb）激发分数的演变。饱和效应驱动泵浦功率线性下降（近似值），而不是指数下降。ASE：放大自发辐射。（RP Photonics供图）

图2进一步显示了在1030nm注入1mW信号时饱和的影响。在这里，信号被放大到近100mW。现在，光纤的实质激发部分明显缩短。由于信号的再吸收，信号功率最终下降，而泵浦功率的下降速度比之前快得多。

图2. 注入波长为1030nm的1mW输入信号，信号被放大到近100mW。增益饱和效应决定了光纤的实质激发部分会缩短。（RP Photonics供图）

如图2所示，将光纤长度减半可提高性能。此外，由于增益降低，ASE在很大程度上也会被抑制。

从这些系统中可以看出，稀土掺杂光纤的具体性能可能与最初的预期大相径庭，因为很难预料其中涉及的所有相关物理细节。因此，即使在简单的情况下，不进行模拟也很难优化放大器或激光器的设计。当设计需要更复杂的设置（如多个增益级、级间ASE滤波、脉冲放大和/或需要光谱平坦增益）时，确保最佳结果的可能性就会降低。

动态行为

与其他各种激光活性离子相比，稀土离子的上态寿命相当长。镱的上态寿命为1ms，铒的上态寿命略小于10ms。这些数值在一定程度上取决于光纤玻璃的成分。

因此，当将放大器放入一个系统中时，放大器增益会在泵浦源开启后通过相当长的一段时间来积累。此外，信号注入后，放大器增益也不会立即达到饱和。

放大器增益与光纤中存储的大量激发能量有关。这可用于脉冲放大。事实上，通常只需一个脉冲就能提取其中的大部分能量。这发生在脉冲能量高于给定饱和能量的情况下，有时甚至高达数十毫焦。在脉冲放大过程中，增益会急剧下降，从而扭曲时间脉冲的形状。

例如，在图3中，同一根掺镱单模光纤被泵浦1.5ms，然后注入高斯5µJ信号脉冲（1030nm）。由于输出脉冲能量为96µJ，远高于饱和能量，因此系统出现了强烈的脉冲失真。

图3. 放大器的信号输出脉冲。输入脉冲为高斯脉冲，以t=0为中心。当输出脉冲能量超过饱和能量时，系统会出现强烈的脉冲失真。（RP Photonics供图）

在这个序列中，值得一提的是功率放大系数与平均激发成指数关系，因此在脉冲期间会显著下降。图4显示了脉冲放大前后放大器的状态。事实上，镱激发急剧下降，这也导致了泵浦吸收的突然增加和脉冲后泵浦功率更快的下降。在此之后，泵浦源需要1ms的时间才能恢复到良好的泵浦状态。此外，信号再吸收也会阻碍能量的完全提取；脉冲波长越长，这种影响越弱。

图4. 脉冲放大前后光纤放大器的状态。镱（Yb）激发下降导致泵浦吸收突然增加，或脉冲后泵浦功率下降更快。（RP Photonics供图）

该系统假定输入脉冲持续时间为10ns，峰值输出功率为8.1kW。这种功率水平会导致一定程度的光学光谱非线性拓宽。在皮秒甚至飞秒脉冲情况下，非线性限制会大大增加。

光纤成分

稀土掺杂光纤的不同化学成分会影响其性能。例如，稀土离子的掺杂密度、随波长变化的跃迁截面等特性，以及其聚集和性能降低的趋势，都与此有关，可通过光谱测量来揭示。此外，化学成分会影响掺镱光纤的光衰减趋势，从而导致光纤性能逐渐下降。

大多数稀土掺杂光纤的成分是基于熔融二氧化硅和各种添加剂。这些添加剂可能包括锗（可用于增加折射率控制）、镱、铒、钕（Nd）和/或氚的稀土离子；以及其他离子，如铝（添加铝可提高稀土材料的溶解度）。

在某些情况下，会同时使用两种不同的稀土离子组合。最常见的例子涉及镱离子和铒离子。铒离子作为激光活性离子，而掺杂密度更高的镱离子则确保泵浦辐射的有效吸收。只要光纤成分得到优化，镱离子就能有效地将其激发能量转移到铒离子上。由于聚类和信号重吸收问题，仅使用较高密度的铒无法达到最佳效果。

其他应用则需要使用非硅玻璃。例如，由于重金属氟化物玻璃具有较低的声子能量，因此可以延长某些稀土离子激发态的寿命。这种光纤可以使用不同的放大器或激光跃迁，而硅基玻璃中的快速非辐射衰减过程（涉及多声子发射）会完全绕过这些放大器或激光跃迁。如今，氟化物玻璃仅限于少数几种小众应用，如上转换激光器和中红外放大器，因为它们的制造成本高昂，机械强度远不如石英玻璃，因此更难处理——如切割和焊接。

模式面积

尤其是在用于强光脉冲的放大器中，光纤的非线性往往是限制性能的关键因素。在某种程度上，增加有效模式面积可以缓解这一瓶颈。虽然增加光纤纤芯直径很容易，但大多数用户通常必须确保光纤保持单模性能，以轻松保持高输出光束质量。

在这些问题上需要考虑一些权衡：例如，降低光纤的折射率对比度或数值孔径（NA）是增加模式面积的直接方法。但这种做法会降低光导性能，最终使光纤对微观和宏观弯曲损耗以及制造缺陷过于敏感。对于稀土掺杂光纤来说，这一挑战甚至比无源光纤更大，因为这些光纤的纤芯往往会出现更大的折射率波动。

实现大模式面积的其他方法包括与光子晶体光纤有关的方法，与其他类型的光纤相比，这些方法可以更有效地缓解模式面积与光导鲁棒性之间的权衡。

不过，大的模式面积自然意味着较弱的导光性能。由于衍射效应较弱，必须由基于光纤设计的相应弱聚焦效应进行补偿，因此通过平衡这两种微弱的抵消效应而形成的模式自然会对额外的、通常是不理想的影响（如弯曲）非常敏感。

双包层和三包层光纤

泵浦光的注入为高功率激光器和放大器带来了另一系列挑战。由于从物理上不可能将光束质量较差的泵浦光（例如来自二极管棒的泵浦光）有效地注入单模或少模光纤纤芯，因此需要采用双包层光纤设计。在这种情况下，大部分泵浦光被注入直径比纤芯大得多的泵浦包层。这种泵浦包层的NA值也大得多。因此，它可以支持多种引导模式，甚至适用于光束质量较差的泵浦源。

简单的双包层设计是径向对称的，在圆形泵浦包层内有一个圆形芯。遗憾的是，这种结构的泵浦包层模式大部分泵浦吸收率较低，因为它与纤芯的空间重叠很小。常见的补救办法是降低对称性，例如使用D形或八角形泵浦包层。此外，用户还可以对光纤进行一定程度的可控弯曲，从而引入模式混合。

双包层光纤设计通常采用聚合物涂层作为泵浦包层的外部边界。这种光纤制造简单，折射率对比度高，因此泵浦包层的NA值很高。然而，将聚合物暴露在高泵浦强度和高温下会产生问题。三层包层设计，即在泵浦包层周围增加一层玻璃包层来限制光线，聚合物涂层不再发挥任何光学功能，是极端工作条件下的首选设计。三包层方法还允许设计人员实现更小的泵浦包层。在某些应用中，较低的泵包层与纤芯面积比有利于提高系统性能。

最常见的是采用标准125µm泵包层直径的双包层设计。这会导致相对较大的面积比，通常为100，这对性能有重要影响。

图5显示的是相同的掺镱光纤，纤芯中的镱浓度相同，但现在纤芯周围是125µm的泵浦包层。我们在975nm波长处使用20W的泵浦功率，并向后移动。现在，需要30米的光纤才能获得合理有效的泵浦吸收。由于泵浦吸收的饱和度较低，因此光纤长度的增加远远小于面积比的预期。虽然泵浦功率很低，但输入端附近的镱激发却更高。由于信号与纤芯中的镱耦合更为强烈，因此信号功率与镱激发程度更为相关。ASE也是如此，它在前2米处的掺镱激发较低。

图5. 后向泵浦（橙色）双包层（125µm）光纤中的功率和镱（Yb）激发。双包层设计产生了相对较大的面积比，这对系统性能有重要影响。（RP Photonics供图）

例如，为了支持波长为940nm的泵浦，就需要更长的光纤，单靠更大的纤芯是不够的，还需要更高的掺镱密度。光纤中的掺镱量越多，对1030nm信号波长的重吸收也就相应越强。这样，最大有效增益就会转移到更长的波长。出于这个原因，掺镱双包层光纤通常用于较长波长区域的放大，但不幸的是，这会增加量子缺陷。尽管如此，功率转换效率仍可轻松超过 80%。

光纤表征

对于稀土掺杂光纤和特种光纤，制造商最好能说明所有相关参数，因为这些信息使得光纤的性能可以预测。通过仿真软件，用户就可以在购买元件之前完成放大器和激光器的设计。经验丰富的系统设计人员和最终用户都知道，根据实验室实验来分析和解决各种问题可能会非常繁琐、耗时且耗资巨大，因为未能达到预期性能通常并不表明潜在问题及其解决方案。

虽然光纤的波导参数通常是众所周知的，但光谱细节却不那么容易确定。尤其是在较为复杂的情况下，如离子间的能量传递或激发态吸收等。某些重要的量无法直接测量，但可以使用模拟模型将光谱参数与可用数据进行拟合。

因此，如果制造商投资于全面的光纤表征，他们就可以销售性能可预测的光纤。这使客户无需经过许多优化步骤即可获得成功。

对于相对标准的光纤，例如掺杂镱、铒或钕离子的光纤，供应商通常会提供相对全面可靠的光谱数据，至少在使用常见的泵浦和放大跃迁时这么做。然而，对于更特殊的光纤和用例，用户通常必须自己测量某些光纤参数，或接受更多的反复试验，直到实现优化的器件设计。

结语

在稀土掺杂光纤问世40年后，人们对其原理有了全面的了解。这对它们的持续广泛应用至关重要，因为深入的定性和定量理解对光纤放大器和激光器的高效开发至关重要。由于强泵浦和增益饱和、信号重吸收和ASE等带来的复杂性，基于简单图片的纯粹直觉往往会失败。在许多情况下，利用从制造商那儿获得的光纤数据和合适的模拟软件，设计人员和用户可以可靠地预测稀土掺杂光纤的性能，从而避免购买和测试最终可能无法产生令人满意结果的光纤。