RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第十部分

光纤放大器的教程包含以下十个部分：

1、光纤中的稀土离子

2、增益和泵浦吸收

3、稳态的自洽解

4、放大的自发发射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的双包层光纤

7、纳秒脉冲光纤放大器

8、超短脉冲光纤放大器

9、光纤放大器噪声

10、多级光纤放大器

接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第10部分：

第十部分：多级光纤放大器

在本教程的前面部分已经提到过，例如在纳秒脉冲和超短脉冲放大器中，可以使用多级放大器，即包含多个有源光纤的放大器设置。

本质上，使用多级放大器有两种不同的原因：

• 人们可能希望在设置中使用不同种类的有源光纤——例如，一种用于前置放大器的有效模式面积较小的光纤，另一种用于最终放大器级的双包层大模式面积光纤。

• 在许多情况下，需要在两级之间插入光学元件，例如泵浦耦合器、滤光片和开关。

在下文中，我们将更详细地了解多级光纤放大器的各个重要方面。

需要不同的模式区域

光纤放大器系统通常提供几十分贝的非常高的增益。这意味着有源光纤的不同部分会看到非常不同的光功率或脉冲能量。

最后一级（功率放大器级）需要大模式区域有几个原因：

• 对于太低的模态区域，非线性效应会过大。

• 当使用双包层光纤获得高平均功率时，大模面积会降低包层/纤芯面积比，从而提高泵浦吸收，因此可以使用更短的光纤长度；这进一步减少了非线性效应。

• 此外，可以避免或减少高能脉冲引起的过度增益饱和（以及由此产生的脉冲形状失真）的问题。最后，如果需要在光纤中存储高能量，还可以避免因增益过大（例如，强放大的自发发射，参见第 4 部分）而导致的问题。

另一方面，对于低功率前置放大器来说，较小的模式区域仍然是可取的：

• 我们希望具有高增益效率，以便在使用小泵浦功率的同时获得高放大器增益。

• 在低平均功率状态下，功率转换效率更高。

• 我们可以使用具有稳健导向的严格单模光纤，允许紧密盘绕以实现紧凑的设置，同时保持光束形状稳定。

• 上述较高模式区域的原因不适用于低功率前置放大器：不存在（或至少较小）非线性、增益饱和或 ASE 问题。

• 通常，功率放大器级具有显着较低的增益，但提供了最大部分的输出功率。

需要不同的泵送选项

当使用如上所述的两种不同光纤时，可能希望通过将光纤直接泵入纤芯来最小化前置放大器的泵浦功率。在低功率水平上，这很容易做到，例如使用光纤耦合二极管激光器和二向色光纤耦合器。但是，该选项可能不适合最终需要的高功率；在那里，人们想做包层泵浦，即将泵浦光注入双包层光纤的泵浦包层（见第 6 部分）。显然，当使用具有相应不同光纤的两个不同放大器级时，这至少更容易。

注入额外的泵浦光

对于纤维，我们有时会缺少末端。更多的纤维有助于拥有更多的末端。例如，在两级放大器中，我们已经有四个光纤端可以注入泵浦功率。这是受欢迎的，例如，如果我们无法仅使用两个泵浦二极管获得足够的泵浦功率。

ASE 抑制

为了避免过度放大自发发射的麻烦（ASE，见第 4 部分），第一步是设计一个不高于所需的增益。特别是，增益效率不应高于必要的值。然而，有时我们只需要一个非常高的增益，例如 60 dB。在单个放大器级中会导致过度的 ASE；更准确地说，在达到该增益之前，我们会将大部分泵浦功率转换为 ASE 功率。

多级放大器允许通过级之间的 ASE 消除来解决该问题。本质上，一个人在那里强烈衰减 ASE，因此它必须在下一阶段“从头开始”建立。有不同的选择：

• 如果只需要放大窄带信号或脉冲，则可以简单地使用窄带光学带通滤波器来传输有用的辐射（信号或脉冲），同时抑制大部分 ASE。例如，如果可以使用具有 1 nm 滤波器带宽的干涉滤波器，则可能已经将不需要的 ASE 功率降低了大约一个数量级。然而，对于本质上是宽带的飞秒脉冲，这是一种不太有效的方法，因为需要更大的滤波器带宽。

• 法拉第隔离器允许人们在反向强烈抑制 ASE。这一点尤其重要，因为前置放大器通常对 ASE 比功率放大器级更敏感。

• 对于脉冲操作，也可以使用具有级之间的光开关的时间选通，该光开关仅在要放大的每个脉冲周围的短时间间隔内打开。（例如，可以使用声光调制器或电光调制器。）该方法不能避免 ASE 直接在脉冲周围可能出现的问题，这可能会干扰某些应用，但它会降低系统中的 ASE 功率损耗.

• 如果信号在整个器件中极化良好，也可以在级之间使用偏振器来抑制未使用的极化方向上的 ASE。然而，这种措施不太常见，因为它比其他措施实现的少，而且信号通常是非极化的。

在某些情况下，必须将这些选项中的两个或多个结合起来以实现足够的 ASE 抑制。

最小化放大器噪声

使用大功率双包层光纤放大器可能难以实现放大器的低噪声系数（参见第 9 部分）。这是因为此类设备通常在输入端以相当低的激发密度运行，特别是在反向泵浦时。但是，如果将这样的功率放大器与核心泵浦前置放大器相结合，则整个设备可以具有非常好的噪声系数。

保护和监控

法拉第环行器（即具有附加输出端口的法拉第隔离器）允许提取从功率放大器返回的任何信号光，例如来自应用的背反射结果。这样，可以避免损坏前置放大器或种子源。请注意，背向反射的光会在那里被进一步放大。输出端的法拉第隔离器可能无法工作，因为它必须承受高光功率。（当然，它的反馈足够强，它也可能会杀死阶段之间的循环器。）

此外，可以监控放大器级之间的功率电平，例如，以便在检测到不良操作条件（例如太强的光反馈）时关闭设备。

增益扁平化

对于某些应用，例如具有波分复用的光纤通信，需要具有“平坦”增益的放大器，即在某些光谱窗口内具有低增益变化。这通常是通过插入一些增益平坦滤波器来完成的，这会在增益过高的波长区域提供更高的光损耗。

但是在哪里放置这样的过滤器？如果我们把它放在放大器前面，它会破坏噪声系数（见第 9 部分）。如果我们把它放在后面，它会降低电源转换效率。这两个问题都可以通过将滤波器放置在两个放大器级之间来避免，在这两个放大器级之间，噪声问题和功率损耗都不是关键问题。

增益平坦化也可以通过组合具有不同纤芯化学成分的两根光纤来促进，从而导致不同的增益光谱和整体更宽的增益光谱。