应用于大功率光纤激光器和光放大器的保偏双包层光纤

发布于：2007/4/19 8:52:39 | 1953 次阅读

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摘要:在高功率光纤激光器和光放大器应用中，为了将泵浦能量有效地耦合到有源光纤中去，必须要求光纤的包层尺寸以及包层的数值孔径要大。并且，为了减小非线性效应，还要求在相对较大的纤芯内，稀土离子的浓度要高，数值孔径小。在军事和工业激光器应用中，为了获得超过100千瓦的功率输出，人们还通过对多个激光器/放大器的输出进行相干合束（Coherent combination）。这个时候就需要保偏的双包层光纤（PM-DCF）。本文将重点论述目前在研制PM-DCF方面所取得的进展。我们还报道了一个具有熊猫型偏振分布的PM-DCF，其掺镱纤芯的值孔径为0.06，直径为30um。我们还将讨论在设计PM-DCF时必须重点考虑的几个关键因素。

关键词：掺镱光纤，保偏，保偏双包层光纤，大模场面积，激光器光纤，放大器光纤

1．概述
掺镱光纤在一个比较宽的波长范围内（从975纳米到1200纳米）具有非常高的输出功率以及非常优良的转换效率。和掺铒光纤不同的是，在掺镱光纤激光器和光放大器中可以避免激发态吸收和浓度淬火（concentration quenching）。掺镱光纤的这些特点，加上双包层技术的出现，使得业界开始对满足不同应用的高功率光纤激光器以及光放大器产生浓厚的兴趣。掺镱双包层光纤正日益引起人们的关注。其现有以及潜在的应用领域包括：军事，航空，材料处理,印刷和标刻,谱分析以及电信行业等。
对于许多高功率光纤激光器和光放大器应用而言，在稳定的线偏振状态下工作成为一个必要的条件。高功率光放大器（或者激光器）结构是基于对若干个光纤放大器的输出进行相干合束来实现的。随着对于输出功率超过100KW（连续）的军事和工业应用的需求不断增长，对于保偏的双包层光纤的需求也呈现不断上升的势态。曾经有报道描述过可以采用非保偏光纤实现保偏工作。不过，这些方案都存在局限性。而优选的方案还是采用保偏的双包层光纤。尽管无源的保偏光纤已经商用化多年，有源的保偏光纤直到最近才出现。Kliner等人个报道了采用领结型保偏光纤制作出保偏掺镱双包层光纤放大器。虽然领结型保偏双包层光纤对于理论研究或者实验应用而言有其存在的价值，但是在光纤预制件的可生产性，一致性以及未来的性能升级等方面，领结型保偏双包层光纤依然存在大量不可克服的问题。
单模的掺镱双包层光纤非常适合于制造具有衍射极限的输出光束质量且结构紧凑的激光器。不过，输出功率的进一步提高却受到放大的自发辐射以及非线性效应，如受激拉曼散射（SRS）以及受激布里渊散射（SBS）的限制。这些限制可以通过采用具有大模场面积（LMA）低数值孔径的单模光纤来克服。纤芯的低数值孔径能够抑制自发辐射的产生，大的模场面积能够有效提高产生SRS和SBS的阈值。另外一个方法是，研究人员使用掺稀土元素的多模光纤，结合以下几个技术手段来抑制高阶模式的产生：，光纤采用特定的绕线方式；第二，优化种子光束（seed beam）的注入条件；第三，采用特定的折射率分布以及掺杂分布来设计光纤；第四，采用特定的腔体设计。通过采用多模光纤，结合特定技术手段可以实现光纤的单模工作，并且能够达到和大模场面积光纤类似的性能。
从长远来看，为了满足连续输出高达100KW的高功率激光器和光放大器的应用，很有必要开发出保偏的，低数值孔径，大尺寸纤芯的光纤。除此之外，因为光放大器结构设计中可能会涉及到几十个，或者几百个光放大器的相干合束，所以在选择预制件以及光纤制作技术的过程中，我们必须充分考虑到预制件以及光纤的批量生产能力的可升级性以及这些产品的生产一致性。本文将要讨论该如何确定相应的技术。我们还会进一步讨论设计上的考虑以及开发大尺寸纤芯，低数值孔径的掺镱熊猫型PM-DCF的技术进展。我们还报道了一个具有0.06的数值孔径，30um的掺镱纤芯以及数值孔径为0.37，400um内包层直径的熊猫型PM-DCF。
2．设计，制作和分析
2.1领结型保偏双包层光纤
作为本文研究工作的一个部分，我们对于采用MCVD制作领结型保偏双包层光纤的过程进行过评估。图1（a）是制作领结型保偏光纤的各个步骤。衬底（substrate）是采用高质量的合成石英管。在其旋转的过程中，在它的内壁上淀积若干层的硼硅酸盐（borosilicate）玻璃。接下来，衬底停止旋转。用一个带状烧结机（Ribbon burner）给衬底的某个局部进行烧结，玻璃中的硼就会从淀积层中选定的局部挥发出去。接下来，衬底旋转180度并进行同样的操作。在这一过程中，必须保证产生硼挥发的两个局部是圆心对称的，并且尺寸也是一样。在掺镱的纤芯淀积之前，还需要在内壁上再淀积若干层的玻璃。这些玻璃层是作为硼硅酸盐应力成分与纤芯之间的缓冲层，保证瞬逝场（evanescent field）不会在应力成分中传播太久。掺镱的纤芯采用溶液掺杂技术（solution doping）淀积到衬底中。，具有若干个淀积层的衬底（管）坍塌后形成一个棒。坍塌后的预制件被进一步处理获得所需要的内包层，然后在拉制的过程中，加上低折射率的含氟丙烯酸材料涂覆层作为整个光纤的第二个包层，泵浦光则在第二个包层中传导。采用这个方法，就可以制作领结型掺镱保偏双包层光纤。

2.2熊猫型保偏双包层光纤
这种光纤的制作分为两个阶段。应力成分的制作和掺稀土预制件的制作是分开进行的。我们后文会谈到这种处理方法的突出优点。掺稀土元素预制件是采用专有的溶液掺杂技术实现的，以便于获得一致性非常好的稀土元素和共掺成分的分布。图1（b）列出了制作熊猫PM光纤的主要步骤。一个高质量的合成石英管作为衬底。在它的内壁上淀积掺稀土玻璃。然后这个管子塌陷成为一个玻璃棒。接下来，我们按照预想的纤芯以及内包层规格对它进行拉制。在另外一个过程中，我们采用MOCVD工艺制作一个具有预想组合成分的圆形应力单元。在掺稀土元素的预制件中，我们在纤芯两边对称地挖出两个特定尺寸的孔。然后，将两个圆形的应力单元插入到这两个孔当中，与预制件构成一个整体。接下来，按照我们的预期的规格对具有应力成份的预制件进行拉制，并加上具有低折射率的含氟丙烯酸材料作为包层。根据这种步骤，我们制作了两个熊猫型的保偏双包层光纤。个光纤具有10um的掺镱纤芯直径，数值孔径为0.08，内包层直径为400um，数值孔径为0.45。第二个光纤具有30um的纤芯直径，数值孔径为0.06，内包层直径为400um，数值孔径为0.37。

2.3保偏光纤的设计
保偏光纤的保偏特性是依赖于残存应力成分在纤芯上的分布。而残存应力成分是来自于应力成分与纤芯和包层的热膨胀系数之间的差异。应力成分的组成成分、位置以及形状决定了光纤内的双折射效应的大小。应力成分的组成成分设计以及保偏双包层光纤的几何结构设计是利用了内建法（internally developed method）来实现的。根据这一方法建立的多步链接（multi-stepped linked）模型可以根据淀积玻璃的组成成分来预测玻璃的折射率以及热膨胀系数的大小。以这些值作为输入参数，基于几何结构上的考虑，我们可以预测光纤双折射效应的大小。我们利用这些数学模型设计过电信和光纤陀螺应用所需要的无源的125um和80um直径的保偏光纤。

2.4分析
我们对保偏掺镱双包层光纤的光学特性进行了分析，主要包括串扰、拍长、吸收、荧光寿命和斜率效率（slope efficiency）。

偏振串扰的测试是依据TIA/EIA-455-193（FOTP-193）《保偏光纤和器件的保偏串扰测量方法》来进行的。一个由高质量晶体起偏器，低双折射率的光器件和计算机控制的精密对准系统组成的测试系统可以对低至-45dB的串扰进行可重复性的测量。被测样品是若干个直径为10英寸的光纤环，每个光纤环的光纤总长为10米。我们把整个光纤环中大部分光纤的外包层剥掉后将光纤环浸到具有高折射率的油中，其目的是用来消除包层内的光传输，保证光只是在纤芯中传播。

光纤的拍长是采用GN NETTEST的S18色散测量系统，根据波长扫描技术（也可称之为固定分析法）进行的。全偏振的光注入到光纤中去，通过一个起偏器（起偏器安装在末端）。输出功率作为波长的函数被记录下来。然后再进行参考扫描（这个时候没有加入起偏器），这样做可以排除任何非PMD效应的功率波动对测试结果的影响。在弱模式耦合的光纤中，比如保偏单模光纤中，功率和波长之间的关系具有一个周期的波峰、波谷的分布图形，对应于每个波长的拍长值可以通过相邻峰值之间的间距.

光学吸收特性的测量采用了JDSU的915nmSDL-6380-L2激光器二极管作为光源。它的驱动源是ILX的39800。功率测量端采用Agilent公司带光学探头的8163A光万用表。探头采用积分球的技术，可以保证功率测量对于数值孔径是不敏感的。还有一个915nm的带通滤波器（Spectrogon公司）用来阻挡任何由于915nm输出信号会产生的任何荧光。我们采用标准的截断法（cutback）用来分析光吸收特性。
我们还对一些光纤样品的荧光寿命进行了测试。采用前面提到过的激光器作为泵浦光源。光纤环局部的一小段光纤，在剥除了外包层之后，被放置在一个InGaAs探测器和一个1110nm的带通滤波器（Spectrogon公司，70nm宽FWHM）旁边，因此荧光在光纤的径向辐射范围的某个地方能够被探测到。探测器、带通滤波器以及一台Fluke的SW90W谱线分析仪用来测量荧光衰减。寿命是通过三个能够描述衰减特性的e-folding时间参数给出的（E1,E2,E3）。当信号中噪声较大的时候，我们还可以利用荧光衰减的对数拟合来更好地预测寿命时间中的分量（E2,E3）。
在进行斜率效率测量的时候，我们还是利用915nm的泵浦激光器作为泵浦光源。从泵浦激光器出来的光通过物镜进行准直和聚焦。在选择物镜的时候，必须仔细地考虑激光器尾纤和掺镱光纤的数值孔径之间的匹配问题。我们把一个激光器镜面（对激发波长的反射率为99.8%，对泵浦波长的透过率为95%）放置在聚焦物镜的前面。图3中所示的带通滤波器以及采用积分球技术的光探头是用来消除泵浦光对功率测量读数的影响。

3．结果与讨论
3.1领结型和熊猫型保偏光纤的制作
上文讨论了两种完全不同的保偏光纤的制作技术。这有利于我们了解每一种方法的优缺点。这种评价是按照两个标准进行的：1）在制作双包层光纤时，该项工艺技术是否适用？2）这种工艺技术是否能够保证预制件的可升级性，可重复生产性以及量产的一致性？
领结型制造技术的优点首先在于它能够在一个工艺步骤中同时实现应力成分和掺稀土纤芯的制作。其次，应力成分与纤芯之间的距离可以通过控制应力层和纤芯之间淀积的缓冲层（buffer layer）来地控制。应力成分能够和纤芯之间距离更小，这意味着对于尺寸和组成成份一定的应力成分而言，可以获得更大的双折射效应。不过，这一技术也存在非常明显的弊端。首先，需要在同一个衬底管上淀积应力成分和掺稀土纤芯，这就使得我们不能对光纤的偏振特性和激发特性（lasing）进行独立的控制。其次，虽然应力成分可以被放置在离纤芯更近的地方，（能够淀积的）应力成分的尺寸却受到了限制，从而也就限制了具有一定双折射性能的预制件的尺寸。换句话说，这一技术使得量产受到了限制。，大多数的双包层光纤要求内包层具有非圆形的形状。为了设计某个所需的内包层形状，需要一些工艺步骤比如研磨或者热处理。在领结型光纤预制件中，研磨（或者热处理）需要在应力成分已经存在的情况下进行。由于预制件中已经有应力成分，该预制件是相当脆弱的，非常容易在研磨（热处理）过程中收到机械冲击（或者热冲击）而破裂。因此，领结型保偏光纤是不适于量产的。
采用熊猫型保偏光纤不仅有其优点，它还能克服领结型保偏光纤技术的缺陷。在熊猫型保偏光纤的生产工艺过程中，因为稀土元素的掺入和应力成分的制作实际上是分开进行的，所以我们能够对偏振特性以及掺稀土元素玻璃的组份进行独立有效的控制。其次，我们可以制作出尺寸相当大的应力诱导成分，因此能够有效的增加预制件尺寸。这有利于预制件的升级。，为了获得一个非圆形的尺寸，所有的工艺可以在加入应力成分之前完成，这相当于间接提高了产能。熊猫型保偏技术非常适用于制作保偏双包层光纤，也是适合量产的一项技术。
表1列举出了采用领结型设计和应力成分设计的各种保偏双包层光纤的尺寸和偏振特性（拍长和串扰）。光纤1是一个领结型掺镱PM-DCF。因为能够被淀积的应力区域的大小有限，我们制作了一个具有200um内包层直径的光纤，以获得的双折射特性。光纤2是一个应力成分类型的掺镱PM-DCF。由于制作大尺寸的应力成分相对比较容易，我们可以制作出具有400um的内包层的光纤。我们利用波长扫描法以及计算出来的双折射值对上面两个光纤的拍长进行了测量。从表1中看到，光纤1的尺寸尽量减小，使得双折射效应达到它的值（在633nm处的拍长只有4mm）。光纤2在633nm的拍长是2.7mm。结果表明，和领结型保偏双包层光纤相比，熊猫型保偏双包层光纤更容易获得高双折射。

3.2掺镱保偏双包层光纤的光学特性
在本文的概述中，我们提到过高功率光纤激光器和放大器应用中需要光纤具有低的数值孔径和大的纤芯，从而获得高的脉冲功率，并且提高产生非线性的阈值。除此之外，为了实现输出功率高达万瓦级或者十万瓦级，多个光纤激光器的输出还要求能够进行相干合束，这意味着我们还需要开发出保偏的掺镱双包层光纤。Kliner等人展示了利用一个低数值孔径的领结型保偏双包层光纤制作的保偏光放大器。不过，它纤芯直径只有10um。最近，有报道通过采用不同的配置，多模的掺稀土元素光纤能够获得单模输出。这一技术可望使得输出大于100千瓦的光纤激光器成为现实。不过，前提是有多模的低数值孔径的掺稀土纤芯的保偏双包层光纤。

我们制作了2个熊猫型保偏光纤和1个领结型保偏光纤样品。所有的光纤样品具有低的数值孔径，范围在0.06和0.08之间。表1还给出了其他的参数，比如纤芯尺寸，数值孔径，包层尺寸，吸收等。所有光纤的纤芯都是掺镱的，并且适于共掺以增强镱离子的同类型色散。不过，这种共掺的做法，往往会提高纤芯的折射率，因此为了获得低的纤芯数值孔径我们还需要限制共掺的程度。考虑到以上因素，我们还必须保证有足够的共掺以防止出现荧光淬火（quenching of fluorescence）现象。

为了了解它们的效率，我们对所有光纤样品的荧光寿命进行了测量。图4a）给出了这些光纤的荧光寿命典型值。所有这些荧光寿命值大约是0.9毫秒，和一些文献报道的掺镱硅酸盐玻璃的寿命在量级上相当。除此之外，E2/E3时间和E1时间非常接近，这表明：镱离子是以相同的衰减率衰减的，比如，镱离子是同时消散的。具有同等量级的e-folding时间并不一定意味着光纤的荧光淬火特性低。Paschotta等人报道过在特定的激发条件下（lasing condition），即便镱离子浓度低于1200PPM（以重量计），并且在测量所得的荧光寿命时间内没有出现淬火现象，硅酸盐玻璃光纤中还是存在着镱离子的荧光淬火现象。发射淬火（emission quenching）现象主要来自于几个微秒量级内的非辐射衰变。大多数情况下，这一现象是难以通过测量系统探测得到的。Paschotta等人制作了若干个光纤样品（具有2300PPM的镱离子浓度，以重量计），且并未出现荧光淬火。因此，他们将非辐射效应的原因解释为工艺诱导所致（processing-induced）。在另外一篇文章中，Burshtein等人报道了相似的具有6－300毫秒的速率的镱离子荧光淬火现象。考虑到我们的测量系统的响应速率为10毫秒量级，单纯地从寿命测量结果来看，我们还不能肯定如果非辐射效应处于1－10毫秒量级的情况下掺镱双包层光纤是依然有效的。不过，100－300毫秒的淬火速率从来没有被观察到。

另外一个具有结论性的光纤特性参数是斜率效率，如图4－b）。我们测量所得的斜率效率在77％，激发波长是1090nm，阈值在250mW。这一测量所得的斜率效率非常接近于在这一泵浦条件和输入信号波长下的量子极限的84％。结果清楚地表明：我们可以制作出一个具有低的数值孔径的掺杂光纤，并且光纤工作效率和稀土离子浓度可以达到一定的水平。
采用这种玻璃组成，我们制作了一个熊猫型保偏双包层光纤。它的掺镱纤芯直径为30um，数值孔径为0.06，内包层直径是400um，涂覆层为低折射率的聚合物，使得内包层的数值孔径为0.37。在低折射率的涂覆层上面，我们又加上了一层起保护作用的，电信级的丙烯酸材料的包层。具有多模纤芯的保偏双包层光纤表现出0.67dB/m（915nm）以及2.2dB/m（975nm）的吸收特性。该光纤的拍长测量值为4.4mm（633nm），对应于1.44x10e-4的双折射效应。这里展示的是一个具有30um纤芯直径的保偏双包层光纤。我们下一步的工作是增加光纤内的双折射效应。在接下来的几节里，我们将讨论制作保偏双包层光纤的设计上的考虑。分析结果表明双折射能够大幅度提高。因此，一个具有低的数值孔径的多模纤芯的保偏双包层光纤是切实可行的，并且可以预见在高功率光纤激光器和光放大器的开发和生产中会发挥重要的作用。

3.3偏振特性与设计标准

图5给出了保偏双包层光纤中影响双折射效应的几个关键结构参数，包括：应力成分（Ds）的尺寸，应力成分相对于内包层直径（Df）和线性直径（Dc）的位置（Dp）。除了几何参数之外，应力棒的组成也决定了光纤中可能获得的双折射效应的大小。图6标明应力棒尺寸和位置对于光纤双折射（拍长）效应的影响。从图6－a）中我们可以看到，通过增加另一成分（Ds）的大小，在其他参数保持不变的情况下，我们可以增加双折射（或者减小拍长）。同样地，图6－b）表明：如果把应力棒移向纤芯双折射效应也可以增加。

从理论上讲，通过合理设计这两个参数我们可以获得较大的双折射效应。可是由于应力成分和纤芯之间的距离实际上对Ds和Dp施加了限制。这一限制距离可以从两个应力成分（Di）的内边缘之间的距离得到。如果Di太小的话，模场范围（mode field）和应力成分之间重叠的概率就会增加，其结果是光纤的衰减，以及在激射波长和放大器信号波长处的弯折损耗就会增加。为了避免光纤中的模式功率分布和应力成分之间出现重叠，我们定义了Di/MFD>5这一标准。对于应用于中小功率应用的小纤芯尺寸的单模光纤，通过采用常规的应力成分组份以及工作在安全余量范围内，我们即可得到足够的双折射效应。不过，对于大功率应用的大纤芯光纤而言，即便在安全余量范围内工作，要获得足够大的双折射依然是一个较大的挑战。

光纤2是一个应用在中等功率应用中的保偏双包层光纤，其纤芯较小，直径为10微米。光纤2测得的结果是：拍长为2.7毫米（633nm），相对应于2.31x10e-4的双折射率。图7－a）和b）表明了预期的拍长与应力成分大小之间的关系。光纤2所测得的实验数据（拍长）在图7－a）中给出。除此之外，我们还画出了一条表明安全余量标准的垂直线。对于落在这条垂直线右边的应力棒尺寸而言，由于因为限制距离Di太小，且Di/MFD<5，是不能实现的。很明显，光纤2处在限制比率之内，可以得到一个非常小的拍长。从图7－a）中我们还可以看出，对于一个小纤芯尺寸的光纤而言，我们可以得到一个小于2mm的拍长，并且并不超出限制比率的范围。

还给出了另外一条垂直线，它规定了一个具有30um直径纤芯的保偏双包层光纤的限制比率（光纤3）。位于限制比率线左边的应力成分尺寸是可行的。因此，我们可以预期：具有单模纤芯的PM-DCF和具有多模纤芯的PM-DCF的光纤，后者的应力棒尺寸可以更小一些。为了获得一个较大的双折射效应，有必要把应力棒移向靠近光纤中心的位置。这种情况下预期的拍长如图7－b）所示。把图7－a）和7－b）相比，我们可以看到即便是相同的应力棒尺寸，应力棒处于位置2的光纤比处于位置1的光纤的拍长更大一些。光纤3是一个大纤芯（30um）的PM-DCF，适合于高功率应用。当这种光纤的应力成分位置处于位置2的时候，我们可以得到如下参数：拍长4.4mm（633nm），对应于双折射率为1.44x10e-4（参见图7－b）。为了满足限制比率，应力成分的尺寸必须保持一个相对小的值，因此，在一个相对较小的纤芯的光纤中获得相当的双折射效应是难以达到的。图7清楚地说明了这一点：对于大纤芯光纤，对于某个特定的双折射效应的要求，限制条件（Di/MFD=5）比较容易满足。因此，对于大纤芯光纤，我们必须改变应力成分的组成。这样才便于我们在小尺寸应力成分的情况下，依然可以获得大的双折射效应。图7给出了另外一种组成情况下，预期的拍长和应力成分尺寸的之间的关系。采用这种组成的应力成分目前常被用来制作应用于光纤陀螺的PM光纤，这种应用需要拍长非常小。通过这种组成，我们还可以获得一个非常大的热膨胀系数的差，对应着高的双折射。从图7－b）中我们可观察到，采用这种应力成分组成，在采用小的应力成分和在满足限制比率条件的情况下，我们可以获得能够与小纤芯光纤相比的双折射效应。在大的纤芯光纤中，我们得到了3.5x10e-4的双折射效应，这一值是和标准应力棒小纤芯光纤的双折射效应是可比的。

4．结论
高功率光纤激光器和光放大器对于低数值孔径，大尺寸（多模）纤芯PM-DCF的需求不断增长。在一个低数值孔径（0.06）的掺镱PM-DCF中，我们得到了77%的斜率效率。在对两种PM光纤的制作技术进行对比之后，我们发现熊猫型PM-DCF光纤的双折射效应可以显著提高。考虑到量产的需要，熊猫型PM-DCF光纤比领结型PM-DCF要更为合适。我们还演示了一个具有熊猫型的PM-DCF光纤，其掺镱的纤芯具有0.06的数值孔径，30um的直径，吸收系数为0.67dB/m（915nm），2.2dB/m（975nm），内包层直径是400微米且数值孔径为0.37。实验和模拟结果显示，在制作具有多模掺镱纤芯的PM-DCF光纤过程中，有一些因素要考虑进去。分析表明：具有大双折射效应的大纤芯的PM-DCF是可行的。因此，具有低数值孔径，多模纤芯的PM-DCF光纤是可行的，可以预计它在高功率光纤激光器以及光放大器的研发以及生产中将会发挥重要的作用。

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0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

半导体板块暴跌谁最受伤

国庆假期后首日开盘，上证综指时隔5个月再次失守3000点，与此同时，半导体板块也再度走低，其中，北方华创、雅克科技等个股跌停。10月11日早盘期间，半导体板块持续下挫，北方华创、雅克科技再度跌停。截至下午收盘，北方华创、雅克科技维持跌停状态，华海清科、拓荆科技-U、盛美上海、清溢光电、海光信息的跌幅则超10%。同日，半导体板块中的119只个股中超五成呈现下跌趋势。在半导体板块遭遇下挫的同时，北

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

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