当前位置:首页 >> 光通信

大模场面积掺镱光纤是如何突破功率局限引领光学领域新变革的

在常见的应用场景下,如测距和自由空间通信,在“人眼安全”标准的的1.5–2.0微米(μm)波段内就能够满足。然而,还有许多传感和医疗等特殊场景下需要其他特定的波长。对于这类应用场景,我们需要掺入不同的光学活性镧系离子,如钕、铥或者铒/镱混合等。然而,对于有超高输出功率需求且无特定波长要求的应用,镱因其诸多独特优势成为首选掺杂剂。

大模场面积掺镱光纤在超快激光放大器中具有重要应用


什么是掺镱光纤

掺镱光纤是指向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量稀土元素镱(Ytterbium,元素符号为Yb)的特种光纤。掺杂稀土元素的目的是使被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。掺镱光纤能在大约 975 至 1120 纳米(通常约为 1060 纳米)这样较宽的波长范围内提供可调节的高输出功率。 镱还具有相对较小的量子缺陷,也就是说,由于泵浦波长(通常处于 915 - 975 纳米之间)与激光波长接近,因发热而损失的能量极少。 此外,与其他镧系离子不同,镱只有单一激发态,因此不会出现因激发态吸收(ESA)所引起的复杂问题的影响,并且相对不受自猝灭(2016年公布的化学名词,指激发的原子或分子通过与其他处于基态的相同原子或分子间的相互作用而引起的猝灭)过程的影响。因此,掺入高浓度的镱离子,能够使转换效率达到75%以上。

Screenshot_2024-08-07_at_3.53.22_PM[1].png

图1:掺镱双包层光纤的吸收(Absorption)截面和发射(emission)截面

大模场面积光纤设计

大模场面积(Large Mode Area,LMA)光纤的设计主要是针对光纤等光学元件而言的。在光纤中,模场面积是指光场在光纤横截面上的分布范围。大模场面积设计就是通过特定的结构和参数设置,增大光场在光纤横截面上分布的有效面积。
传统的小芯径光纤在高功率传输时容易受到非线性效应的限制。例如,受激拉曼散射、受激布里渊散射和自相位调制等非线性光学现象,会在高功率密度下变得显著。通过增大模场面积,可以在保持单模传输(保证光束质量)的同时,降低光功率密度,从而提高光纤能够承受的功率阈值。比如,在光纤激光器中,大模场面积设计可以让光纤能够处理更高的输出功率,使单根光纤的输出功率超过千瓦级别。
在光纤中,除了基模之外还有高阶模式。大模场面积设计结合一些特殊的技术,如调整光纤的折射率和掺杂分布、使用特殊腔结构、光纤端部渐细处理、种子光发射条件调整或者光纤盘绕等,可以抑制高阶模式。例如,盘绕技术是利用基模对弯曲损耗最不敏感的特性,选择合适的曲率半径,使高阶模式在传输过程中受到严重衰减,而基模相对不受影响,从而让光纤能够以接近衍射极限的光束质量输出。


Screenshot_2024-08-07_at_3.50.11_PM[1].png

图2:芯径为 20μm、内包层直径为 400μm的熊猫型掺镱光纤的横截面


出于掺镱光纤的上述特诊,业界一直专注于掺镱光纤的研发,接下来我们主要围绕这些光纤设计展开讨论。应当指出的是,钕镱共掺光纤凭借其增加了泵浦二极管波长复用的选择(钕的峰值吸收约为 810 纳米,增益峰值约为 1060 纳米),展现出了功率调节的优势。 光纤激光器具有广泛市场适用性的最为关键的特征之一,就是研发一种在不牺牲光束质量的前提下提高输出功率的技术。 在双包层光纤(DCF)结构中,自然可以确保单模纤芯能达到衍射极限的光束质量。 遗憾的是,这样的设计也限制了可实现的总输出功率,并且在脉冲激光装置中,还限制了平均功率、峰值功率以及脉冲能量。这些限制源于低能量存储(对于脉冲应用而言,能量存储容量是由活性物质的数量以及可实现的最大粒子数反转共同决定的,而最大粒子数反转又由受激自发辐射(ASE)的可能性所决定)以及寄生非线性过程的影响。

更确切地说,传统的小芯径、高数值孔径(NA)光纤设计由于其对光学非线性(包括受激拉曼散射SRS)、受激布里渊散射(SBS)以及自相位调制)的基本敏感性,限制了可实现的最大输出功率。为克服这些寄生非线性过程所带来的限制,有必要研发在相对大芯径、低数值孔径(NA)光纤中含有更高浓度镧系元素的光纤。(注:NA - 一个衡量光线在光纤中传播时偏离中心角度的度量)

因此,可以缩短光纤器件的长度,从而进一步提高非线性过程的阈值。当然,芯径存在一个上限,超过这个上限就无法保证单模运行了。

对于阶跃折射率光纤,已知单模运行要求 V 值保持在 2.405 以下,其中 V 与芯径 d 和数值孔径 NA 成正比,与工作波长 λ 成反比:

image.png

在非常低的 NA(<0.06)时,光纤开始表现出极高的弯曲敏感性。这对 NA 施加了一个实际下限,从而对芯径施加了一个上限。然而,幸运的是,有许多抑制高阶激光模式的技术,使我们能够使用更大的芯径,在这种情况下,本质上多模的光纤可以以衍射极限光束质量运行。 

这些技术包括适当调整光纤折射率和掺杂分布;使用特殊的腔结构;使光纤端部逐渐变细;调整种子光发射条件;以及将光纤盘绕以对除基模以外的所有横向模式产生显著的弯曲损耗。其中最简单且成本最低的可能是盘绕技术,它不需要仔细匹配种子模式,也不依赖复杂的光纤设计。只需要根据芯径和 NA 选择曲率半径,以抑制高阶模式。该技术利用了基模对弯曲损耗最不敏感以及弯曲损耗引起的衰减与弯曲半径呈指数关系这一事实。 

Screenshot_2024-08-07_at_4.04.31_PM[1].png

图3:对于镜口率为 0.06、芯径为 30μm的光纤,其弯曲损耗随弯曲半径变化的情况,以及大模场面积光纤中常用于实现所选弯曲直径的盘绕形式。


例如,图3显示了镜口率(NA)为0.06、芯径为30μm的光纤弯曲损耗与弯曲半径之间的关系。这种线性配置的光纤可以支持大约五种模式,但通过适当选择弯曲半径(例如约 50mm),LP₀₁ 模式经历约 0.01dB/m 的衰减,而高阶模式经历约 50dB/m 的衰减(且高阶模式的衰减更严重)。需要注意的是,该技术并非从高阶模式中剥离功率,而是在整个光纤长度上抑制这些模式。因此,功率不会衰减,激光装置的效率也不会显著降低。 

Screenshot_2024-08-07_at_4.06.06_PM[2].png

图4:掺镱大模场面积双包层光纤放大器在未盘绕(左图)和盘绕(右图)状态下测得的近场空间分布。


在图4中,我们展示了芯径为 25μm、NA 为 0.1 的掺镱光纤放大器在 1064nm 激光种子注入时的测量近场空间分布。左侧的分布显示了未盘绕光纤的多模(约 27 个导模)输出,右侧是盘绕光纤的衍射极限(测量 M² 值为 1.08±0.03)输出。 这些所谓的大模场面积(LMA)光纤直接促使衍射极限光束质量输出功率大幅提升,现在单根光纤的输出功率已超过千瓦级(图 5)。随着这类新型光纤的出现,功率限制再次取决于泵浦源而非光纤。 

Screenshot_2024-08-07_at_4.11.08_PM[1].png

图5:自问世以来,大模场面积(LMA)光纤引发了一场功率缩放变革,如今其在功率超过 1 千瓦时能产生接近衍射极限的光束质量,并且斜率效率约为 75%。


通过了解典型激光器或放大器输出功率的限制机制,可以认识到镧系掺杂 LMA 光纤的优势。其中一种机制是自发辐射放大(ASE),它以非相干方式从光纤中提取能量。如前所述,LMA 光纤具有低 NA 的芯,通常比单模通信光纤更小。芯 NA 的降低减少了被芯捕获的荧光量,从而减少了该荧光的放大。 

第二种本质上是非线性的机制是受激布里渊散射(SBS),它是由传播光波与由传播波在玻璃中产生的折射率调制所产生的反向传播斯托克斯波叠加形成的声波引起的。单模光纤中发生 SBS 的阈值功率由以下公式给出:

image.png

其中 Aₑff 是光纤的有效面积,Lₑff 由 Lₑff = [1 - exp (-αL)]/α 给出(α 是光纤的吸收系数,L 是光纤长度),gB是布里渊增益系数。与单模光纤相比,LMA 光纤更大的芯尺寸(即有效面积)提高了 SBS 阈值(提高几个数量级)并增强了激光器的功率处理能力。

例如,当在 915nm 泵浦时,具有 0.15NA、5μm 芯径和约 1×10²⁰cm⁻³ 镱离子浓度的单模掺镱光纤在 3dB 线宽下的 SBS 阈值约为 40mW,而 20μm 芯、0.06NA 的光纤阈值约为 340mW,30μm 芯、0.06NA 的光纤阈值约为 680mW。在实际应用中,布里渊泵浦线宽可以从几千赫兹到几兆赫兹不等,因此实际阈值可能根据系统配置而显著更高。通过在 976nm 泵浦或使用更高掺杂的光纤,可以实现更高的 SBS 阈值。

  • 关注微信

猜你喜欢

微信公众号