长进激光实现高性能铒镱共掺光纤技术突破

1、引言

1966年，高琨博士从理论上指出了高纯石英光纤用于光传输介质的可行性，并由此引发了一次世界通信技术革命。掺铒光纤和掺铒光纤放大器的出现为远距离无中继通信奠定了基础，并成为光纤通信系统的关键组成部分。随着应用的不断延伸与发展，单掺铒光纤的使用瓶颈逐渐凸显出来。由于掺铒光纤纤芯直径小和掺杂离子浓度低的限制，使得掺铒光纤的输出功率偏小，不能满足一些应用的实际需求，而双包层铒镱共掺光纤恰好能够对掺铒光纤的这些缺点进行相应弥补。

图1 双包层铒镱共掺光纤结构

铒镱共掺光纤通常为双包层结构。如图1所示，铒镱共掺光纤由纤芯、内包层、外包层、涂覆保护层4部分组成。内包层为纯石英材料，外包层一般选择低折射率的树脂或掺氟石英玻璃制作，使泵浦光得以在内包层中传输。铒镱共掺光纤具有优良的性能，在光纤通信网络、自由空间激光通信、激光雷达、医疗、科研、军工等领域有非常广泛的应用。下面主要介绍铒镱共掺光纤在有线电视网络（CATV）信号放大以及激光雷达光源中的应用，以及武汉长进激光技术有限公司在国产铒镱共掺光纤方面取得的研发成果。

随着我国城镇化的进程加快，城市CATV新用户持续增加，同时城市的小区规模相比之前也有较大的不同。现代大中小城市住宅小区的特点体现为：单一小区可以达到3000或以上住户，甚至有些小区可以达到数万住户；通信机房一般都在小区内进行配备，机房到用户的距离一般不会大于1 km。CATV通过分路器将信号进行分配，从而将信号传递到每一个住户家中。但是信号在传输和分配过程中持续衰减，因此必须对信号进行放大来保证接收端信号质量。面对巨量的终端用户，接入网的功率预算非常高，因此对光纤放大器的输出功率提出更高的要求。

掺铒光纤放大器（EDFA）的出现使长距离光纤通信成为现实，并成为干线传输网络的关键组成部分。但是EDFA在光纤网络“最后一公里”应用中却力有不足。在CATV应用场景中，由于用户数量众多，需要在光纤链路终端放置光纤放大器进行功率补偿和分配。EDFA使用单模掺铒光纤作为增益材料，较低的Er3+溶解度使得光纤的非线性阈值大大降低，在高功率放大时更容易发生自相位调制、四波混频等非线性效应。同时Er3+较小的吸收截面也使得掺铒光纤难以采用包层泵浦的方式提高输出功率。虽然可以采用多个EDFA级联的方式提高输出功率（如图2所示），但势必增加系统复杂性和成本。

图2  CATV系统前端多个EDFA 实现高功率输出

双包层铒镱共掺光纤则较好的弥补了掺铒光纤的不足。铒镱共掺光纤利用了Yb3+在900~1100 nm波段内宽大的吸收截面，有利于包层泵浦技术和大功率多模LD的应用。因此铒镱共掺光纤具有输出功率大、非线性阈值大、泵浦转换效率高等优点，高功率铒镱共掺光纤放大器（EYDFA）成为CATV市场最有效的放大解决方案

图3  CATV用EDFA与EYDFA两级放大系统

如图3所示，CATV光纤放大器往往采用两级结构。一级采用掺铒光纤将信号放大到一定功率水平，再通过二级的铒镱共掺光纤对信号功率进一步放大，使信号达到5 W或更高的功率输出。EYDFA不仅提高了系统信号传输质量，有效地解决了终端信号功率分配的问题，而且还节约了系统建设和运营成本，光链路的设计及维护都相对简单。

图4 CJEYDF-SM-10/125H与国外CATV光纤放大测试结果

武汉长进激光技术有限公司基于MCVD工艺开发出了面向通信市场的高掺杂铒镱共掺光纤CJEYDF-SM-10/125H。基于图3所示测试系统，CJEYDF-SM-10/125H与国外CATV光纤同等测试条件下的测试结果如图4所示。相比国外某公司同类型光纤，CJEYDF-SM-10/125H在相同泵浦条件下的输出功率高0.5 W，甚至在高泵浦注入下高1.3 W左右。这意味着相同输出功率条件下，CJEYDF-SM-10/125H光纤可节约3~4 W泵浦功率，不仅可以降低放大器的功耗，同时也可以延长泵源的寿命。

传统的激光雷达一般采用905 nm半导体激光器（LD）作为光源，具有激光器件相对成熟、成本低等优点。但是905 nm波长LD在使用中面临光束质量差、人眼损伤阈值低和易受太阳光红外波段光谱干扰等不足，因此最大探测距离限制在150 m左右，而且还存在发散角大、成像不清晰等缺点。

相较而言，1550 nm波长远离太阳红外背景光，大大提高了抗干扰能力，而且处在人眼安全范围和大气传输窗口，可实现远距离探测。如果采用相干技术，探测器只对自身发射的激光回波进行响应，信噪比远高于905 nm-ToF激光雷达，最大探测距离可以达到1 km以上，特殊场景下可以达到数公里。而且光纤激光器具有良好的光束质量及较小的发散角，容易实现更清晰的成像质量。因此1550 nm的光纤激光器作为激光雷达光源已经成为高端激光雷达发展的一种趋势。在智能驾驶领域，已有部分汽车厂商开始采用1550 nm光纤激光器做为车载激光雷达的光源并装车上市。

图5 1550nm光纤激光器功率放大简易流程图

铒镱共掺光纤是实现高性能1550 nm激光的关键器件。长进激光长期深耕稀土掺杂特种光纤制备工艺，基于MCVD工艺和溶液掺杂技术成功研制出激光雷达用铒镱共掺光纤（CJEYDF-SM-10/125），获得了良好的激光放大效率和输出功率。长进激光基于图4所示两级放大系统，测试CJEYDF-SM-10/125光纤激光放大性能。一级使用980 nm波长LD前向泵浦5 m掺铒光纤，二级采用940 nm波长LD反向泵浦CJEYDF-SM-10/125光纤。光纤端面及测试结果如图5所示，当输出功率约为5 W时，光纤斜率效率达到41.2%。

 图6  铒镱共掺光纤截面图与斜率效率

图6为铒镱共掺光纤的光纤截面图（左）与斜率效率（右）

经过多年的技术积累和创新，武汉长进激光技术有限公司率先打破国外技术垄断，实现了高性能掺铒光纤及铒镱共掺光纤的国产化，现已给多家企业供应铒镱共掺光纤。其中CJEYDF-SM-10/125作为激光雷达用增益光纤，已经大批量供应国内车载激光雷达及激光测距等领域的头部企业，CJEYDF-SM-10/125H也开始大批量供应国内多家光纤放大器厂商。相比于进口光纤，长进激光为CATV与激光雷达市场的客户提供高性价比的掺铒和铒镱共掺产品及相应的解决方案，可大幅度降低成本。长进激光将持续投入稀土掺杂特种光纤研发，为客户提供高性能铒纤及铒镱共掺光纤。