1、引言

1966年，高琨博士從理論上指出了高純石英光纖用于光傳輸介質(zhì)的可行性，并由此引發(fā)了一次世界通信技術(shù)革命。摻鉺光纖和摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)為遠(yuǎn)距離無(wú)中繼通信奠定了基礎(chǔ)，并成為光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。隨著應(yīng)用的不斷延伸與發(fā)展，單摻鉺光纖的使用瓶頸逐漸凸顯出來(lái)。由于摻鉺光纖纖芯直徑小和摻雜離子濃度低的限制，使得摻鉺光纖的輸出功率偏小，不能滿足一些應(yīng)用的實(shí)際需求，而雙包層鉺鐿共摻光纖恰好能夠?qū)姐s光纖的這些缺點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)彌補(bǔ)。

圖1 雙包層鉺鐿共摻光纖結(jié)構(gòu)

鉺鐿共摻光纖通常為雙包層結(jié)構(gòu)。如圖1所示，鉺鐿共摻光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層、涂覆保護(hù)層4部分組成。內(nèi)包層為純石英材料，外包層一般選擇低折射率的樹(shù)脂或摻氟石英玻璃制作，使泵浦光得以在內(nèi)包層中傳輸。鉺鐿共摻光纖具有優(yōu)良的性能，在光纖通信網(wǎng)絡(luò)、自由空間激光通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療、科研、軍工等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。下面主要介紹鉺鐿共摻光纖在有線電視網(wǎng)絡(luò)（CATV）信號(hào)放大以及激光雷達(dá)光源中的應(yīng)用，以及武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司在國(guó)產(chǎn)鉺鐿共摻光纖方面取得的研發(fā)成果。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的進(jìn)程加快，城市CATV新用戶持續(xù)增加，同時(shí)城市的小區(qū)規(guī)模相比之前也有較大的不同。現(xiàn)代大中小城市住宅小區(qū)的特點(diǎn)體現(xiàn)為：單一小區(qū)可以達(dá)到3000或以上住戶，甚至有些小區(qū)可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)住戶；通信機(jī)房一般都在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行配備，機(jī)房到用戶的距離一般不會(huì)大于1 km。CATV通過(guò)分路器將信號(hào)進(jìn)行分配，從而將信號(hào)傳遞到每一個(gè)住戶家中。但是信號(hào)在傳輸和分配過(guò)程中持續(xù)衰減，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大來(lái)保證接收端信號(hào)質(zhì)量。面對(duì)巨量的終端用戶，接入網(wǎng)的功率預(yù)算非常高，因此對(duì)光纖放大器的輸出功率提出更高的要求。

摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現(xiàn)使長(zhǎng)距離光纖通信成為現(xiàn)實(shí)，并成為干線傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。但是EDFA在光纖網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”應(yīng)用中卻力有不足。在CATV應(yīng)用場(chǎng)景中，由于用戶數(shù)量眾多，需要在光纖鏈路終端放置光纖放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償和分配。EDFA使用單模摻鉺光纖作為增益材料，較低的Er3+溶解度使得光纖的非線性閾值大大降低，在高功率放大時(shí)更容易發(fā)生自相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應(yīng)。同時(shí)Er3+較小的吸收截面也使得摻鉺光纖難以采用包層泵浦的方式提高輸出功率。雖然可以采用多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)的方式提高輸出功率（如圖2所示），但勢(shì)必增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

圖2  CATV系統(tǒng)前端多個(gè)EDFA 實(shí)現(xiàn)高功率輸出

雙包層鉺鐿共摻光纖則較好的彌補(bǔ)了摻鉺光纖的不足。鉺鐿共摻光纖利用了Yb3+在900~1100 nm波段內(nèi)寬大的吸收截面，有利于包層泵浦技術(shù)和大功率多模LD的應(yīng)用。因此鉺鐿共摻光纖具有輸出功率大、非線性閾值大、泵浦轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，高功率鉺鐿共摻光纖放大器（EYDFA）成為CATV市場(chǎng)最有效的放大解決方案

圖3  CATV用EDFA與EYDFA兩級(jí)放大系統(tǒng)

如圖3所示，CATV光纖放大器往往采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)采用摻鉺光纖將信號(hào)放大到一定功率水平，再通過(guò)二級(jí)的鉺鐿共摻光纖對(duì)信號(hào)功率進(jìn)一步放大，使信號(hào)達(dá)到5 W或更高的功率輸出。EYDFA不僅提高了系統(tǒng)信號(hào)傳輸質(zhì)量，有效地解決了終端信號(hào)功率分配的問(wèn)題，而且還節(jié)約了系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，光鏈路的設(shè)計(jì)及維護(hù)都相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖4 CJEYDF-SM-10/125H與國(guó)外CATV光纖放大測(cè)試結(jié)果

武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司基于MCVD工藝開(kāi)發(fā)出了面向通信市場(chǎng)的高摻雜鉺鐿共摻光纖CJEYDF-SM-10/125H?；趫D3所示測(cè)試系統(tǒng)，CJEYDF-SM-10/125H與國(guó)外CATV光纖同等測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。相比國(guó)外某公司同類(lèi)型光纖，CJEYDF-SM-10/125H在相同泵浦條件下的輸出功率高0.5 W，甚至在高泵浦注入下高1.3 W左右。這意味著相同輸出功率條件下，CJEYDF-SM-10/125H光纖可節(jié)約3~4 W泵浦功率，不僅可以降低放大器的功耗，同時(shí)也可以延長(zhǎng)泵源的壽命。

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)一般采用905 nm半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，具有激光器件相對(duì)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是905 nm波長(zhǎng)LD在使用中面臨光束質(zhì)量差、人眼損傷閾值低和易受太陽(yáng)光紅外波段光譜干擾等不足，因此最大探測(cè)距離限制在150 m左右，而且還存在發(fā)散角大、成像不清晰等缺點(diǎn)。

相較而言，1550 nm波長(zhǎng)遠(yuǎn)離太陽(yáng)紅外背景光，大大提高了抗干擾能力，而且處在人眼安全范圍和大氣傳輸窗口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。如果采用相干技術(shù)，探測(cè)器只對(duì)自身發(fā)射的激光回波進(jìn)行響應(yīng)，信噪比遠(yuǎn)高于905 nm-ToF激光雷達(dá)，最大探測(cè)距離可以達(dá)到1 km以上，特殊場(chǎng)景下可以達(dá)到數(shù)公里。而且光纖激光器具有良好的光束質(zhì)量及較小的發(fā)散角，容易實(shí)現(xiàn)更清晰的成像質(zhì)量。因此1550 nm的光纖激光器作為激光雷達(dá)光源已經(jīng)成為高端激光雷達(dá)發(fā)展的一種趨勢(shì)。在智能駕駛領(lǐng)域，已有部分汽車(chē)廠商開(kāi)始采用1550 nm光纖激光器做為車(chē)載激光雷達(dá)的光源并裝車(chē)上市。

圖5 1550nm光纖激光器功率放大簡(jiǎn)易流程圖

鉺鐿共摻光纖是實(shí)現(xiàn)高性能1550 nm激光的關(guān)鍵器件。長(zhǎng)進(jìn)激光長(zhǎng)期深耕稀土摻雜特種光纖制備工藝，基于MCVD工藝和溶液摻雜技術(shù)成功研制出激光雷達(dá)用鉺鐿共摻光纖（CJEYDF-SM-10/125），獲得了良好的激光放大效率和輸出功率。長(zhǎng)進(jìn)激光基于圖4所示兩級(jí)放大系統(tǒng)，測(cè)試CJEYDF-SM-10/125光纖激光放大性能。一級(jí)使用980 nm波長(zhǎng)LD前向泵浦5 m摻鉺光纖，二級(jí)采用940 nm波長(zhǎng)LD反向泵浦CJEYDF-SM-10/125光纖。光纖端面及測(cè)試結(jié)果如圖5所示，當(dāng)輸出功率約為5 W時(shí)，光纖斜率效率達(dá)到41.2%。

 圖6  鉺鐿共摻光纖截面圖與斜率效率

圖6為鉺鐿共摻光纖的光纖截面圖（左）與斜率效率（右）

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累和創(chuàng)新，武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司率先打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了高性能摻鉺光纖及鉺鐿共摻光纖的國(guó)產(chǎn)化，現(xiàn)已給多家企業(yè)供應(yīng)鉺鐿共摻光纖。其中CJEYDF-SM-10/125作為激光雷達(dá)用增益光纖，已經(jīng)大批量供應(yīng)國(guó)內(nèi)車(chē)載激光雷達(dá)及激光測(cè)距等領(lǐng)域的頭部企業(yè)，CJEYDF-SM-10/125H也開(kāi)始大批量供應(yīng)國(guó)內(nèi)多家光纖放大器廠商。相比于進(jìn)口光纖，長(zhǎng)進(jìn)激光為CATV與激光雷達(dá)市場(chǎng)的客戶提供高性價(jià)比的摻鉺和鉺鐿共摻產(chǎn)品及相應(yīng)的解決方案，可大幅度降低成本。長(zhǎng)進(jìn)激光將持續(xù)投入稀土摻雜特種光纖研發(fā)，為客戶提供高性能鉺纖及鉺鐿共摻光纖。