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Fallstudie: Design eines Doppelkern-Faserverstärkers

Behandelte Fragen:

Wie kann ein erster Ansatz an starker ASE scheitern?
Wie lässt sich ASE in solchen Fällen beherrschen?
Was sind die Kriterien für die Wahl der Faserlänge?

Design-Ziel

Wir möchten einen Hochleistungs-Faserverstärker basierend auf einer Yb-dotierten Doppelkernfaser entwickeln. Dieser soll ein schwaches Eingangssignal (10 mW, gaußförmiges Spektrum mit 10 nm Bandbreite) bei 1080 nm verstärken, wo die Yb-Verstärkung weit unterhalb ihres Maximums liegt. Die Ausgangsleistung soll 50 W sein. Wir werden sehen, ob wir das mit einer einzigen Verstärkerstufe erreichen können.

Für die Simulationen verwenden wir die Software RP Fiber Power mit der praktischen Power Form für kontinuierlich arbeitende Faserverstärker.

Erster Ansatz

Wir versuchen es mit der kommerziellen Faser Liekki Yb700-20-125DC, gepumpt mit 60 W bei 975 nm. Zunächst verwenden wir 2 Meter dieser Faser, was sich als völlig ausreichend für eine effiziente Absorption des Pumplichts erweist:

powers vs. position in shorter fiber amplifier — Abbildung 1: Optische Leistungen und Yb-Anregung entlang der 2 m langen Faser.

Leider bekommen wir nicht annähernd genügend Signal-Ausgangsleistung, da verstärkte Spontanemission (ASE) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung eine Menge Leistung extrahiert. Mit einem weiteren Diagramm kann man sehen, dass ASE hauptsächlich für Wellenlängen um 1030 nm stark ist:

ASE spectra of fiber amplifier — Abbildung 2: ASE-Spektren, Verstärkung und Rauschzahl.

Das Problem ist im Kern, dass die Yb-Verstärkung ihr Maximum bei 1030 nm und bei unserer Signalwellenlänge von 1080 nm wesentlich schwächer ist. Deswegen hat unser Signal Schwierigkeiten, mit ASE zu konkurrieren.

Dieses Problem könnte man mit einem zweistufigen Verstärkerdesign lösen, wo man die Verstärkung auf zwei Stufen verteilt und zwischen ihnen ASE herausfiltert. Allerdings zeigt sich, dass es eine einfachere Lösung gibt:

Verwende eine längere Faser

Wenn wir eine wesentlich längere Faser nehmen, z. B. mit 10 m Länge statt nur 2 m, wird die Lage sehr viel besser:

powers vs. position in longer fiber amplifier — Abbildung 3: Dasselbe wie oben für eine viel längere Faser.

Nun wird die meiste Pumpleistung für die Signalverstärkung verwendet, während ASE viel schwächer ausfällt. Das mag zunächst sehr überraschen; wie kann es z. B. sein, dass Vorwärts-ASE viel schwächer wird, obwohl sie sich in einer viel längeren Faser entwickeln kann?

Betrachten wir zunächst das gleiche Diagramm mit einer logarithmischen vertikalen Achse:

Hier ist die Erklärung für das beobachtete Verhalten:

Die Leistung der Rückwärts-ASE wächst zunächst in den ersten drei Metern auf 30 dBm (1 W) an, aber in den folgenden 7 Metern wird sie teilweise wieder absorbiert.
Die reabsorbierte ASE führt zu einer signifikanten Yb-Anregung sogar in einer Region, wo die Pumpleistung bereits sehr schwach geworden ist.
Eine Folge davon ist, dass das anfangs schwache Signal in dieser Region wesentlich vorverstärkt wird.
Dies führt nun zu einer höheren Signalleistung in der Gegend des rechten Faserendes, und das zieht die Yb-Anregung nach unten (wegen Verstärkungssättigung). Deswegen wird auch Vorwärts-ASE stark reduziert.

Ist das nicht raffiniert? Der Trick funktioniert gut für langwellige Signale, die normalerweise weniger Verstärkung als ASE haben und deswegen schwer damit konkurrieren können.

Dieses Regime hätte man in Laborversuchen vielleicht auch mit trial & error gefunden, but vermutlich ohne zu verstehen, warum und wie es funktioniert. Erst wenn man es simuliert hat, versteht man, was wirklich passiert.

Mit 60 W Pumpleistung erhalten wir 46,6 W Signalleistung. Um die geforderten 50 W zu erzielen, können wir einfach die Pumpleistung auf 64 W erhöhen.

Wir können noch ein Diagramm mit Variation der Faserlänge ansehen:

signal output power vs. fiber length — Abbildung 5: Signal-Ausgangsleistung als Funktion der Faserlänge.

Wir sehen, dass erst für eine Faserlänge größer als 13 m die Signalleistung wieder langsam abfällt, da die Reabsorption des Signals recht schwach ist.

Man sich zunächst sorgen, dass die Rauschzahl erhöht sein könnte, nachdem wir eine sehr lange Faser benutzen, bei der das Signal zunächst mit recht niedrigem Grad der Yb-Anregung verstärkt wird. Jedoch zeigt sich, dass wir mit 3,08 dB eine recht gute Rauschzahl erhalten. Dies liegt wieder an der schwachen Reabsorption in diesem Spektralbereich, wo das Ytterbium fast schon als Vierniveau-System funktioniert.

Fazit

Die Software RP Fiber Power ist ein prima Tool für solche Arbeiten – sehr leistungsfähig und doch einfach zu bedienen!

Sie können von dieser Studie einiges lernen:

Das Verhalten solcher Verstärker ist oft unerwartet wegen der komplizierten Auswirkungen von ASE.
Beispielsweise kann es sehr hilfreich sein, eine über-lange Faser (viel länger, als für effiziente Pumpabsorption nötig) zu verwenden, da die zusätzliche Faserlänge ASE reabsorbieren und damit die Signalverstärkung unterstützen kann.

Mit einem numerischen Modell können Sie das Verhalten eines Faserverstärkers schnell analysieren und optimieren. Wenn Sie stattdessen direkt die Teile bestellen, den Verstärker bauen, testen und analysieren, und dann versuchen, die gefundenen Probleme zu beheben, wird das am Ende viel mühsamer, kostspieliger und zeitaufwendiger.