Tutorial: Faserverstärker

Dies ist Teil 4 eines Tutorials über Faserverstärker von Dr. Paschotta.

Teil 4: Verstärkte Spontanemission

In jedem Laserverstärker brauchen wir laseraktive Ionen in angeregten (metastabilen) Zuständen als Voraussetzung für stimulierte Emission. Unvermeidlich erhalten wir dann auch etwas spontane Emission. Das entstehende Fluoreszenzlicht geht in alle Richtungen und verlässt die Faser meist seitlich. (Mit einem Infrarot-Sichtgerät kann man die gepumpte Faser “glühen” sehen.)

Ein winziger Teil des Fluoreszenzlichts wird vom Faserkern eingefangen und läuft zusammen mit Pumpe und Signal entlang der Faser (in beide Richtungen). Wichtig ist, dass es dann eine ähnliche Verstärkung erfahren kann wie jedes Signal. Da Faserverstärker oft eine hohe Verstärkung erreichen (mehrere zehn Dezibel), wird der geführte Anteil des Lichts aus der spontanen Emission stark verstärkt. Wir nennen das verstärkte Spontanemission (ASE). Die resultierende Leistung kann weit größer werden als die in alle anderen Richtungen abgestrahlte Leistung, obwohl nur ein kleiner Teil der Fluoreszenz vom Kern eingefangen wird.

Die Folgen der verstärkten Spontanemission sind:

• Wir können in jedem Wellenlängenbereich, in dem die Verstärkung hoch ist, eine erhebliche Ausgangsleistung erhalten, selbst wenn wir gar kein Eingangssignal einkoppeln. Dieses ASE-Licht ist relativ breitbandig; es wird tatsächlich in manchen superlumineszenten Quellen genutzt.
• Läuft ASE zusammen mit einem Signal, so stellt sie ein breitbandiges Rauschen für dieses Signal dar.
• Starke ASE kann eine erhebliche Verstärkungssättigung verursachen: Über stimulierte Emission senkt sie die Anregungsdichte und damit die Verstärkung. Sie bewirkt eine Art weiches Festhalten der Verstärkung: Mehr Pumpleistung erhöht die Verstärkung zwar noch, aber nur geringfügig, da die ASE-Leistungen mit wachsender Verstärkung rasch zunehmen.

Beachten Sie, dass dieses Festhalten der Verstärkung durch ASE besonders unwillkommen ist, wenn wir Signale bei Wellenlängen weit vom Verstärkungsmaximum entfernt verstärken müssen. Im Wesentlichen begrenzt die ASE die Spitzenverstärkung, und unsere Signalverstärkung kann weit schwächer sein. Es gibt sogar Fälle, in denen ein Bauelement wegen der ASE überhaupt nicht funktionieren kann. So ist es etwa nicht leicht, effiziente Ytterbium-dotierte Faserlaser hoher Leistung mit Emission bei 975 nm zu bauen, weil sich die ASE bei längeren Wellenlängen nur schwer unterdrücken lässt. Ein ähnlicher Fall für einen Verstärker wird in Teil 6 dieses Tutorials gezeigt.

Was bestimmt die Stärke der ASE?

Ein kritischer Faktor für die ASE ist die Höhe der Verstärkung. Als Faustregel wird ASE oberhalb von etwa 30 dB erheblich. Signalverstärkungen in der Größenordnung von 40 dB lassen sich in einer einzelnen Verstärkerstufe noch erreichen, üblicherweise aber nicht viel mehr.

Die Verstärkung ist jedoch nicht der einzige relevante Parameter:

• Je mehr geführte Moden eine Faser hat, desto mehr Fluoreszenzlicht kann eingefangen werden, und desto stärker wird die ASE. Die geringstmögliche ASE erhält man mit einer einmodigen Faser. Praktisch alle Faserverstärker geringer Leistung beruhen auf einmodigen Fasern, während Hochleistungs-Bauelemente oft eine Faser mit wenigen Moden haben, die stärkere ASE zeigt.
• Für laseraktive Ionen mit Quasi-Drei-Niveau-Verhalten (siehe Teil 3) ist die ASE deutlich verstärkt (normalerweise um einige Dezibel). Der Grund ist, dass wir für eine gegebene Verstärkung eine höhere Anregungsdichte brauchen, um die Signal-Reabsorption zu überwinden, und das verursacht stärkere spontane Emission. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt für ASE in einer Richtung, in der die Anregungsdichte am Anfang der Faser gering ist. Deshalb ist die ASE oft in der der Pumpe entgegengesetzten Richtung stärker.

Beispiel 1: ASE in einem bei 940 nm gepumpten Ytterbium-dotierten Faserverstärker

Als Beispiel betrachten wir eine Ytterbium-dotierte einmodige Faser, die mit 1000 mW bei 940 nm gepumpt wird. Es wird kein Signal eingekoppelt. Abbildung 1 zeigt, dass sich in Vorwärtsrichtung eine erhebliche ASE-Leistung ergibt, und in Rückwärtsrichtung sogar noch mehr. Die ASE wirkt sich deutlich auf die Anregungsdichte des Ytterbiums aus, die ihr Maximum nicht dort erreicht, wo die Pumpe am stärksten ist (am linken Ende), sondern ungefähr dort, wo die ASE am schwächsten ist. Wegen der resultierenden Entwicklung der Anregungsdichte fällt die Pumpleistung auf etwas unregelmäßige Weise ab: zunächst recht schnell, dann langsamer, dann wieder schneller.

Wir betrachten nun die ASE-Spektren an den Faserenden in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung:

Im langwelligen Bereich (1060 nm und darüber) gibt es kaum einen Unterschied zwischen Vorwärts- und Rückwärts-ASE, da die Ytterbium-Ionen hier ein nahezu reines Vier-Niveau-Verhalten zeigen. Um 975 nm ist die Rückwärts-ASE dagegen um Größenordnungen stärker und liefert mehr Leistung als das spektral breitere Maximum bei längeren Wellenlängen. Diesen Unterschied können wir folgendermaßen verstehen:

• Im letzten Drittel der Faserlänge liegt die Anregungsdichte unter 50 %, und bei 975 nm herrscht Nettoabsorption. Die Vorwärts-ASE wird in diesem Bereich stark abgeschwächt, und nur die langwellige ASE schafft es bis zum Ende.
• Dieser Bereich geringer Anregung trägt viel spontane Emission als Saat für die Rückwärts-ASE bei, obwohl die Nettoverstärkung dort negativ ist. Deutlich sehen wir das in Abbildung 3, in der die Leistungen mit logarithmischer Skala dargestellt sind:

Die Rückwärts-ASE, die am rechten Faserende beginnt, wächst selbst im Bereich negativer Nettoverstärkung kontinuierlich (auf niedrigem Niveau) an; das liegt einfach an der Ansammlung spontaner Emission über eine gewisse Faserlänge. (Das gilt auch für den 975-nm-Anteil der ASE, der zusätzlich getrennt dargestellt wurde.) Deshalb kann die Rückwärts-ASE auf einem weit höheren Niveau starten, sobald sie in den Bereich positiver Nettoverstärkung gelangt. Die Vorwärts-ASE um 975 nm wird dagegen zum Ende hin stark abgeschwächt.

Die Verstärkung der Faser bei 1030 nm ergab sich zu 44 dB. Der begrenzende Faktor ist natürlich die ASE. (In einer theoretischen Situation ohne jede ASE könnte man in dieser Konfiguration 76 dB erreichen, und bei einer längeren Faser sogar mehr.) Abbildung 4 zeigt, wie die Kleinsignalverstärkung bei zwei Wellenlängen von der Pumpleistung abhängt. Schon oberhalb von 100 mW Pumpleistung beginnt die ASE, die Verstärkung zu verringern.

Beispiel 2: ASE in einem bei 975 nm gepumpten Ytterbium-dotierten Faserverstärker

Das ASE-Verhalten kann sich stark ändern, wenn wir die Pumpwellenlänge ändern. Als Beispiel pumpen wir dieselbe Faser wie zuvor, aber bei 975 nm statt bei 940 nm. In diesem Fall kann es bei 975 nm niemals eine Nettoverstärkung geben, da die stimulierte Emission durch die Pumpe die Anregungsdichte auf etwa 50 % begrenzt.

Abbildung 5 zeigt die Verteilung der Leistungen und der Ytterbium-Anregung:

Es mag sehr überraschen, dass die Pumpleistung nun in den 3 m Faser nicht mehr vollständig absorbiert werden kann, obwohl der Absorptionsquerschnitt bei 975 nm weit höher ist als bei 940 nm. Dieses Phänomen liegt nicht an der ASE; es tritt auch bei geringeren Leistungen auf, bei denen die ASE schwach ist. Der Grund ist die stärkere Pumpsättigung bei 975 nm. Am besten versteht man es vielleicht so: Die Energie des absorbierten Pumplichts muss über spontane Emission abgegeben werden; die Ytterbium-Ionen haben keine andere Möglichkeit, diese Energie loszuwerden, und können im Mittel nur so viele Photonen absorbieren, wie sie abstrahlen können. Die mit 975-nm-Pumpen erreichte geringere Anregungsdichte (wegen der starken stimulierten Emission) bedeutet, dass pro Zentimeter Faser weniger Energie abgestrahlt wird und weniger Pumpleistung absorbiert werden kann. Ein weniger wichtiger Faktor ist, dass 975-nm-Photonen eine geringere Energie haben, sodass man bei gleicher Leistung mehr von ihnen bekommt.

Wir betrachten nun die ASE-Spektren in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und sehen, dass diese nun nahezu identisch sind:

Das Maximum bei 975 nm ist noch vorhanden, aber weit schwächer, da es nirgends in der Faser eine positive Nettoverstärkung sieht.

Abbildung 7 zeigt erneut die Abhängigkeit der Verstärkung bei 1030 nm von der Pumpleistung.

Die Form der Kurve hat sich gegenüber dem Fall mit 940-nm-Pumpe stark verändert; das Festhalten der Verstärkung ist härter. Das hängt allerdings damit zusammen, dass die Pumpleistung nicht mehr vollständig absorbiert wird; oberhalb eines gewissen Niveaus kommt jede zusätzliche Pumpleistung nur am anderen Ende wieder heraus. Mit einer etwas längeren Faser sehen die Ergebnisse anders aus:

Interessanterweise liefert die längere Faser bei 200 mW Pumpleistung weniger Verstärkung bei 1030 nm als die kürzere Faser. Für die Verstärkung bei 1080 nm gilt das nicht. Das liegt an der stärkeren Reabsorption bei 1030 nm.

Wie man ASE minimiert

Es ist nun klar geworden, welche Maßnahmen man ergreifen könnte, um die ASE zu minimieren:

• Am einfachsten ist es, die Spitzenverstärkung zu begrenzen.
• Wir sollten eine einmodige Faser statt einer Multimode-Faser verwenden.
• Eine polarisierende Faser, in der nur Licht mit einer linearen Polarisationsrichtung geführt wird, wäre sogar noch besser, sofern die zu verstärkenden Signale polarisiert sind.
• Hat unser Laserübergang Quasi-Drei-Niveau-Charakter (wie in Faserverstärkern üblich), so sollten wir die Anregungsdichte an beiden Enden so hoch wie möglich halten.
• Im nächsten Teil werden wir sehen, dass Rückwärtspumpen besser sein kann als Vorwärtspumpen.

Sehr hilfreich kann es auch sein, eine Verstärkerkette aus zwei oder mehr Verstärkerstufen zu verwenden und die ASE zwischen den Stufen herauszufiltern.

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