1550 nm高功率窄線寬光纖放大器的特性研究

吳 洋，王燕檔，林兆培，邢美術(shù)，王 銳，王玉寶，戚 偉，亢 亢

(1．中國電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所，上海 201900；2．河南地礦職業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450000)

0 引言

窄線寬光纖放大器具有可靠性高、壽命長、小型化、模塊化、價(jià)格低、使用及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在整機(jī)系統(tǒng)中與固體激光器和氣體激光器相比具有較大優(yōu)勢.因此在激光雷達(dá)、激光測距、光電傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-5].

對于激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，激光器的輸出穩(wěn)定度直接決定系統(tǒng)的功能和性能，其輸出能量和線寬分別決定了雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離和探測精度，是激光器的重要指標(biāo)之一.隨著泵浦激光二極管和摻雜光纖技術(shù)的進(jìn)步，窄線寬光纖放大器的輸出功率和光-光轉(zhuǎn)換效率都得到了較大提升，加上其在線寬特性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，成為人們研究的熱點(diǎn).而激光經(jīng)放大后，其多項(xiàng)指標(biāo)都有可能發(fā)生變化[6-9].

本文主要研究了1550 nm的高功率窄線寬光纖放大器.以DFB光纖激光器為種子光，采用鉺鐿共摻的雙包層大模場光纖為增益介質(zhì)，同時(shí)配有高精度溫度控制系統(tǒng)，得到1550 nm波長，輸出穩(wěn)定度為1.2%，線寬為2.8 kHz，輸出功率為1.1 W.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

窄線寬光纖放大器光路圖如圖1所示.放大器采用1550 nm波長的DFB窄線寬光纖激光器作為種子光，從種子開始確保其窄線寬特性.泵浦源為兩個(gè)976 nm、最大功率為9 W的鎖波長激光二極管，種子信號光和泵浦光經(jīng)(2+1)×1光纖合束器耦合進(jìn)摻雜光纖.在泵浦和摻雜光纖中間加入了泵浦保護(hù)器，以防止反射光回返至泵浦源對器件造成損壞.

圖1 窄線寬光纖放大器光路圖

1550 nm波段的光纖放大器通常采用摻鉺光纖和鉺鐿共摻光纖作為增益介質(zhì).摻鉺光纖放大器的增益光纖為單模單包層摻雜光纖，其纖芯耦合面積較小導(dǎo)致耦合效率較低，增益性能較弱.另外摻鉺光纖存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度猝滅、量子效率較低等不利因素，直接影響了泵浦的轉(zhuǎn)換效率和激光放大輸出的能量，對高功率光纖放大器有較大難度.而對鉺鐿共摻的光纖放大器，由于其同時(shí)存在Er3+和Yb3+，利用兩種離子間的能量傳遞，加寬了鉺鐿共摻光纖的吸收譜，具有較高的量子效率，使放大器可以在較寬的范圍內(nèi)選擇泵浦源，提高光纖放大器的光-光轉(zhuǎn)換效率.因此，窄線寬光纖放大器采用Coractive的鉺鐿共摻雙包層光纖作為放大增益介質(zhì)，摻雜光纖的纖芯直徑為7 μm，在1532 nm處的峰值吸收系數(shù)為30 dB.

泵浦為凱普林的976 nm鎖波長激光二極管，最大輸出功率為9 W.由于工作環(huán)境的不同和放大器工作時(shí)內(nèi)部器件的發(fā)熱，會造成放大器內(nèi)部溫度的變化，進(jìn)而引起泵浦的波長漂移，導(dǎo)致輸出功率的不穩(wěn)定，而泵浦功率的變化更將引起光纖放大器的輸出功率PV值變大且不夠穩(wěn)定.為保證泵浦在常溫條件下工作，對泵浦采用了高精度溫度控制技術(shù).

光纖放大器泵浦采用TEC溫控技術(shù)，可通過調(diào)節(jié)TEC電流大小來控制溫度，溫度控制的精度取決于TEC電流的控制精度，為使TEC精準(zhǔn)地工作在設(shè)定的目標(biāo)溫度，設(shè)計(jì)了自動溫度控制電路,以確保泵浦的波長穩(wěn)定性和工作效率.

由于本光纖放大器的輸出線寬達(dá)到kHz量級，用普通的光譜分析儀或法布里-珀羅干涉儀無法滿足測量精度要求，因此需采用特殊的測量方法.目前測量kHz量級激光線寬的方法主要有延遲自外差法和自零差測譜法.自零差測譜不能直接用儀器進(jìn)行測量[10-11]，為了得到精確的激光線寬，利用延時(shí)外差法，基于窄線寬激光器電磁場頻譜公式，利用延時(shí)光纖破壞激光的相干特性，以簡化為一種洛倫茲線性曲線，對此曲線進(jìn)行洛倫茲擬合，其半高寬度恰為激光線寬的兩倍.測量系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)先對待測激光進(jìn)行分束，一路通過中心頻率為70 MHz的聲光調(diào)制器(AOM)進(jìn)行移頻，另一路通過10 km的光纖進(jìn)行延遲，再將兩路光束通過合束器合束，為避免高功率光束擊毀光測量器件，在合束光進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器(PD)前添加一個(gè)可調(diào)衰減器，最后通過示波器測得拍頻信號.

圖2 延遲自外差實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)及討論

圖3為1550.12 nm種子源的信號光經(jīng)過光纖放大器后，泵浦輸入功率與光纖放大器輸出功率的變化曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泵浦功率超過閾值0.8 W時(shí)，光纖放大器開始有激光輸出，放大功率隨泵浦功率的增加成線性增加，斜率效率為13.4%.泵浦功率增大到9 W時(shí)，輸出功率為1.1 W.由于光纖器件的插損以及連接損耗過大，實(shí)際輸出的信號光功率低于理論值.圖4為光纖放大器輸出光譜圖，其光譜圖中并未觀察到受激布里淵散射現(xiàn)象.

圖3 泵浦功率與放大輸出功率關(guān)系

圖4 放大輸出光譜圖

實(shí)驗(yàn)采用延遲自外差法測量線寬，線寬測量精度Δ與延遲光纖長度L的關(guān)系為

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算，10 km的延遲光纖即可以滿足5 kHz量級線寬的測量精度要求.

線寬測量方法是利用延時(shí)外差法，通過延時(shí)光纖破壞激光的相干特性，以簡化為一種洛倫茲線性曲線，采用Origin軟件擬合此曲線，其半高寬度恰為激光線寬的兩倍.用激光器的本振光輸出端連接測試系統(tǒng)如圖2.開啟電控驅(qū)動系統(tǒng)、線寬測量系統(tǒng)、PD和示波器，開啟激光器用示波器采集Excel數(shù)據(jù)之后，采用Origin軟件，利用洛倫茲線性擬合離散光譜計(jì)算頻率線寬.通過線寬測量平臺，可對種子源和光纖放大器輸出激光的線寬分別進(jìn)行測量，并進(jìn)行對比，測量結(jié)果如圖5所示.種子源和光纖放大器輸出擬合的半高全寬分別為8.01 kHz和8.08 kHz，二者的線寬分別為4 kHz和4.04 kHz.因此，可認(rèn)為光纖放大器對種子源的線寬沒有影響.

圖5 線寬擬合結(jié)果

3 結(jié)論

進(jìn)行了高功率窄線寬光纖放大器的實(shí)驗(yàn)研究，種子源為10 mW的半導(dǎo)體窄線寬連續(xù)激光器，增益光纖為大模場鉺鐿共摻雙包層光纖.為確保泵浦在工作溫度下運(yùn)行，對泵浦采用了高精度溫度控制技術(shù).當(dāng)泵浦功率為9 W時(shí)，光纖放大器的輸出功率為1.1 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為12.2%，斜率效率為13.4%，增益為20.4 dB.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信號光經(jīng)雙包層光纖放大后，其各項(xiàng)特性基本沒有變化，線寬均為4 kHz，且在光譜儀上并未觀察到受激布里淵散射現(xiàn)象.