32.6 W，1.5 μm 窄线宽保偏单模光纤放大器

沈 骁，张罗俊，路 桥，丁建永，韦 玮

（1.南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院，江苏南京 210023 2.南京先进激光技术研究院先进全固态激光技术研发中心，江苏南京 210038）

目 前 通 信 产 业 已 经 获 得 飞 速 发 展［1－3］， 而1.5 μm的单频窄线宽光纤激光器由于其光束质量好、大气传输衰减低及处于“人眼安全波段”［4］等优势，在空间光通信［5］、卫星遥感［6］和激光雷达［7－8］等领域具有重要应用。在远距离应用场景中，不仅需要较高的激光输出功率，还要求激光具有良好光束质量以利于收集高于噪声功率水平的回光并减小望远镜接收口径。

自 2013 年 Yang 等［9］首次基于 Er3＋／Yb3＋共掺双包层光纤报道十瓦级1 560 nm窄线宽光纤放大器以来，1.5 μm波段高功率窄线宽光纤放大器受到广泛关注和研究［10－13］。已有研究表明，在高功率窄线宽Er3＋／Yb3＋共掺双包层光纤放大器中，提升激光功率的关键限制性因素为镱离子（Yb3＋）的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）极易引起的自激振荡和受激布里渊散射效应（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）［14］。 Yb3＋强自发辐射的问题可以通过增益光纤设计制造［15］、调整相互作用抽运光波长［16］和辅助 1.0 μm 信号光注入技术［17］进行抑制。2016年，Creeden等［18］通过实验证实了SBS效应成为限制功率进一步提高的主要因素，特别是对于高光束质量要求的应用场景下，单模光纤具有较高的非线性系数。

目前常规单模光纤输出1.5 μm窄线宽光纤激光功率最高可达50 W，为了抑制SBS，采用的是同带1 480 nm抽运光来提高光⁃光转化效率，从而允许采用仅2 m长的增益光纤便可实现50 W的激光输出［19］。然而，高功率1 480 nm激光的获取需要由1 064 nm光纤激光器两级拉曼频移获得，综合能量转化效率仍较低，导致对于系统的结构和散热要求高，因此，9XX nm半导体泵浦的方案在工程应用中具有优势。而基于该泵浦方案的单模光纤最大输出功率为23 W［20］，由于采用了长达5 m的单模双包层增益光纤和976 nm峰值吸收波长泵浦方案，导致反向SBS光高达150 mW，并且呈指数上升趋势，限制了放大器输出功率的进一步提升。

近年来，1.5 μm波段的单模光纤放大器基于功率提升的工作进展如表1所示。

表1 1.5 μm波段单模放大器的功率提升工作进展

2014 年，Kotov 等［21］以纤芯直径为 35 μm 的掺铒光纤作为増益介质，在1 585 nm波长处获得了功率为103 W的单频窄线宽激光输出，其光束质量较差。后来人们研制了铒镱共掺光纤，实现了在较短光纤长度内实现高功率激光输出。2017年，Varona等［22］利用2.5 m纤芯直径25 μm的大模场铒镱共掺光纤作为增益介质，最终将1 556 nm的2 W信号光放大到111 W。2020年，Matniyaz等［23］通过优化放大器结构，同样使用25 μm的铒镱共掺光纤，在波长1 562 nm处获得了输出功率302 W的激光输出，是目前已知的所获得的最高功率。

以上获得高功率窄线宽的单模光纤激光输出的MOPA结构中，采用的都是空间耦合方式，尽管已得到数百瓦量级的功率输出，但其存在诸多缺点。而全光纤型MOPA结构因为其稳定性、紧凑性及更好的光束质量可满足当前应用的需求。因此研究高功率窄线宽单频光纤激光的MOPA关键技术是有重要意义的。

2013年，Yang等［9］采用全光纤单级 MOPA 结构，以纤芯和内包层直径分别为10 μm和128 μm的铒镱共掺双包层光纤为增益介质，实现了在1 560 nm波长处输出功率为10.9 W、线宽为3.5 kHz的单频激光输出。2015年，Bai等［24］利用全光纤三级保偏的MOPA结构，以纤芯和内包层直径分别为12 μm和 130 μm的铒镱共掺双包层光纤在1 550 nm波长处获得了功率为 56.4 W、线宽为4.21 kHz的单频激光输出。

本文报道的单模窄线宽低噪声全保偏级联光纤放大器，输出功率达32.6 W，这是已知的国内采用该技术输出的最高功率。放大器仅采用二级级联结构，种子光输入功率为20 mW，通过利用 off⁃peak 940 nm泵浦的弱吸收特性抑制Yb3＋自发辐射并采用具有高转化效率的反向泵浦结构，在4 m的主放大器增益光纤和1 m单模传能光纤长度下实现了32.6 W的激光输出，主放大器光⁃光效率达40%，考虑到后向SBS光功率极低，该输出功率仅受限于泵浦光功率大小。不仅如此，放大器还具有良好的性能保真特性，放大后激光的线宽几乎无展宽，光谱信噪比（Signal to Noise Ratio， SNR）仅仅劣化了2.56 dB，相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）劣化了1.62 dBc／Hz@1 MHz，偏振消光比大于16.1 dB，且放大后拥有良好的光束质量，为高光束质量、大功率、低噪声1.5 μm窄线宽光源的制备提供技术支持。

1 放大器实验装置

图1是 1.5 μm单频窄线宽光纤（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）装置示意图，单频种子源采用光纤耦合输出的DFB半导体激光器（RIO⁃0175⁃3⁃34⁃3），其功率为 20 mW。 为防止后向回光造成种子源损坏，其后加入一个保偏光纤隔离器（Polarization Maintaining Isolator，PM⁃ISO）防止1.5 μm波段回光，再连接一个1 060 nm／1 550 nm保偏波分复用器（Polarization Maintaining Wavelength Division Multiplexer，WDM）滤出 1 μm ASE，两者插损分别为 1 dB和 0.5 dB，PM⁃ISO的隔离度为30 dB。预放光纤放大器为正向泵浦结构，增益光纤采用2 m长保偏大模场面积双包层Er3＋／Yb3＋共掺光纤，其纤芯和内包层直径分别为12 μm和130 μm（Nufern， PLMA⁃EYDF 12／130），包层在 976 nm 波长处的吸收系数为3.59 dB／m。预放光纤放大器由一个输出最大功率为9 W、波长为940 nm光纤耦合输出的半导体激光器LD 1（MM 940 nm Pump Laser Diode）通过一个（2＋1）×1多模泵浦合束器Combiner 1进行泵浦，将泵浦光注入光纤放大器增益介质，Combiner 1信号输入输出光纤为PM⁃GDF⁃1550，其模场直径为10.5 μm。在光纤种子激光器和预放光纤放大器之间熔接一个泵浦光剥离器（Cladding Pump Striper，CPS）以剥除包层内的剩余泵浦光，避免光纤熔点过热。

图1 窄线宽保偏单模光纤放大器的实验装置

主放大器结构与预放大器结构相似，主放大器以4 m长保偏大模场双包层Er3＋／Yb3＋共掺光纤为增益介质，其纤芯和内包层直径分别为12 μm和130 μm （Nufern， PLMA⁃EYDF 12／130），由两个功率为30 W、波长940 nm的泵浦激光器LD 2和LD 3通过（2＋1）×1多模泵浦合束器Combiner 2进行泵浦，Combiner 2的信号与泵浦插入损耗和泵浦效率分别为0.4 dB和92%，其输入与输出尾纤长度一共约1 m。预放放大器和主放放大器之间熔接一个保偏环形器（Polarization Maintaining Circulator，PM⁃CIR）来监测后向SBS光，并起到隔离作用，其后端接入一个1 060／1 550 nm WDM 2滤出主放增益光纤产生的1 μm ASE。主放增益光纤盘绕在铝制热沉上，采用风扇进行冷却。

2 实验结果与讨论

当LD 1抽运功率为7 W时，预放大器输出光功率为1.8 W，输入主放大器进一步提升功率。图2是主放大器输出功率、1 μm ASE功率和SBS后向光功率随泵浦光功率的变化关系曲线。当注入放大器的泵浦功率从0 W线性增大到80 W时，放大器输出功率随之由0.5 W增大至32.6 W，在此过程中，放大器输出功率基本保持线性增大，光⁃光转化效率达40%，当泵浦功率达到80 W时，红色拟合线斜率未见明显减小，表明输出功率仅受限于泵浦光功率。单模保偏光纤输出的光斑图如图2的内置图所示。

图2 光纤放大器的输出、1 μm ASE和后向功率性能

随着泵浦光功率增大，PM⁃CIR回光监测端口功率基本呈指数规律增长，值得注意的是，当泵浦功率大于30 W，回光功率具有较大的波动，该波动范围随着泵浦功率的增大而增大，其原因主要是SBS效应逐渐增强［25］，为此，本文测量了 PM⁃CIR 回光监测端口的光谱，如图3所示。当泵浦功率分别为0、24.38、56.21和80.9 W时，不同泵浦功率下的光谱皆呈现3峰结构，两两峰之间的波长间隔恰好对应于光纤中SBS特征频率～13 GHz，随着泵浦功率的增加，红移SBS峰功率显著增大。尽管如此，当泵浦光功率达到80 W时，回光功率仍然小于1 mW，表明SBS仍未对光纤放大器的输出能力造成限制。主放大器产生的1 μm ASE功率也随着泵浦功率增大呈指数增长，当泵浦功率达80 W时，ASE功率仅为242 μW，表明采用940 nm反向泵浦方案可有效解决1 μm ASE问题。

图3 泵浦功率为 0、24.38、56.21 和 80.9 W 时PM⁃CIR回光监测端口的回光光谱

为了考察窄线宽激光在光纤放大器中功率增大时的性能演化特性，还分别测量研究了该MOPA结构的光纤激光器不同位置处的激光光谱、线宽和RIN的变化。

图4是采用光谱分析仪（YOGOGAWA，AQ6370C）测量的种子光光谱、预放大器光谱和在32.6 W输出功率时主放大器输出端的激光光谱。可见，放大器基本保持了种子光的光谱纯度和结构。在10 nm测量范围下，种子、预放大器和主放大器的输出光谱的信噪比分别为62.91、61.30和60.35 dB，与种子激光器的信噪比相比较，预放大器后激光SNR劣化了0.95 dB，在此基础上，主放大器进一步劣化了1.61 dB，表明级联光纤放大器输出激光的SNR光谱呈现轻微程度的劣化，其原因可能是PM⁃CIR不具有窄带滤波功能，使得预放大器产生的1.5 μm波段ASE噪声被主放大级进一步放大。

图4 种子、预放大器和功率放大器后输出光谱

种子光、预放大器和在32.6 W输出功率时主放大器输出的激光线宽测试结果如图5所示。该线宽测试方案采用延时自外差测量法，延迟线长度为30 km，声光移频器移频量为40 MHz，采用探测器（THORLAB，PDA10CF）和频谱仪（KEYSIGHT，N9010B）进行线宽分析。种子光、预放大和主放输出激光的3 dB线宽，分别为4.5、4.75和5 kHz。可见，对于～kHz量级线宽的种子，级联光纤放大器输出激光的线宽主要取决于种子光线宽特性。种子光经全光纤激光放大器放大后，由于功率放大过程中随机相位的ASE叠加到信号光场中［26］，引起放大后激光线宽的轻微展宽。

图5 种子、预放大器和功率放大器后激光线宽的测量结果

为了探究级联光纤放大器对种子光强度的影响，还测量了种子、预放大器和主放大器输出激光的RIN。为了减少直流光成分在计算中带来的偶然误差，测量中输入探测器（THORLABS，PDA10CF）光功率固定为1 mW。

考虑到光纤放大器对泵浦光的低通滤波属性，以及环境噪声源主要位于MHz量级及以下的中、低频段［27］。因此，将测量的傅里叶频率范围设置为［0，20］MHz便可表征放大器对于RIN的影响。如图6所示，种子、预放大器和主放大器输出激光在1 MHz偏置频率处的噪声幅度分别为－152.18、－150.38和－150.56 dBc／Hz，可见级联光纤放大器对于RIN的影响也极弱，具有良好的相对强度噪声性能保真特性。

图6 PD底噪、种子激光器、预放大器、功率放大器的相对强度噪声频谱图

将输出光纤熔接一个光纤型偏振分束器，可测试输出激光的保偏性能，测试结果如图7所示，慢轴和快轴输出光分别标记为X和Y方向偏振。从图7中可见，在激光器从开始到运行900 s的时间里，X偏振模方向的功率始终在30.75～31 W，Y偏振模方向的功率始终在0.24～0.75 W，偏振消光比大于16.1 dB，表明该光纤放大器输出光束的线偏振性能良好。

图7 900 s，相互正交两个X，Y方向偏振光功率

3 结束语

本文采用功率为20 mW、线宽为4.5 kHz的1 550 nm单频窄线宽半导体激光器作为种子，采用两级双包层光纤放大器和反向off⁃peak 940 nm泵浦技术方案，有效抑制了1 μm ASE效应，获得了功率为32.6 W、线宽为5 kHz的单模保偏激光输出，光⁃光转化效率达40%，级联光纤放大器的线宽展宽因子为1.1，光谱 SNR劣化了2.56 dB，RIN劣化了1.62 dBc／Hz@1MHz，偏振消光比大于 16.1 dB，且放大后拥有良好的光束质量，有效保持了种子源的低噪声、窄线宽特性。该研究成果为相干激光雷达、引力波探测和空间光通信等远距离测量方面提供了技术支持。