瞬态增益引起的脉冲激光波形畸变及预补偿方法研究

王 锐，吴 洋，林兆培，邢美术，王玉宝，戚 伟，亢 亢

(1.中国电子科技集团公司 第二十三研究所，上海 201900;2.河南地矿职业学校，河南 郑州 450000)

0 引 言

随着激光雷达技术的不断进步，雷达探测的距离和精度越来越高，这就要求对激光系统中的误差分配进行精确计算，尽可能减少系统本身的误差.在激光雷达系统中，通常采用1.5 μm激光器作为种子源，通过外调制的方式将连续激光调制为脉冲激光，经过多级级联结构的铒镱共掺双包层光纤放大器(EYDFA)对种子源进行放大，最后利用相干测量的方法增加雷达系统的探测距离[1-6].

在多信道的高功率放大系统中，光纤放大器的输出信号由于瞬态增益发生了波形畸变，产生一个呈有限递减的指数衰减型波形，其畸变程度与泵浦电流和脉宽有关，且有一定程度的脉宽压窄.这种波形畸变由于增加了脉冲激光的峰值功率，不仅会造成较大的误码率，使激光雷达系统的探测精度大大下降，影响测量结果，甚至会使脉冲激光过早达到受激布里渊散射(SBS)阈值，击毁系统内部器件，从而对系统本身造成不可修复的损坏.

目前解决脉冲激光在放大过程中由于增益不平坦导致的波形畸变问题主要采用两种方法：一是优化设计放大器的自身增益平坦型，通过改变光纤基质的类型或掺杂稀土离子种类和浓度来改善放大器的增益不平坦；二是引入增益平坦技术，可分为静态增益平坦滤波器和动态增益均衡器.改变光纤基质的类型或掺杂稀土离子种类和浓度可从根本上解决增益不平坦问题，具有良好的可靠性，但其只适用于小范围的固定波段；静态增益平坦滤波器简单易行，同时具有较低的插入损耗，但和第一种方法一样，虽然能实现增益谱的静态平坦，但严重缺乏灵活性；动态增益平坦技术包括全光纤声光可调滤波器，级联式液晶光学谐波均衡以及全息聚合物液晶光栅等多种系统[7-11]，可通过相应的控制算法实现多信道增益的实时可调，具有高度的智能化，但其价格过高，不适用于部分中小型产品.

本文通过任意波形发生器(AWG)对声光调制器(AOM)进行波形编辑，通过预补偿的方式对畸变信号进行补偿，不仅可解决脉冲激光在放大过程中出现的脉冲波形前沿锐化问题，降低脉冲激光的峰值功率，抑制SBS的光学非线性效应，也限制了激光脉冲宽度的窄化，同时还可以实时更改参数，且具有操作简单、成本较低等优点.

1 高功率光纤放大器实验

高功率光纤激光系统光路结构如图1(a)所示.种子源采用波长为1551.12 nm的连续激光器，最大输出功率为10 mW.信号光先经过掺铒光纤放大器进行一级连续预放大，以提高注入双包层光纤放大器的信号功率，在尽可能提高注入双包层铒镱共掺光纤放大器信号光功率的同时，使信号光具有较高的光信噪比(OSNR).AOM1对预放后的信号光进行外调制，输出重频10 kHz、脉宽500 ns的脉冲激光.信号光随后进入双包层铒镱共掺光纤放大器进行二级放大.一级预放大器的泵浦为波长976 nm、最大输出功率600 mW的半导体激光器，经980/1550 nm WDM耦合进长度为1.8 m、纤芯直径为7 μm的单包层掺铒光纤；二级主放大器泵浦为凯普林公司的976 nm大功率激光二极管，最大输出功率为9 W.主放大器增益光纤采用Coractive公司生产的铒镱共掺双包层光纤作为放大介质，该光纤在1535 nm处的峰值吸收系数为65.8 dB/m，在915 nm处的峰值吸收系数为1.75 dB/m.在两级放大器的输入和输出端同时加上高功率隔离滤波器，不仅可以防止反向斯托克斯光击毁器件，同时也可以防止放大器内部出现激光振荡.主放大器由于采用了双包层铒镱共掺光纤，在976 nm泵浦光的作用下，会产生一定的放大自发辐射噪声(ASE)，但当输入信号光达到一定的功率时，ASE将会得到极大的抑制，系统光信噪比会得到有效提升.为了防止1030 nm波段的后向ASE对泵浦源的损伤，单模和多模泵浦源的输出端均连接了泵浦保护器.

预放光路图如图1(b)所示，为减少过多器件带来的插损，预放大器(Pre-A)采用最大输出为600 mW的LD泵浦，经WDM耦合进7/125的单包层掺铒保偏光纤(PM ESF)，对连续信号进行纳焦级放大.初始脉冲信号沿光路进入主放大器(AMP)，为提高系统的受激布里渊散射(SBS)阈值，主放大器采用10/128的双包层铒镱共掺大模场保偏光纤(PM EYDF)进行μJ级放大，主放大器光路如图1(c)所示.主放大器采用波长976 nm的锁波长激光二极管(Wavelength-Locked LD, 9 W)为抽运源，以防止环境因素引起的泵浦波长漂移进而影响放大效率.泵浦光经耦合器耦合进PM EYDF对预放输出进行放大.经过两级放大后初始信号光的单脉冲能量提升至30 μJ.所有器件的输入和输出均采用斜头跳线，实验均在室温下进行.

由于在放大过程中调节泵浦功率将导致瞬态增益，使脉冲波形的前沿增益大于后沿增益，脉冲峰值向前沿方向移动，进而产生波形畸变，急剧加大信号的峰值功率，会过早达到系统SBS阈值，不仅会击毁器件，还会影响信号的光谱.实验通过AWG对触发信号进行编辑，对预放大信号进行波形预补偿，抑制由瞬态效应引起的脉冲波形畸变.

图1 光纤激光系统结构图注：(a)系统主光路图；(b)预放级光路图；(c)主放级光路图

2 实验结果及讨论

信号光经两级放大后输出初始放大信号，通过AOM2后的99/1分束器提取初始放大信号波形，利用示波器观察其1%输出信号的时间波形.从图2(a)可以观察到，初始放大信号由于瞬态增益，脉冲信号前沿方向的功率已远大于其后沿方向，前沿功率大约为后沿功率的两倍，已急剧加大了信号的峰值功率，信号顶部呈前高后低有限递减的指数衰减型波形，已产生了较为严重的畸变，且信号的脉宽也出现了较为明显的窄化现象，触发信号的脉宽从500 ns窄化到了425 ns左右.

由于波形畸变后呈前高后低的形状，其峰值功率被大大提高，使系统过早达到SBS阈值，产生后向的斯托克斯光子，可能击穿上一级器件，造成不可逆的损伤.不仅如此，系统一旦过早达到SBS阈值，反向的斯托克斯光子会通过掺杂增益光纤，吸收大量泵浦能量，使信号光在放大过程中的泵浦能量严重不足，直接导致输出能量大幅下降.当泵浦电流为2.15 A时，在光谱仪上已观察到了非常明显的SBS反向光.

瞬态增益引发的波形畸变不仅改变了脉冲信号的时间波形，使其峰值功率被大大提高，系统过早达到SBS阈值，可能击穿上一级器件，造成不可逆的损伤，导致整个系统出现断光现象，进而影响系统功能.不仅如此，系统一旦过早达到SBS阈值，反向的斯托克斯光子会通过掺杂增益光纤，吸收大量泵浦能量，使信号光在放大过程中的泵浦能量严重不足，直接导致输出能量大幅下降.当泵浦电流为2.15 A时，初始放大信号的光谱如图2(b)所示，在信号光谱左侧观察到一个明显的噪声光波峰.根据SBS产生原理，后向散射光频率低于前向信号光，即SBS光波长短于信号光波长，应出现在信号光光谱左侧.在二氧化硅中，后向散射光和前向信号光的能量交互发生在很窄的布里渊线宽ΔνB内[12]，在1550 nm附近ΔνB=20 MHz，对应的频移为0.05 nm，即SBS光中心波长出现在1550.07 nm处，与实验结果吻合.

波形畸变导致信号光在时间上的能量分布差异较大，且信号光脉宽为500 ns，通过能量计测量时，由于采样点并不固定，测量出来的能量会有较大的浮动.如图2(c)所示，在未采用波形预补偿前，脉冲信号的PV值高达93.8%，输出能量极不稳定，完全无法在高精度的工作中使用.

图2 未补偿输出信号注：(a)输出信号波形；(b)输出信号光谱；(c)输出信号稳定度

为解决由瞬态增益引发的波形畸变，可通过AWG对触发信号波形进行编辑，实现脉冲信号的预补偿.根据未补偿输出信号的输出波形，预补偿信号为顶部呈前低后高无限递增的指数增长型波形，AWG编辑的预补偿触发信号波形如图3(a)所示.预补偿后的输出信号波形如图3(b)所示，预补偿后输出信号的波形顶部已近似平坦，脉宽为490 ns，脉宽窄化现象也得到了较大缓解.将光谱仪精度设置为1 nm时，预补偿后的最终输出光谱如图3(c)所示，原先光谱中的SBS已消失，证明最终输出信号的峰值功率已低于SBS阈值，输出信号中只存在1550.12 nm的信号光.由于预补偿后输出信号的波形顶部能量差异不大，其能量稳定度也得到了较大提升，测量一小时的能量稳定度如图3(d)所示，其PV值为9.7%，已可以满足大能量系统的应用要求.

图3 预补偿输出信号注：(a)预补偿信号波形；(b)输出信号波形；(c)输出信号光谱；(d)输出信号稳定度

3 结论

在高功率光纤激光系统中，脉冲信号由于瞬态增益会导致放大后脉冲信号的波形产生畸变，信号顶部呈前高后低有限递减的指数衰减型波形，该畸变不仅使系统过早达到SBS阈值而损坏系统器件，使脉冲激光的脉宽发生一定程度的窄化；同时光谱中的反向SBS光也会抑制信号光的放大功率，在应用中也会对系统的功能造成负面影响.实验结果表明，在脉宽500 ns、重频10 kHz的条件下，通过AWG编辑触发信号，对脉冲信号进行波形预补偿，不仅有效抑制了由瞬态增益引起的波形畸变，同时使信号光的峰值功率低于SBS阈值，使系统无法产生反向SBS光，确保系统功能性的完整.