1550 nm高功率窄线宽光纤放大器的特性研究

吴 洋，王燕档，林兆培，邢美术，王 锐，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

窄线宽光纤放大器具有可靠性高、寿命长、小型化、模块化、价格低、使用及维护方便等优点，在整机系统中与固体激光器和气体激光器相比具有较大优势.因此在激光雷达、激光测距、光电传感等领域有广泛的应用[1-5].

对于激光雷达系统来说，激光器的输出稳定度直接决定系统的功能和性能，其输出能量和线宽分别决定了雷达系统的探测距离和探测精度，是激光器的重要指标之一.随着泵浦激光二极管和掺杂光纤技术的进步，窄线宽光纤放大器的输出功率和光-光转换效率都得到了较大提升，加上其在线宽特性方面的独特优势，成为人们研究的热点.而激光经放大后，其多项指标都有可能发生变化[6-9].

本文主要研究了1550 nm的高功率窄线宽光纤放大器.以DFB光纤激光器为种子光，采用铒镱共掺的双包层大模场光纤为增益介质，同时配有高精度温度控制系统，得到1550 nm波长，输出稳定度为1.2%，线宽为2.8 kHz，输出功率为1.1 W.

1 系统设计

窄线宽光纤放大器光路图如图1所示.放大器采用1550 nm波长的DFB窄线宽光纤激光器作为种子光，从种子开始确保其窄线宽特性.泵浦源为两个976 nm、最大功率为9 W的锁波长激光二极管，种子信号光和泵浦光经(2+1)×1光纤合束器耦合进掺杂光纤.在泵浦和掺杂光纤中间加入了泵浦保护器，以防止反射光回返至泵浦源对器件造成损坏.

图1 窄线宽光纤放大器光路图

1550 nm波段的光纤放大器通常采用掺铒光纤和铒镱共掺光纤作为增益介质.掺铒光纤放大器的增益光纤为单模单包层掺杂光纤，其纤芯耦合面积较小导致耦合效率较低，增益性能较弱.另外掺铒光纤存在激发态吸收、浓度猝灭、量子效率较低等不利因素，直接影响了泵浦的转换效率和激光放大输出的能量，对高功率光纤放大器有较大难度.而对铒镱共掺的光纤放大器，由于其同时存在Er3+和Yb3+，利用两种离子间的能量传递，加宽了铒镱共掺光纤的吸收谱，具有较高的量子效率，使放大器可以在较宽的范围内选择泵浦源，提高光纤放大器的光-光转换效率.因此，窄线宽光纤放大器采用Coractive的铒镱共掺双包层光纤作为放大增益介质，掺杂光纤的纤芯直径为7 μm，在1532 nm处的峰值吸收系数为30 dB.

泵浦为凯普林的976 nm锁波长激光二极管，最大输出功率为9 W.由于工作环境的不同和放大器工作时内部器件的发热，会造成放大器内部温度的变化，进而引起泵浦的波长漂移，导致输出功率的不稳定，而泵浦功率的变化更将引起光纤放大器的输出功率PV值变大且不够稳定.为保证泵浦在常温条件下工作，对泵浦采用了高精度温度控制技术.

光纤放大器泵浦采用TEC温控技术，可通过调节TEC电流大小来控制温度，温度控制的精度取决于TEC电流的控制精度，为使TEC精准地工作在设定的目标温度，设计了自动温度控制电路,以确保泵浦的波长稳定性和工作效率.

由于本光纤放大器的输出线宽达到kHz量级，用普通的光谱分析仪或法布里-珀罗干涉仪无法满足测量精度要求，因此需采用特殊的测量方法.目前测量kHz量级激光线宽的方法主要有延迟自外差法和自零差测谱法.自零差测谱不能直接用仪器进行测量[10-11]，为了得到精确的激光线宽，利用延时外差法，基于窄线宽激光器电磁场频谱公式，利用延时光纤破坏激光的相干特性，以简化为一种洛伦兹线性曲线，对此曲线进行洛伦兹拟合，其半高宽度恰为激光线宽的两倍.测量系统如图2所示，系统先对待测激光进行分束，一路通过中心频率为70 MHz的声光调制器(AOM)进行移频，另一路通过10 km的光纤进行延迟，再将两路光束通过合束器合束，为避免高功率光束击毁光测量器件，在合束光进入光电转换器(PD)前添加一个可调衰减器，最后通过示波器测得拍频信号.

图2 延迟自外差实验结构示意图

2 实验及讨论

图3为1550.12 nm种子源的信号光经过光纤放大器后，泵浦输入功率与光纤放大器输出功率的变化曲线.实验结果表明，当泵浦功率超过阈值0.8 W时，光纤放大器开始有激光输出，放大功率随泵浦功率的增加成线性增加，斜率效率为13.4%.泵浦功率增大到9 W时，输出功率为1.1 W.由于光纤器件的插损以及连接损耗过大，实际输出的信号光功率低于理论值.图4为光纤放大器输出光谱图，其光谱图中并未观察到受激布里渊散射现象.

图3 泵浦功率与放大输出功率关系

图4 放大输出光谱图

实验采用延迟自外差法测量线宽，线宽测量精度Δ与延迟光纤长度L的关系为

(1)

根据式(1)计算，10 km的延迟光纤即可以满足5 kHz量级线宽的测量精度要求.

线宽测量方法是利用延时外差法，通过延时光纤破坏激光的相干特性，以简化为一种洛伦兹线性曲线，采用Origin软件拟合此曲线，其半高宽度恰为激光线宽的两倍.用激光器的本振光输出端连接测试系统如图2.开启电控驱动系统、线宽测量系统、PD和示波器，开启激光器用示波器采集Excel数据之后，采用Origin软件，利用洛伦兹线性拟合离散光谱计算频率线宽.通过线宽测量平台，可对种子源和光纤放大器输出激光的线宽分别进行测量，并进行对比，测量结果如图5所示.种子源和光纤放大器输出拟合的半高全宽分别为8.01 kHz和8.08 kHz，二者的线宽分别为4 kHz和4.04 kHz.因此，可认为光纤放大器对种子源的线宽没有影响.

图5 线宽拟合结果

3 结论

进行了高功率窄线宽光纤放大器的实验研究，种子源为10 mW的半导体窄线宽连续激光器，增益光纤为大模场铒镱共掺双包层光纤.为确保泵浦在工作温度下运行，对泵浦采用了高精度温度控制技术.当泵浦功率为9 W时，光纤放大器的输出功率为1.1 W，光-光转换效率为12.2%，斜率效率为13.4%，增益为20.4 dB.实验结果表明信号光经双包层光纤放大后，其各项特性基本没有变化，线宽均为4 kHz，且在光谱仪上并未观察到受激布里渊散射现象.