基于915 nm 泵浦的铒镱共掺双包层光纤放大器

郭欣宇，王蓟，贾苏蒙，白笑语，张永熙

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

近年来，随着通信技术的快速发展，对用于光通信的光纤放大器和光纤激光器的输出功率提出了更高的要求，为了实现远距离、大容量通信，实验搭建了高功率的光纤放大器和光纤激光器［1-6］。然而，普通光纤放大器通常采用掺铒光纤作为增益介质，输出功率较低，为了获得更高的输出功率，可以采用铒镱共掺双包层光纤作为光纤放大器的增益介质［7-12］。铒镱共掺双包层光纤放大器通常采用输出波长为975 nm 或915 nm 的半导体激光器作为泵浦源，由于镱离子在975 nm 处的吸收带宽很窄，温度等外界因素会使泵浦源的工作波长发生漂移，导致镱离子对泵浦光的吸收减少，从而降低了放大器的输出功率。但镱离子在915 nm 处有很宽的吸收带，且泵浦波长的变化对吸收系数影响很小，因此采用915 nm 的半导体激光器作为铒镱共掺双包层光纤放大器的泵浦源，可以实现稳定的功率输出［13-15］。文中设计搭建了级联光纤放大系统，用掺铒光纤放大器作为预放大级，915 nm 半导体激光器泵浦的铒镱共掺双包层光纤放大器作为功率放大级，对1 540～1 565 nm 波段的10 mW信号光进行了功率放大，在1 565 nm 处获得了1.106 W 的最大输出功率。

1 系统搭建

级联光纤放大系统结构如图1 所示，掺铒光纤放大器作为预放大级，铒镱共掺双包层光纤放大器作为功率放大级。一个窄线宽可调谐半导体激光器作为信号光源，最大信号光输出功率为10 mW，波长调谐范围为1 540～1 565 nm。信号光经过光隔离器进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由作为泵浦源的单模半导体激光器（LD）、980/1550 波分复用器（WDM）、一段11.4 m长的掺铒光纤和隔离器构成。LD 使用的是Ⅱ-Ⅵ公司的单模半导体激光器，最大输出功率500 mW，泵浦光通过波分复用器注入掺铒光纤，掺铒光纤使用的是Nufern 公司的EDFC-980-HA C 波段单模掺铒光纤，信号光经掺铒光纤放大器放大后，注入到铒镱共掺双包层光纤放大器中。铒镱共掺双包层光纤放大器由作为泵浦源的915 nm半导体激光器、合束器、隔离器、11 m 长的铒镱共掺双包层光纤构成。915 nm 半导体激光器的最大输出功率为10 W，合束器是（2+1）×1 泵浦光+信号光合束器，增益介质使用的是Nufern 公司的SM-EYDF-6/125-HE 铒镱共掺双包层光纤，铒镱共掺双包层光纤后连接一个隔离器，防止回光损伤器件，信号光经过隔离器输出端实现激光输出。隔离器输出端分别接入光纤光谱仪（YOKOGAWA，AQ6375）和光功率计对输出的激光光谱和功率进行测试。

图1 级联光纤放大系统实验原理图

2 实验结果分析

2.1 预放大级输出功率及光谱

级联光纤放大器的信号光为可调谐半导体激光，光功率为10 mW，波长调谐范围为1 540～1 565 nm。由波长1 540 nm 开始，以5 nm 为步长间隔，测量了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 六个波长下的预放大级输出功率及光谱。信号光功率10 mW 时，预放大级输出功率特性曲线如图2 所示，图2（a）是不同信光波长时预放大级输出功率随泵浦功率的变化，图2（b）是泵浦功率为500 mW 时预放大级输出功率随信号光波长的变化。由图2（a）可知，对于不同波长的信号光，预放大级输出功率都会随着泵浦功率的增加不断增大，在波长1 550 nm处，预放大级输出功率最高，为153.67 mW，对应斜率效率为28.7%。在波长1 540 nm、1 545 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 处，预放大级的斜率效率分别为28.1%、28.6%、28.4%、28.2%、28.5%。当泵浦功率为500 mW 时，预放大级输出功率随信号光波长的变化如图2（b）所示，以1 550 nm为中心波长，波长偏离1 550 nm 越远，放大器输出功率越小，这主要是由增益光纤中铒离子在不同波长处的吸收发射截面不同所决定的。

图2 光纤预放大级输出功率特性曲线

在不同信号光波长下，对预放大级的输出光谱进行了测量，结果如图3 所示。图3（a）～（f）分别给出了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 信号光波长下，预放大后的输出光谱图。由图3（a）可见，当信号光波长为1 540 nm 时，经过预放大后的激光在1 560 nm波长附近出现了ASE，图3（b）～（f）是信号光波长在1 545～1 565 nm 的预放大光谱，信号光被很好地放大，几乎没有ASE 的存在。

图3 不同信号光波长时预放大级输出光谱

2.2 功率放大级输出功率及光谱

将预放大级泵浦功率设定为500 mW，信号光经过预放大后进入作为功率放大级的铒镱共掺双包层光纤放大器，随着铒镱共掺双包层光纤放大器的泵浦功率的增加，实验得到了不同信号光波长的输出功率特性曲线，如图4 所示。图4（a）为不同信号光波长时铒镱共掺双包层光纤放大器输出功率随泵浦功率的变化，随泵浦功率的增加放大器输出功率不断增大，在1 565 nm处，放大功率最高为1.106 W，对应斜率效率为23.5%。在1 540 nm、1 545 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 处，功率放大级的斜率效率分别为17.9%、19.8%、20.3%、22%、22.8%。当泵浦功率为4.7 W 时，铒镱共掺双包层光纤放大器输出功率随信号光波长的变化如图4（b）所示，随着信号光波长向长波长移动，放大功率逐渐增加，在1 550～1 555 nm 波段，放大级功率增加得最快，并且当信号光波长大于1 550 nm 时，输出功率并没有出现与预放大级类似的逐渐降低的现象。

图4 预放大级泵浦功率500 mW 时功率放大级输出功率特性曲线

对不同信号光波长下的铒镱共掺双包层光纤放大器输出光谱进行了测量，结果如图5 所示。图5（a）～（f）分别给出了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 信号光波长下的输出光谱图。从图中可以看出，当1 540 nm波长的信号光被放大后，在1 560 nm 波长附近有较强的ASE。随着信号光波长向长波长方向移动，ASE 逐渐减小，信号光波长在1 550～1 565 nm波段，ASE 得到较好的抑制，输出激光的信噪比更高。

图5 不同信号光波长时功率放大级输出光谱

3 结论

搭建了级联光纤放大系统，用掺铒光纤放大器作为预放大级，915 nm 半导体激光器泵浦的铒镱共掺双包层光纤放大器作为功率放大级，由于915 nm 半导体激光器泵浦源的引入，有效降低了系统噪声，提高输出功率，实现了激光的稳定输出。当输入信号功率为10 mW，预放大级的泵浦功率为500 mW，功率放大级的泵浦功率为4.7 W 时，在1 565 nm 波长，获得了级联放大器的最高输出功率为1.106 W。