寬帶摻鐿光纖放大器噪聲特性研究

20 世紀(jì) 80 年代中期，光通信迅猛發(fā)展、光纖制造工藝以及半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法制成了低損耗的摻鉺光纖后，摻雜光纖放大器和激光進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在對(duì)泵浦光或信號(hào)光的激發(fā)態(tài)吸收，轉(zhuǎn)換效率高，不存在濃度淬滅;且有較寬的吸收光譜和輻射光譜。因此摻鐿光纖放大器/激光器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)時(shí)采用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構(gòu)成，要求泵浦光必須直接耦合進(jìn)直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對(duì)泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以傳統(tǒng)的摻稀土元素的光纖激光器與放大器被認(rèn)為只能是一種低功率的光子器件。

80 年代末，美國(guó)寶麗來(lái)提出了以雙包層光纖為基礎(chǔ)的包層泵浦技術(shù)，改變了光纖放大器只能作為一種小功率光子器件的歷史，為瓦級(jí)甚至更高功率的光纖放大器的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雙包層光纖的研制成功以及包層泵浦技術(shù)的運(yùn)用打破了光纖激光器/放大器輸出功率低的"瓶頸"，成為制作高功率光纖激光器與放大器的首選。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技術(shù)在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出;放大系統(tǒng)小信號(hào)增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術(shù)獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。德國(guó) Jena 大學(xué) A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場(chǎng)面積雙包層摻鐿光纖為增益光纖，利用注入種子光的功率放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng) 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對(duì)注入抽運(yùn)光功率的斜率效率達(dá) 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用與 20/400 雙包層大模面積(LMA)摻鐿光纖相匹配的(6+1)*1 合束器實(shí)現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開(kāi)大學(xué)郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長(zhǎng)度約為11m 的大模面積(LMA)摻鐿雙包層光纖(其芯徑 20μm ,數(shù)值孔徑為 0.06)，將 16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號(hào)光的優(yōu)良光譜特性。實(shí)驗(yàn)中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。

2006 年 Albert seifert 報(bào)道了一種波長(zhǎng)為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級(jí)的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經(jīng)過(guò)一個(gè)隔離器和二向色鐿后，有65mw的功率被耦合到6.2米的摻鐿雙包層光纖。D 型內(nèi)包層的數(shù)值孔徑隨溫度變化，室溫下為 0.35，液氮中為 0.22。光纖端面拋8 度角，第一級(jí)放大器輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級(jí)的冷卻的鐿纖。第一級(jí)的最大輸出功率為 2.8W,且信噪比達(dá)到 30dB。為達(dá)到更高的輸出功率，將第一級(jí)功率為 1.7W 的輸出作第二級(jí)放大，得到了 5W 的輸出功率，且仍有很高的信噪比。

普通光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、波長(zhǎng)可調(diào)諧、散熱性好和高的轉(zhuǎn)換效率受到人們的青睞;包層泵浦技術(shù)又突破了普通光纖輸出功率上的制約;Yb3+具有簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)、寬的吸收帶和大的發(fā)射截面，便于泵浦和獲得高的轉(zhuǎn)化效率。因此摻鐿雙包層光纖激光器除具有普通光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)之外，又可在高功率條件下運(yùn)作，成為發(fā)展高功率激光器的重要候選。現(xiàn)在報(bào)道的單個(gè)光纖激光器輸出功率已超過(guò) kW，完全可以和在高功率條件下使用的傳統(tǒng)的固體激光器媲美。摻鐿雙包層光纖激光器作為固體激光器家族中的一員，具有以下優(yōu)異的性能:

1) 高功率。一個(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出 100W 的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，可允許設(shè)計(jì)出很高功率輸出的光纖激光器;

2) 模式質(zhì)量好。通過(guò)設(shè)計(jì)大纖芯和小的數(shù)值孔徑，光纖中只有幾個(gè)模式;無(wú)需熱電冷卻器。這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡(jiǎn)單的風(fēng)冷，成本低;

3) 很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍。包層光纖纖芯中摻雜了鐿元素，有一個(gè)很寬的光吸收區(qū)(900-1100nm)，所以泵浦二極管不需任何類型的波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置;

4) 效率高。泵浦光多次橫穿過(guò)光纖纖芯，因此其利用率高;

5) 高可靠性。多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來(lái)其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激器的斷面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低。這樣一來(lái)，泵浦二極管其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過(guò) 100 萬(wàn)小時(shí)。

摻鐿雙包層光纖激光器用于激光束的相干合成

激光束相干合成技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的重要途徑，在過(guò)去的 20 多年里人們已經(jīng)在這一領(lǐng)域里進(jìn)行了大量的研究，相干陣列中所用的激光器多集中在固體、半導(dǎo)體和光纖激光器。這種技術(shù)是將許多中等功率輸出的激光器組成的陣列實(shí)現(xiàn)同相輸出，實(shí)現(xiàn)大功率的同時(shí)保持優(yōu)良的光束質(zhì)量。而摻鐿雙包層光纖激光器具有的如結(jié)構(gòu)緊湊易于組束、模式質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)使它成為實(shí)現(xiàn)激光束相干合成的不二之選。

隨著大模場(chǎng)面積摻雜雙包層光纖和大功率半導(dǎo)體激光器(LD)的技術(shù)成熟，脈沖光纖放大器的研究也獲得了飛速發(fā)展，脈沖峰值功率越來(lái)越高。脈沖光纖放大器由于具有高光束質(zhì)量、便于熱管理、光纖輸出、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，正廣泛運(yùn)用于軍事，精密加工、醫(yī)療、太空通信等多個(gè)領(lǐng)域。窄脈寬、高功率、高光束質(zhì)量的的脈沖光纖放大器已成為研究的重點(diǎn)。

04 年，英國(guó)的 Southampton 大學(xué)的 A.malinowski 等人報(bào)道了一種全光纖放大系統(tǒng)，以摻鐿光纖激光器為種子源，用兩級(jí)摻鐿雙包層光纖放大器進(jìn)行放大，最后用光柵對(duì)壓縮，在 62MHz 時(shí)獲得了 110fs，400nJ 的脈沖。 2005 年，美國(guó)的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調(diào) Q 的 Nd:LSB 微片激光器為種子源，通過(guò)雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖，在10kHz 時(shí)，獲得了 1ns，1mJ 的脈沖。

2006 年 6 月，英國(guó)南安普頓大學(xué)的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結(jié)構(gòu)的雙包層光纖進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)了 53W，103ps 的脈沖輸出。

2007 年 A. Galvanauskas 又將 1~10ns 脈寬的種子脈沖信號(hào)經(jīng)雙級(jí)單模前置放大后，級(jí)聯(lián)兩級(jí) LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過(guò) 5MW的脈沖輸出。

國(guó)內(nèi)一些單位也開(kāi)展了脈沖放大光纖放大器的研究。主要的研究單位有中科院上海光機(jī)所、清華大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)第十一所和中科院西安光機(jī)所等。 2004 年，上海光機(jī)所的孔令峰等人用調(diào) Q 激光器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，在 20kHz 時(shí)放大到了 0.3mJ 的脈沖能量。 2005 年，清華大學(xué)的葉昌庚等人報(bào)道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)。以調(diào) Q 的 Nd:YAG 微片激光器為種子源，以摻鐿雙包層光纖為增益介質(zhì)，在 200Hz時(shí)，最大得到了 138.2μJ 的單脈沖能量，其脈沖寬度為 0.83ns。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外脈沖高功率光纖放大器的實(shí)驗(yàn)研究主要采用的還是分立元器件設(shè)計(jì)，不利于提高激光器的穩(wěn)定性。本文中將采用 MOPA 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全光纖脈沖放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了平均功率 2W、重復(fù)頻率 50KHz、脈沖寬度為 20ns 的窄脈沖激光輸出。