基于MOPA結(jié)構(gòu)的1550 nm單頻脈沖光纖激光器

溫 強(qiáng),王超梅,李 堯,余 洋,張 昆,張浩彬,朱 辰

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

能穩(wěn)定工作在單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的光纖激光器被稱為單頻光纖激光器,它作為光纖激光技術(shù)領(lǐng)域正在快速發(fā)展的一個重要分支,被激光技術(shù)領(lǐng)域視為前言的熱點(diǎn)研究課題之一,具有窄線寬、相干性好、低噪聲、與光纖網(wǎng)絡(luò)兼容性好的特點(diǎn),因此在大功率相干合成、相干光通信、激光雷達(dá)、激光冷卻與原子捕獲、高精度光譜測量、引力波探測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。特別是與1 μm波段相比,工作在1.5 μm波段的單頻光纖激光光源因其波長范圍涵蓋了光纖通信的C窗口,使其在相干通信領(lǐng)域有著重要的作用。

單頻激光指的是諧振腔的輸出為單一縱模、單一橫模、單一偏振狀態(tài)的激光,約千赫茲量級的超窄激光線寬是單頻激光器的重要特征。目前常見的單頻光纖激光器通常采用單頻激光種子源加多級光纖放大的主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),為了獲得高峰值功率和高脈沖能量輸出,通常采用脈沖工作形式。

2011年,中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所Liu等[5]采用MOPA技術(shù)方案,利用單頻連續(xù)光纖激光作為種子源,聲光調(diào)制器(AOM)進(jìn)行腔外調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了中心波長1533 nm,平均功率1.16 W、單脈沖能量116 μJ,脈寬500 ns、重復(fù)頻率10 kHz、線寬1.1 MHz的單頻脈沖激光輸出。2012年,美國亞利桑那大學(xué)E.Petersen等[6]采用NP Photonics公司中心波長1550 nm的單頻種子源,利用任意波形發(fā)生器(AWG)和電光調(diào)制器(EOM)腔外調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了脈寬3 ns、重復(fù)頻率10 kHz、峰值功率128 kW、線寬200 MHz的窄線寬激光輸出。2016年,北京工業(yè)大學(xué)張倩[7]等采用類似結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平均功率1.17 W、脈寬602 ns、重復(fù)頻率100 kHz的單頻脈沖輸出。2018年,華北光電技術(shù)研究所王雄飛等[8]實(shí)現(xiàn)了平均功率521 mW、脈寬200 ns、重復(fù)頻率10 kHz、線寬1.9 kHz、峰值功率260 W的脈沖輸出。

單頻激光種子源包括線形腔、行波腔及復(fù)合腔等腔型結(jié)構(gòu)。其中,采用直接在光纖纖芯上刻寫布拉格光柵或相移光柵等窄帶選模器件的DFB及DBR超短腔結(jié)構(gòu)光纖激光器是得到窄線寬種子的最好方式。與其他方式相比,其輸出光譜線寬可以達(dá)到幾千赫茲,單頻工作狀態(tài)穩(wěn)定,幾乎不存在跳模現(xiàn)象,能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。超短腔DFB及DBR光纖激光器的輸出功率通常在幾十至幾百毫瓦量級,后續(xù)需經(jīng)過多級光纖放大。在放大過程中,峰值功率和單脈沖能量會受到多種非線性效應(yīng)特別是受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)的限制。因此,對于單頻光纖激光器來說,其面臨的兩個主要問題是穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)及放大過程中的非線性效應(yīng)抑制。

本文采用單頻連續(xù)DFB半導(dǎo)體激光器作為種子源,得到穩(wěn)定的單頻種子激光,通過聲光調(diào)制開關(guān)技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成脈沖信號,,獲得百納秒級的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn),經(jīng)過兩級光纖預(yù)放大及一級功率放大后,最終獲得中心波長1550 nm、輸出功率2.6 W、重復(fù)頻率10 kHz、脈沖寬度260 ns、峰值功率1 KW的單頻脈沖激光輸出。整個激光器采用全光纖結(jié)構(gòu),通過多級放大和增益長度優(yōu)化,有效抑制了SBS效應(yīng),減小了非線性效應(yīng)對輸出功率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于MOPA結(jié)構(gòu)的全光纖1550 nm單頻脈沖激光器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。激光器由種子源、聲光調(diào)制器及多級光纖放大器組成。

圖1 單頻脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

種子源為中心波長1550 nm、線寬2.4 kHz、輸出功率20.5 mW的外腔穩(wěn)頻DFB半導(dǎo)體激光器。種子源與聲光調(diào)制器AOM相連,聲光調(diào)制器用于發(fā)生脈沖和脈沖整形,將連續(xù)輸出的種子光調(diào)制為脈寬為590 ns、重復(fù)頻率10 kHz的脈沖信號。聲光調(diào)制器后連接多級光纖放大器。一級預(yù)放大級采用保偏摻鉺光纖(EDF)作為增益介質(zhì),中心波長976 nm的270 mW LD反向泵浦注入。二級預(yù)放大級采用雙包層鉺鐿共摻保偏光纖(EYDF)作為增益介質(zhì),輸出波長976 nm的3 W LD通過(2+1)×1合束器耦合進(jìn)入二級預(yù)放大光路。二級預(yù)放大級與功率放大級之間通過一個10:90的光纖耦合器(coupler)連接,10 %的輸出端用作回光監(jiān)測,實(shí)時(shí)監(jiān)測脈沖信號光的工作狀態(tài)。經(jīng)過兩級預(yù)放大后的脈沖光進(jìn)入功率放大級進(jìn)行放大,中心波長976 nm的27 W LD正向泵浦注入光路,采用大芯徑雙包層鉺鐿共摻保偏光纖作為增益介質(zhì)。各放大級之間均連接有隔離器和帶寬1 nm的帶通濾波器。隔離器的作用是防止后向光對前級光學(xué)元件造成損壞,濾波器的作用是濾除光路中的雜散光。包層光剝離器(CPS)可以濾除光路中的剩余泵浦光,優(yōu)化輸出特性。

3 結(jié)論與分析

為保證單頻激光穩(wěn)定輸出,對種子源施加溫控,以保證種子源能夠保持在25 ℃的條件下進(jìn)行工作。種子源輸出單頻連續(xù)激光,功率20.5 mW,經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制為重復(fù)頻率10 kHz的單頻脈沖激光,脈寬542 ns。圖2為經(jīng)過聲光調(diào)制器后的脈沖種子光波形。由于聲光調(diào)制器會對種子光功率造成較大的損耗,輸出功率很小無法實(shí)現(xiàn)直接放大,因此在注入功率放大級前先經(jīng)過兩次預(yù)放大,以保證后級有足夠的信號光注入。

圖2 聲光調(diào)制器輸出光脈沖波形圖

全光纖MOPA結(jié)構(gòu)在1550 nm處要獲得最好的脈沖輸出的方法是使用帶有過濾ASE的多級放大結(jié)構(gòu)。但前提是各級使用合適的纖芯直徑的增益光纖,使系統(tǒng)中每級放大都能夠使用最短的增益光纖從而減少有害的ASE[9]。每級放大器的優(yōu)化是為了獲得最好的信噪比,而不是在預(yù)放大結(jié)束時(shí)獲得最大的脈沖功率,在光纖放大結(jié)構(gòu)中不合適的增益放大會導(dǎo)致隱藏的ASE快速增長。

因此,一級預(yù)放大級采用的增益光纖為纖芯直徑7 μm的單模保偏摻鉺光纖。光纖長度為1 m時(shí),激射光譜中有大量泵浦光存在,有較多未被吸收的泵浦光。將增益光纖長度增加至1.5 m后,泵浦光被完全吸收,激光最大輸出功率21.45 mW,中心波長1550.103 nm。一級預(yù)放大級輸出光譜圖如圖3所示。

圖3 一級預(yù)放大級輸出激光中心波長光譜圖

二級預(yù)放大級采用纖芯直徑12 μm,內(nèi)包層直徑130 μm的鉺鐿共摻雙包層保偏光纖作為增益介質(zhì),長度1.5 m。圖4為激光輸出光譜,可見光譜中有少量的放大自發(fā)輻射(ASE)存在。光路中濾波器可以起到濾除ASE的作用,濾除后的激光輸出光譜如圖5所示。圖6為二級預(yù)放大級的功率輸出特性曲線,由圖可見,預(yù)放大級激光輸出功率隨泵浦功率呈線性增長,沒有出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象,泵浦功率 2.8 W時(shí),輸出功率253.6 mW。

圖4 二級預(yù)防大隔離器后輸出光譜圖

圖5 二級預(yù)防大濾波器后輸出光譜圖

圖6 預(yù)放大級二輸出功率特性曲線

功率放大級是提升單頻光纖激光器輸出功率的關(guān)鍵,功率提升的主要限制因素是SBS閾值。SBS閾值表示為:

其中,Aeff為纖芯有效模場面積;gB為SBS增益因子;Leff為有效光纖長度。從上式中可以看出,增加纖芯直徑和有效模場面積Aeff、減小光纖有效長度Leff、減小SBS增益因子gB都可以提升SBS閾值。此外,使用較低的數(shù)值孔徑(NA)的光纖能夠保持單模運(yùn)行。保偏光纖放大器由于纖芯截面積較小,光纖較長,極易產(chǎn)生SBS效應(yīng)。因此,在選取的光纖有限模場面積和增益因子確定的情況下,將增益光纖截短是提高SBS閾值行之有效的方法。

在本級采用纖芯直徑25 μm,內(nèi)包層直徑300 μm的大芯徑雙包層鉺鐿共摻保偏光纖,在915 nm處的吸收系數(shù)為2.74 dB。

圖7為增益光纖長度分別為1.3 m和1 m時(shí),功率放大級輸出激光的功率特性曲線。由圖可見,不同長度的增益光纖對應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率基本相同,但是,光纖長度的改變卻對SBS的閾值有較大影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增益光纖長度1.3 m,輸出無源尾纖長度1.5 m的條件下,輸出功率1.9 W時(shí)光譜中開始觀察到SBS出現(xiàn)；將增益光纖截短至1 m,無源輸出尾纖截短至0.5 m,SBS出現(xiàn)的閾值提高至2.6 W。由此可見光纖長度對提高SBS閾值的影響。除了采取縮短增益光纖的方法提高SBS閾值外,下一步將考慮對增益光纖施加外部應(yīng)力。這是因?yàn)楣饫w介質(zhì)的聲學(xué)和熱學(xué)等特性會影響SBS的頻移和功率[10-12]。當(dāng)光纖溫度不變時(shí),對光纖施加應(yīng)力,改變楊氏模量可提高SBS閾值,達(dá)到更優(yōu)效果。圖8為功率放大級輸出激光光譜,中心波長1550.083 nm。

圖7 脈沖功率放大級輸出功率隨泵浦功率的變化曲圖

圖8 脈沖放大級輸出光譜

圖9為功率放大級輸出激光的時(shí)間特性。激光脈沖重復(fù)頻率10 kHz,脈寬260 ns。脈寬的壓縮是由于脈沖前沿對泵浦功率的提取效率較高,導(dǎo)致脈沖前沿放大倍數(shù)較高造成的。

圖9 脈沖放大級脈沖波形圖

至此,泵浦功率15.9 W時(shí),基于MOPA結(jié)構(gòu)的1550 nm全光纖單頻脈沖激光器實(shí)現(xiàn)了平均功率2.6 W、重復(fù)頻率10 kHz、脈寬260 ns的單頻脈沖激光輸出,未出現(xiàn)SBS現(xiàn)象,此時(shí)對應(yīng)峰值功率達(dá)1 kW,光-光轉(zhuǎn)換效率16.7 %。

在實(shí)驗(yàn)過程中,光纖熔接產(chǎn)生的角度偏差、氣泡等接頭損耗導(dǎo)致一定的光功率損失,影響了此結(jié)構(gòu)的光-光轉(zhuǎn)換效率。下一步將提升光纖熔接質(zhì)量,盡可能減少接頭損耗。

4 結(jié) 論

綜上所述,全光纖1550 nm單頻脈沖光纖激光器采用MOPA結(jié)構(gòu),單頻半導(dǎo)體激光種子源經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制為脈沖光,后經(jīng)兩級預(yù)放大及一級功率放大,實(shí)現(xiàn)了平均功率2.6 W、重復(fù)頻率10 kHz、脈寬260 ns的單頻脈沖激光輸出,峰值功率達(dá)1 kW。為在功率提升的同時(shí)保證輸出激光的光束質(zhì)量,對各級增益光纖和無源光纖的長度進(jìn)行了優(yōu)化,預(yù)放大級使用最佳長度的增益光纖,從而抑制在1535～1544 nm波長范圍內(nèi)的帶外ASE；功率放大級對光纖長度的優(yōu)化提高了SBS閾值。在激光器各級之間均連接隔離器和濾波器,在凈化光譜的同時(shí),可以有效保護(hù)元器件不受損傷。下一步,將對該結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn),如采用雙向泵浦、對功率放大級增益光纖施加應(yīng)力、提升熔接質(zhì)量等手段,以保證獲得更好的輸出功率及更高的轉(zhuǎn)換效率。