用于空間通信的小型化高功率低噪聲光纖放大器

陳文韜，徐劍秋，歐陽春梅

（1 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072）

（2 蘇州市激光智能制造技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

1.5 μm 波段的光纖激光器與放大器具有對人眼無害的優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于空間激光通信、高分辨率傳感、激光雷達(dá)、光纖通信等領(lǐng)域［1-6］。研究發(fā)現(xiàn)，可以使用拉曼激光器、摻鉺光纖激光器（Erbium Doped Fiber Laser，EDFL）以及鉺鐿共摻光纖激光器（Erbium-Ytterbium co-Doped Fiber Laser，EYDFL）來產(chǎn)生1.5 μm 波段的激光［7-8］。隨著航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展，空間通信尤其是微波光傳輸系統(tǒng)非常需要高功率、高效率的激光器與放大器來滿足其速率高、容量大、傳輸距離長的要求［9］。星間微波光子系統(tǒng)通過將微波信號調(diào)制到激光上來傳輸?shù)搅硪活w衛(wèi)星，信號經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后損耗很大，需要利用摻鉺光纖放大器作為前置放大器來提高信噪比［10］。要獲得較高功率輸出，采用更大纖徑的增益光纖是最好的選擇，但是純摻鉺的光纖激光器的輸出功率受到鉺離子的聚集和成對誘導(dǎo)的猝滅效應(yīng)的限制。2014年KOTOV L V 等使用纖芯直徑為34 μm 的摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，在1 585 nm 波長處獲得了功率為103 W 的單頻窄線寬激光輸出，但光束質(zhì)量非常差［11］。人們通過將鐿離子（Ytterbium ion，Yb3+）與鉺離子（Erbium ion，Er3+）共摻雜以增加光纖中鉺的摻雜劑濃度來緩解這些問題。2018年，YANG Changsheng 等［12］利用纖芯直徑為25 μm 的大模場面積鉺鐿共摻保偏雙包層光纖，獲得了功率為15 W、線寬為4.5 kHz、偏振消光比大于23 dB 的1 603 nm 連續(xù)單頻激光輸出。雖然大纖徑光纖擁有更多的摻雜粒子數(shù)和更大的泵浦光作用面積，可以獲得高功率輸出，但由于較差的彎曲特性，需要體積更大的結(jié)構(gòu)來承載［13］。

在空間應(yīng)用中，摻鉺光纖放大器的轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因?yàn)檫@涉及到整個(gè)激光放大器的供電效率、散熱和體積重量［14］。摻鉺光纖放大器經(jīng)過多年的發(fā)展，要進(jìn)一步提升其效率需從改進(jìn)光纖性能、光纖器件和泵浦技術(shù)方面入手，在綜合考慮可靠性和持續(xù)性的基礎(chǔ)上，尋求提升效率的方法。本文基于自動(dòng)功率控制的算法設(shè)計(jì)、模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及兩級放大的光學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了輸出最大功率為7.39 W 的小型光纖放大器。

1 理論分析

1.1 摻鉺光纖放大器

通常情況下，Er3+參與受激輻射放大過程的能級有三個(gè)：泵浦能級4I11/2，激光上能級4I13/2和基態(tài)能級4I15/2。由于4I13/2能級的低能級一側(cè)沒有其它靠得較近的能級，因此具有很長的能級壽命，這部分彌補(bǔ)了Er3+的躍遷幾率不高的短板，使得Er3+可以被低功率的半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）進(jìn)行有效泵浦。對于三能級系統(tǒng)，其粒子數(shù)的速率方程為［15］

式中，t表示時(shí)間；在各能級上的粒子數(shù)分別為n3（泵浦能級）、n2（激光上能級）和n1（激光下能級）；τ3和τ2分別是泵浦能級和激光上能級的壽命；光子數(shù)分布函數(shù)?是關(guān)于頻率v的函數(shù)，其包含了泵浦光、信號光和放大自發(fā)輻射（Amplification of Spontaneous Emission，ASE）的所有光譜成分；泵浦吸收截面σap、激光吸收截面σa、激光發(fā)射截面σe都是與其相互作用的激光頻率的函數(shù)；Γk、Γkp分別表示激光、泵浦光的重疊因子，是考慮光纖中光場分布與摻雜濃度分布重疊效應(yīng)的等效因子。

1.2 鉺鐿共摻放大器

Er3+在高摻雜時(shí)所表現(xiàn)出的能級上轉(zhuǎn)化以及高濃度下Er3+之間的強(qiáng)相互作用引起的離子聚集會(huì)導(dǎo)致濃度猝滅的缺陷，限制了摻鉺光纖放大器輸出功率上限。研究表明，在摻雜時(shí)加入其他共摻離子可以有效地抑制Er3+的聚集［16］。尤其，將Yb3+作為共摻離子時(shí)不僅能夠避免Er3+聚集，而且由于Yb3+特殊的能級結(jié)構(gòu)，在Yb3+與Er3+之間可以產(chǎn)生對應(yīng)能級結(jié)構(gòu)的能量傳遞過程，間接地提高了泵浦效率。

在粒子轉(zhuǎn)換過程中，Yb3+首先從基態(tài)能級2F7/2躍遷到激發(fā)態(tài)能級2F5/2，被激發(fā)的部分Yb3+會(huì)通過自發(fā)輻射回到2F7/2能級，部分會(huì)通過受激輻射回到2F7/2能級，還有一部分會(huì)通過交叉弛豫回到2F7/2能級，同時(shí)激發(fā)一些4I15/2能級的Er3+到4I11/2能級。由于4I11/2能級壽命較短，這些4I11/2能級上的Er3+又會(huì)無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)的4I13/2能級。在整個(gè)過程中，Yb3+充當(dāng)了泵浦光與Er3+之間的中間角色，不僅改善了Er3+高摻雜時(shí)的缺陷，同時(shí)由于Yb3+的吸收譜比較寬，極大擴(kuò)展了Er3+的泵浦光波長范圍。上述過程可以使用描述Yb3+和Er3+的粒子數(shù)密度變化的速率方程來表述，即［17］

式中，N1，Yb、N2，Yb為Yb3+在基態(tài)能級2F7/2和激發(fā)態(tài)能級2F5/2的粒子數(shù)密度；同理，N1，Er、N2，Er為Er3+在基態(tài)能級4I15/2和激發(fā)態(tài)能級4I13/2的粒子數(shù)密度；τYb和τEr是自發(fā)輻射壽命；Ktr表示交叉弛豫過程的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)；Cup表示Er3+的上轉(zhuǎn)換系數(shù)。

速率方程通過受激吸收率W12和發(fā)射率W21來模擬泵浦過程中不同能級上粒子數(shù)目的變化，由于Er3+其他幾個(gè)能級的壽命都很短，所以假設(shè)上下能級粒子數(shù)之和等于總粒子數(shù)。W12，Er與W21，Er表示由信號光引起的Er3+在基態(tài)能級與激發(fā)態(tài)能級之間的躍遷概率，W12，Yb與W21，Yb表示由泵浦光引起的Yb3+在基態(tài)能級與激發(fā)態(tài)能級之間的躍遷概率，下標(biāo)1、2 分別表示基態(tài)與激發(fā)態(tài)，詳細(xì)的計(jì)算過程為

式中，σap，Yb與σep，Yb表示Yb3+在泵浦波長處的吸收和發(fā)射截面，σas，Er與σes，Er表示Er3+在信號光波長處的吸收和發(fā)射截面；hvp和hvs表示泵浦光和信號光的光子能量；Γp和Γs表示泵浦光與信號光模場與光纖纖芯摻雜區(qū)域的重疊因子；Ac表示線性摻雜有效面積；Pp和Ps分別表示泵浦光和信號光在光纖中傳輸距離為z時(shí)的能量值。

通過速率方程可以分析泵浦光、信號光以及上能級粒子數(shù)在增益光纖中的相互作用結(jié)果，圖1 展示了對摻鉺光纖和鉺鐿共摻光纖的數(shù)值仿真結(jié)果。結(jié)果表明，在相同條件下增益光纖的長度與光-光轉(zhuǎn)化效率有直接聯(lián)系，存在一個(gè)最優(yōu)光纖長度。

圖1 不同長度摻雜光纖輸出功率的數(shù)值仿真模擬Fig.1 Numerical simulations of the output power of the doped fibers with different lengths

2 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1 光纖放大器結(jié)構(gòu)

研究的光纖放大器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由種子源輸出的激光進(jìn)入到光纖放大器中，采用兩級放大結(jié)構(gòu)對信號光進(jìn)行功率放大。其中，第一級為預(yù)放大級，由1∶99 保偏耦合器（OC-1）、保偏隔離器（ISO-1）、980 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦源（LD1）、保偏波分復(fù)用器（WDM）、纖芯直徑為9 μm 的保偏摻鉺光纖（EDF）和保偏隔離器（ISO-2）構(gòu)成；第二級為主放大級，包括四個(gè)940 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦源（LD2，3，4，5）和保偏合束器（COM）、纖芯直徑為12 μm 的保偏雙包層鉺鐿共摻光纖（EYDF）、保偏高功率隔離器（ISO-3）以及另一個(gè)1∶99 保偏耦合器（OC-2）。

圖2 高功率光纖放大器光路結(jié)構(gòu)Fig.2 High-power fiber amplifier optical path structure

實(shí)驗(yàn)中所使用的待放大信號源為一個(gè)非保偏單模半導(dǎo)體激光模塊，輸出功率范圍為10 mW，峰值波長為1 551 nm。種子信號光通過FC/APC 跳線頭輸入至放大光路中，輸入端耦合器分離1%信號光進(jìn)入光電探測器（PD-1）進(jìn)行采樣。信號光經(jīng)過摻鉺光纖時(shí)，在泵浦光作用下發(fā)生受激輻射放大，再經(jīng)過鉺鐿共摻光纖進(jìn)行第二次放大，輸出端耦合器同樣分離1%的信號光以供采樣檢測（PD-2）。光路所有的元器件均采用保偏器件，因此能獲得穩(wěn)定的、高信噪比的保偏放大信號輸出。實(shí)驗(yàn)使用全波段功率計(jì)（DHC GCI-08）與光譜儀（ANOD AQ6315E）記錄了第一級放大輸出與第二級放大輸出功率變化以及光譜變化，分析了放大器的優(yōu)化可能性與優(yōu)化方向。

2.2 自動(dòng)功率控制與結(jié)構(gòu)

由于半導(dǎo)體泵浦源電流和溫度的任何微小變化都會(huì)影響光纖放大器的輸出狀態(tài)［18］，為保證放大器的恒定輸出，穩(wěn)定可靠的泵浦驅(qū)動(dòng)控制電路至關(guān)重要。為了提高功率穩(wěn)定性以及降低整體的功耗，采用了由高速信號處理器芯片控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器泵浦源穩(wěn)定高效工作。整體系統(tǒng)組成如圖3（a）所示。

圖3 整機(jī)控制與結(jié)構(gòu)Fig.3 Complete machine control and structure

由計(jì)算機(jī)等設(shè)備發(fā)出的命令經(jīng)過數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Process，DSP）的處理，通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成為注入到泵浦半導(dǎo)體激光器的電流值，并通過電路檢測實(shí)際電流值返回到DSP 中計(jì)算處理。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)配置了溫度傳感器及半導(dǎo)體制冷器，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體制冷器主動(dòng)制冷以保持泵浦源輸出穩(wěn)定性。入射信號光與輸出信號光功率可以通過兩個(gè)光電探測器（PD1，2）獲取，通過實(shí)時(shí)采樣比對算法實(shí)現(xiàn)在沒有入射光時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)待機(jī)，維持最小功耗運(yùn)行。

空間應(yīng)用中，體積與重量是不可忽略的考量。體積優(yōu)化是減重的重要手段，除去所有必要的元器件外，重量來自于放大器的外殼、線路等結(jié)構(gòu)，縮減體積于簡化結(jié)構(gòu)有利于減輕重量。如圖3（b）所示，放大器結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)層、散熱層、電學(xué)層組成，光學(xué)層包括了所有的光學(xué)器件例如泵浦激光器，使得光纖只需要排布在同一水平面上，減少了光纖盤繞的困難，縮小了光纖盤繞所需要的空間體積。散熱層上側(cè)為光學(xué)模塊，下側(cè)為電學(xué)模塊，散熱層內(nèi)由導(dǎo)熱管分布在主要發(fā)熱器件底部。光學(xué)層與電學(xué)層安裝在散熱層正反面，這種光電分離的模塊化設(shè)計(jì)可以有效節(jié)約器件占用的空間成本，最終體積長20 cm、寬14 cm、高4 cm。同時(shí)考慮到半導(dǎo)體激光器的溫度敏感特性以及空間中散熱的特殊性，將光學(xué)部分與控制驅(qū)動(dòng)部分分別集成在不同的空間內(nèi)，散熱層中的導(dǎo)熱管會(huì)將產(chǎn)生的熱量傳遞到外接的熱處理設(shè)備上，使得所有器件無需過多考慮散熱空間或者增加散熱器件，結(jié)構(gòu)更加緊湊，還能保持良好的熱量分布。所有器件都通過開槽實(shí)現(xiàn)固定，減少螺釘使用量，不帶來額外重量，當(dāng)前機(jī)型采用鋁合金機(jī)殼和不銹鋼螺釘，整機(jī)重量0.8 kg，完成電學(xué)光學(xué)系統(tǒng)組裝后的原理樣機(jī)如圖4 所示。

圖4 小型化高功率光纖放大器原理樣機(jī)Fig.4 Compact high-power fiber amplifier principle prototype

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 第一級放大測試

第一級光路采用輸出波長為980 nm 的半導(dǎo)體激光器作為泵源，注入電流1 100 mA 時(shí)的輸出功率是619 mW，功耗為2.41 W，輸出波長為973.9 nm，注入電流與泵浦功率的測試結(jié)果如圖5（a）所示。輸入信號光峰值波長為1 551 nm，信噪比為33.92 dB，測試光譜如圖5（d）中嵌入圖所示。在第一級中通過摻鉺光纖時(shí)在976 nm 半導(dǎo)體激光器的泵浦作用下經(jīng)歷受激輻射放大，通過隔離器（ISO-2）后輸出，不同長度的摻鉺光纖下測得的輸出結(jié)果如圖5（c）所示，不同光纖長度對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率如圖5（b）所示。

圖5 第一級放大輸出Fig.5 Output of the first stage amplifier

圖5（c）中所示，在超過泵浦LD 閾值后，輸出功率近似線性增加，在LD 電流達(dá)到1 100 mA 時(shí)，18 m 增益光纖對應(yīng)的輸出功率為167.5 mW。泵浦光與信號光在增益光纖中同時(shí)由前向后傳輸，在傳輸過程中泵浦光不斷被吸收損耗，而信號光不斷被放大，如果增益光纖中泵浦光的能量減弱至消失，信號光就不會(huì)再被放大，反而會(huì)在傳輸過程中產(chǎn)生一定的損耗。在這種情況下，增益光纖越長，輸出功率越低。17 m 增益光纖對應(yīng)的輸出功率為168.1 mW，相比于18 m 增益光纖有較小提升，但轉(zhuǎn)換效率沒有提升?？芍?，最優(yōu)長度應(yīng)在17 m 左右，如繼續(xù)減短增益光纖長度，則增益不能達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，選擇合適長度的摻鉺光纖可以提高放大過程中的光光轉(zhuǎn)換效率，在最大注入電流作用下，18 m 鉺纖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為29%。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)使用18 m 長度的摻鉺光纖，選擇LD1 注入電流為900 mA，此時(shí)第一級輸出功率為147.7 mW，轉(zhuǎn)換效率為30%，輸出光譜如圖5 所示，信噪比為42 dB，在光譜中除了被放大的信號光，還有許多的ASE 光譜成分，以及種子源自身的噪聲成分，影響了最終的信噪比。

3.2 第二級輸出測試

第二級主放大級是第一級輸出信號光與四個(gè)最大輸出功率為8 W 的940 nm LD 通過合束器一起耦合進(jìn)一段鉺鐿共摻雙包層光纖中，經(jīng)過一個(gè)隔離器和耦合器之后獲得最終放大輸出。四個(gè)LD 在注入電流值為9 A 時(shí)，輸出功率達(dá)到約32 W，每個(gè)LD 輸出8 W，此時(shí)四個(gè)LD 的功耗為66.6 W。注入電流與泵浦功率的測試結(jié)果如圖6（a）所示。

圖6 第二級放大輸出Fig.6 Output of the second stage amplifier

選取不同長度的鉺鐿共摻光纖，在沒有輸出隔離器保護(hù)與有輸出隔離器保護(hù)的條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，輸出功率如圖6（b）所示。實(shí)驗(yàn)表明在輸出端接入高功率隔離器可以阻擋輸出端回返光導(dǎo)致的寄生振蕩，從而抑制放大過程中的增益競爭現(xiàn)象。當(dāng)鉺鐿共摻光纖為7.5 m 時(shí)，最大輸出功率為7.39 W；鉺鐿共摻光纖為7.7 m 時(shí)，最大輸出功率為7.8 W；圖6（d）與（e）展示了其最大功率輸出光譜測試結(jié)果。7.7 m 增益光纖長度下?lián)碛懈叩脑鲆?，但同時(shí)ASE 噪聲也獲得了較高的增益，此時(shí)信噪比36.79 dB。為了獲得良好的增益與信噪比，選擇7.5 m 的鉺鐿共摻光纖。圖6（e）對比了不同注入電流下的輸出光譜，在注入電流逐漸增大的過程中，ASE 逐漸增多，在最大9 A 的注入電流下，輸出信號功率為7.39 W，信噪比為40 dB。此時(shí)，整個(gè)放大器的功耗為69.01 W。

在實(shí)驗(yàn)中，通過保偏種子光進(jìn)行偏振消光比（Polarization Extinction Ratio，PER）測試，結(jié)果表示PER 約為17.5 dB，激光輸出保持線偏振。最終輸出信號的窄譜在圖6（e）中的嵌入圖給出，將測試數(shù)據(jù)與高斯曲線擬合，得到輸出信號激光的半高全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）為0.402 nm。圖6（f）給出了全功率下激光光束質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)以及二維輪廓圖，得到激光光束質(zhì)量因子M2為1.05。

4 結(jié)論

本文通過選取半導(dǎo)體激光器為泵浦源，將兩種增益光纖作為增益介質(zhì)設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有預(yù)放大級與主放大級的光纖放大器，該放大器可將8.7 mW 的1 551 nm 輸入信號光放大到功率最高為7.39 W 的保偏信號輸出，并保持40 dB 的信噪比，輸出激光線寬為0.402 nm，光束質(zhì)量因子M2為1.05?？梢允褂糜?jì)算機(jī)改變泵浦源的注入電流，從而改變最終的輸出功率。在5 W 的輸出功率下，整個(gè)放大器的功耗不會(huì)超過50 W，且整機(jī)采用模塊化、光電分離式的設(shè)計(jì)，所采用的器件通過合理擺放可以集成在小空間內(nèi)發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，長20 cm、寬14 cm、高4 cm，重量0.8 kg，特別適合在有功耗低、體積小等需求的場合下使用。在不同的應(yīng)用環(huán)境中，可以自由組合電學(xué)與光學(xué)部分來獲得不同的輸出性能，對空間激光通信有參考作用。