寬帶摻鐿光纖放大器噪聲特性研究中文摘要

20 世紀 80 年代中期，光通信迅猛發(fā)展、光纖制造工藝以及半導體激光器生產(chǎn)技術日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進的化學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入了一個快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級結構簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發(fā)態(tài)吸收，轉換效率高，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/激光器具有獨特的優(yōu)勢。但當時采用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構成，要求泵浦光必須直接耦合進直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對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為只能是一種低功率的光子器件。

80 年代末，美國寶麗來提出了以雙包層光纖為基礎的包層泵浦技術，改變了光纖放大器只能作為一種小功率光子器件的歷史，為瓦級甚至更高功率的光纖放大器的實現(xiàn)提供了堅實的基礎。雙包層光纖的研制成功以及包層泵浦技術的運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"形槽耦合泵浦技術在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出;放大系統(tǒng)小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。德國 Jena 大學 A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場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構，實現(xiàn)了波長 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對注入抽運光功率的斜率效率達 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 合束器實現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長度約為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，保持了輸入信號光的優(yōu)良光譜特性。實驗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 報道了一種波長為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經(jīng)過一個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，第一級放大器輸出經(jīng)過一個窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級的冷卻的鐿纖。第一級的最大輸出功率為 2.8W,且信噪比達到 30dB。為達到更高的輸出功率，將第一級功率為 1.7W 的輸出作第二級放大，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構緊湊、波長可調諧、散熱性好和高的轉換效率受到人們的青睞;包層泵浦技術又突破了普通光纖輸出功率上的制約;Yb3+具有簡單的能級結構、寬的吸收帶和大的發(fā)射截面，便于泵浦和獲得高的轉化效率。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)點之外，又可在高功率條件下運作，成為發(fā)展高功率激光器的重要候選?，F(xiàn)在報道的單個光纖激光器輸出功率已超過 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。一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出 100W 的光功率，多個多模泵浦二極管并行設置，可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器;

2) 模式質量好。通過設計大纖芯和小的數(shù)值孔徑，光纖中只有幾個模式;無需熱電冷卻器。這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風冷，成本低;

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

4) 效率高。泵浦光多次橫穿過光纖纖芯，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活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運轉壽命超過 100 萬小時。

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

隨著大模場面積摻雜雙包層光纖和大功率半導體激光器(LD)的技術成熟，脈沖光纖放大器的研究也獲得了飛速發(fā)展，脈沖峰值功率越來越高。脈沖光纖放大器由于具有高光束質量、便于熱管理、光纖輸出、結構緊湊等優(yōu)勢，正廣泛運用于軍事，精密加工、醫(yī)療、太空通信等多個領域。窄脈寬、高功率、高光束質量的的脈沖光纖放大器已成為研究的重點。

04 年，英國的 Southampton 大學的 A.malinowski 等人報道了一種全光纖放大系統(tǒng)，以摻鐿光纖激光器為種子源，用兩級摻鐿雙包層光纖放大器進行放大，最后用光柵對壓縮，在 62MHz 時獲得了 110fs，400nJ 的脈沖。 2005 年，美國的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調 Q 的 Nd:LSB 微片激光器為種子源，通過雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實驗結構圖，在10kHz 時，獲得了 1ns，1mJ 的脈沖。

2006 年 6 月，英國南安普頓大學的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結構的雙包層光纖進行放大，實現(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經(jīng)雙級單模前置放大后，級聯(lián)兩級 LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過 5MW的脈沖輸出。

國內一些單位也開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所、清華大學、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。 2004 年，上海光機所的孔令峰等人用調 Q 激光器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質，在 20kHz 時放大到了 0.3mJ 的脈沖能量。 2005 年，清華大學的葉昌庚等人報道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)。以調 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，在 200Hz時，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，國內外脈沖高功率光纖放大器的實驗研究主要采用的還是分立元器件設計，不利于提高激光器的穩(wěn)定性。本文中將采用 MOPA 結構設計全光纖脈沖放大結構，實現(xiàn)了平均功率 2W、重復頻率 50KHz、脈沖寬度為 20ns 的窄脈沖激光輸出。