基于MOPA结构的1550 nm单频脉冲光纤激光器

温 强,王超梅,李 尧,余 洋,张 昆,张浩彬,朱 辰

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

能稳定工作在单纵模运转状态的光纤激光器被称为单频光纤激光器,它作为光纤激光技术领域正在快速发展的一个重要分支,被激光技术领域视为前言的热点研究课题之一,具有窄线宽、相干性好、低噪声、与光纤网络兼容性好的特点,因此在大功率相干合成、相干光通信、激光雷达、激光冷却与原子捕获、高精度光谱测量、引力波探测等领域得到广泛的应用[1-4]。特别是与1 μm波段相比,工作在1.5 μm波段的单频光纤激光光源因其波长范围涵盖了光纤通信的C窗口,使其在相干通信领域有着重要的作用。

单频激光指的是谐振腔的输出为单一纵模、单一横模、单一偏振状态的激光,约千赫兹量级的超窄激光线宽是单频激光器的重要特征。目前常见的单频光纤激光器通常采用单频激光种子源加多级光纤放大的主振荡功率放大(MOPA)结构,为了获得高峰值功率和高脉冲能量输出,通常采用脉冲工作形式。

2011年,中科院上海光学精密机械研究所Liu等[5]采用MOPA技术方案,利用单频连续光纤激光作为种子源,声光调制器(AOM)进行腔外调制,实现了中心波长1533 nm,平均功率1.16 W、单脉冲能量116 μJ,脉宽500 ns、重复频率10 kHz、线宽1.1 MHz的单频脉冲激光输出。2012年,美国亚利桑那大学E.Petersen等[6]采用NP Photonics公司中心波长1550 nm的单频种子源,利用任意波形发生器(AWG)和电光调制器(EOM)腔外调制,实现了脉宽3 ns、重复频率10 kHz、峰值功率128 kW、线宽200 MHz的窄线宽激光输出。2016年,北京工业大学张倩[7]等采用类似结构实现了平均功率1.17 W、脉宽602 ns、重复频率100 kHz的单频脉冲输出。2018年,华北光电技术研究所王雄飞等[8]实现了平均功率521 mW、脉宽200 ns、重复频率10 kHz、线宽1.9 kHz、峰值功率260 W的脉冲输出。

单频激光种子源包括线形腔、行波腔及复合腔等腔型结构。其中,采用直接在光纤纤芯上刻写布拉格光栅或相移光栅等窄带选模器件的DFB及DBR超短腔结构光纤激光器是得到窄线宽种子的最好方式。与其他方式相比,其输出光谱线宽可以达到几千赫兹,单频工作状态稳定,几乎不存在跳模现象,能够满足大多数应用的需求。超短腔DFB及DBR光纤激光器的输出功率通常在几十至几百毫瓦量级,后续需经过多级光纤放大。在放大过程中,峰值功率和单脉冲能量会受到多种非线性效应特别是受激布里渊散射(SBS)效应的限制。因此,对于单频光纤激光器来说,其面临的两个主要问题是稳定的单纵模运转及放大过程中的非线性效应抑制。

本文采用单频连续DFB半导体激光器作为种子源,得到稳定的单频种子激光,通过声光调制开关技术将其转换成脉冲信号,,获得百纳秒级的脉冲运转,经过两级光纤预放大及一级功率放大后,最终获得中心波长1550 nm、输出功率2.6 W、重复频率10 kHz、脉冲宽度260 ns、峰值功率1 KW的单频脉冲激光输出。整个激光器采用全光纤结构,通过多级放大和增益长度优化,有效抑制了SBS效应,减小了非线性效应对输出功率的影响。

2 实验方案

本实验设计的基于MOPA结构的全光纤1550 nm单频脉冲激光器结构示意图如图1所示。激光器由种子源、声光调制器及多级光纤放大器组成。

图1 单频脉冲光纤激光器结构图

种子源为中心波长1550 nm、线宽2.4 kHz、输出功率20.5 mW的外腔稳频DFB半导体激光器。种子源与声光调制器AOM相连,声光调制器用于发生脉冲和脉冲整形,将连续输出的种子光调制为脉宽为590 ns、重复频率10 kHz的脉冲信号。声光调制器后连接多级光纤放大器。一级预放大级采用保偏掺铒光纤(EDF)作为增益介质,中心波长976 nm的270 mW LD反向泵浦注入。二级预放大级采用双包层铒镱共掺保偏光纤(EYDF)作为增益介质,输出波长976 nm的3 W LD通过(2+1)×1合束器耦合进入二级预放大光路。二级预放大级与功率放大级之间通过一个10:90的光纤耦合器(coupler)连接,10 %的输出端用作回光监测,实时监测脉冲信号光的工作状态。经过两级预放大后的脉冲光进入功率放大级进行放大,中心波长976 nm的27 W LD正向泵浦注入光路,采用大芯径双包层铒镱共掺保偏光纤作为增益介质。各放大级之间均连接有隔离器和带宽1 nm的带通滤波器。隔离器的作用是防止后向光对前级光学元件造成损坏,滤波器的作用是滤除光路中的杂散光。包层光剥离器(CPS)可以滤除光路中的剩余泵浦光,优化输出特性。

3 结论与分析

为保证单频激光稳定输出,对种子源施加温控,以保证种子源能够保持在25 ℃的条件下进行工作。种子源输出单频连续激光,功率20.5 mW,经过声光调制器调制为重复频率10 kHz的单频脉冲激光,脉宽542 ns。图2为经过声光调制器后的脉冲种子光波形。由于声光调制器会对种子光功率造成较大的损耗,输出功率很小无法实现直接放大,因此在注入功率放大级前先经过两次预放大,以保证后级有足够的信号光注入。

图2 声光调制器输出光脉冲波形图

全光纤MOPA结构在1550 nm处要获得最好的脉冲输出的方法是使用带有过滤ASE的多级放大结构。但前提是各级使用合适的纤芯直径的增益光纤,使系统中每级放大都能够使用最短的增益光纤从而减少有害的ASE[9]。每级放大器的优化是为了获得最好的信噪比,而不是在预放大结束时获得最大的脉冲功率,在光纤放大结构中不合适的增益放大会导致隐藏的ASE快速增长。

因此,一级预放大级采用的增益光纤为纤芯直径7 μm的单模保偏掺铒光纤。光纤长度为1 m时,激射光谱中有大量泵浦光存在,有较多未被吸收的泵浦光。将增益光纤长度增加至1.5 m后,泵浦光被完全吸收,激光最大输出功率21.45 mW,中心波长1550.103 nm。一级预放大级输出光谱图如图3所示。

图3 一级预放大级输出激光中心波长光谱图

二级预放大级采用纤芯直径12 μm,内包层直径130 μm的铒镱共掺双包层保偏光纤作为增益介质,长度1.5 m。图4为激光输出光谱,可见光谱中有少量的放大自发辐射(ASE)存在。光路中滤波器可以起到滤除ASE的作用,滤除后的激光输出光谱如图5所示。图6为二级预放大级的功率输出特性曲线,由图可见,预放大级激光输出功率随泵浦功率呈线性增长,没有出现增益饱和现象,泵浦功率 2.8 W时,输出功率253.6 mW。

图4 二级预防大隔离器后输出光谱图

图5 二级预防大滤波器后输出光谱图

图6 预放大级二输出功率特性曲线

功率放大级是提升单频光纤激光器输出功率的关键,功率提升的主要限制因素是SBS阈值。SBS阈值表示为:

其中,Aeff为纤芯有效模场面积;gB为SBS增益因子;Leff为有效光纤长度。从上式中可以看出,增加纤芯直径和有效模场面积Aeff、减小光纤有效长度Leff、减小SBS增益因子gB都可以提升SBS阈值。此外,使用较低的数值孔径(NA)的光纤能够保持单模运行。保偏光纤放大器由于纤芯截面积较小,光纤较长,极易产生SBS效应。因此,在选取的光纤有限模场面积和增益因子确定的情况下,将增益光纤截短是提高SBS阈值行之有效的方法。

在本级采用纤芯直径25 μm,内包层直径300 μm的大芯径双包层铒镱共掺保偏光纤,在915 nm处的吸收系数为2.74 dB。

图7为增益光纤长度分别为1.3 m和1 m时,功率放大级输出激光的功率特性曲线。由图可见,不同长度的增益光纤对应的光光转换效率基本相同,但是,光纤长度的改变却对SBS的阈值有较大影响。实验发现,增益光纤长度1.3 m,输出无源尾纤长度1.5 m的条件下,输出功率1.9 W时光谱中开始观察到SBS出现；将增益光纤截短至1 m,无源输出尾纤截短至0.5 m,SBS出现的阈值提高至2.6 W。由此可见光纤长度对提高SBS阈值的影响。除了采取缩短增益光纤的方法提高SBS阈值外,下一步将考虑对增益光纤施加外部应力。这是因为光纤介质的声学和热学等特性会影响SBS的频移和功率[10-12]。当光纤温度不变时,对光纤施加应力,改变杨氏模量可提高SBS阈值,达到更优效果。图8为功率放大级输出激光光谱,中心波长1550.083 nm。

图7 脉冲功率放大级输出功率随泵浦功率的变化曲图

图8 脉冲放大级输出光谱

图9为功率放大级输出激光的时间特性。激光脉冲重复频率10 kHz,脉宽260 ns。脉宽的压缩是由于脉冲前沿对泵浦功率的提取效率较高,导致脉冲前沿放大倍数较高造成的。

图9 脉冲放大级脉冲波形图

至此,泵浦功率15.9 W时,基于MOPA结构的1550 nm全光纤单频脉冲激光器实现了平均功率2.6 W、重复频率10 kHz、脉宽260 ns的单频脉冲激光输出,未出现SBS现象,此时对应峰值功率达1 kW,光-光转换效率16.7 %。

在实验过程中,光纤熔接产生的角度偏差、气泡等接头损耗导致一定的光功率损失,影响了此结构的光-光转换效率。下一步将提升光纤熔接质量,尽可能减少接头损耗。

4 结 论

综上所述,全光纤1550 nm单频脉冲光纤激光器采用MOPA结构,单频半导体激光种子源经声光调制器调制为脉冲光,后经两级预放大及一级功率放大,实现了平均功率2.6 W、重复频率10 kHz、脉宽260 ns的单频脉冲激光输出,峰值功率达1 kW。为在功率提升的同时保证输出激光的光束质量,对各级增益光纤和无源光纤的长度进行了优化,预放大级使用最佳长度的增益光纤,从而抑制在1535～1544 nm波长范围内的带外ASE；功率放大级对光纤长度的优化提高了SBS阈值。在激光器各级之间均连接隔离器和滤波器,在净化光谱的同时,可以有效保护元器件不受损伤。下一步,将对该结构继续进行改进,如采用双向泵浦、对功率放大级增益光纤施加应力、提升熔接质量等手段,以保证获得更好的输出功率及更高的转换效率。