用于空间通信的小型化高功率低噪声光纤放大器

陈文韬，徐剑秋，欧阳春梅

（1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

（2 苏州市激光智能制造技术研究所，江苏 苏州 215000）

0 引言

1.5 μm 波段的光纤激光器与放大器具有对人眼无害的优异特性，被广泛应用于空间激光通信、高分辨率传感、激光雷达、光纤通信等领域［1-6］。研究发现，可以使用拉曼激光器、掺铒光纤激光器（Erbium Doped Fiber Laser，EDFL）以及铒镱共掺光纤激光器（Erbium-Ytterbium co-Doped Fiber Laser，EYDFL）来产生1.5 μm 波段的激光［7-8］。随着航天技术的蓬勃发展，空间通信尤其是微波光传输系统非常需要高功率、高效率的激光器与放大器来满足其速率高、容量大、传输距离长的要求［9］。星间微波光子系统通过将微波信号调制到激光上来传输到另一颗卫星，信号经远距离传输后损耗很大，需要利用掺铒光纤放大器作为前置放大器来提高信噪比［10］。要获得较高功率输出，采用更大纤径的增益光纤是最好的选择，但是纯掺铒的光纤激光器的输出功率受到铒离子的聚集和成对诱导的猝灭效应的限制。2014年KOTOV L V 等使用纤芯直径为34 μm 的掺铒光纤作为增益介质，在1 585 nm 波长处获得了功率为103 W 的单频窄线宽激光输出，但光束质量非常差［11］。人们通过将镱离子（Ytterbium ion，Yb3+）与铒离子（Erbium ion，Er3+）共掺杂以增加光纤中铒的掺杂剂浓度来缓解这些问题。2018年，YANG Changsheng 等［12］利用纤芯直径为25 μm 的大模场面积铒镱共掺保偏双包层光纤，获得了功率为15 W、线宽为4.5 kHz、偏振消光比大于23 dB 的1 603 nm 连续单频激光输出。虽然大纤径光纤拥有更多的掺杂粒子数和更大的泵浦光作用面积，可以获得高功率输出，但由于较差的弯曲特性，需要体积更大的结构来承载［13］。

在空间应用中，掺铒光纤放大器的转换效率是关键的性能指标，因为这涉及到整个激光放大器的供电效率、散热和体积重量［14］。掺铒光纤放大器经过多年的发展，要进一步提升其效率需从改进光纤性能、光纤器件和泵浦技术方面入手，在综合考虑可靠性和持续性的基础上，寻求提升效率的方法。本文基于自动功率控制的算法设计、模块化的结构设计以及两级放大的光学设计，设计了输出最大功率为7.39 W 的小型光纤放大器。

1 理论分析

1.1 掺铒光纤放大器

通常情况下，Er3+参与受激辐射放大过程的能级有三个：泵浦能级4I11/2，激光上能级4I13/2和基态能级4I15/2。由于4I13/2能级的低能级一侧没有其它靠得较近的能级，因此具有很长的能级寿命，这部分弥补了Er3+的跃迁几率不高的短板，使得Er3+可以被低功率的半导体激光器（Laser Diode，LD）进行有效泵浦。对于三能级系统，其粒子数的速率方程为［15］

式中，t表示时间；在各能级上的粒子数分别为n3（泵浦能级）、n2（激光上能级）和n1（激光下能级）；τ3和τ2分别是泵浦能级和激光上能级的寿命；光子数分布函数ϕ是关于频率v的函数，其包含了泵浦光、信号光和放大自发辐射（Amplification of Spontaneous Emission，ASE）的所有光谱成分；泵浦吸收截面σap、激光吸收截面σa、激光发射截面σe都是与其相互作用的激光频率的函数；Γk、Γkp分别表示激光、泵浦光的重叠因子，是考虑光纤中光场分布与掺杂浓度分布重叠效应的等效因子。

1.2 铒镱共掺放大器

Er3+在高掺杂时所表现出的能级上转化以及高浓度下Er3+之间的强相互作用引起的离子聚集会导致浓度猝灭的缺陷，限制了掺铒光纤放大器输出功率上限。研究表明，在掺杂时加入其他共掺离子可以有效地抑制Er3+的聚集［16］。尤其，将Yb3+作为共掺离子时不仅能够避免Er3+聚集，而且由于Yb3+特殊的能级结构，在Yb3+与Er3+之间可以产生对应能级结构的能量传递过程，间接地提高了泵浦效率。

在粒子转换过程中，Yb3+首先从基态能级2F7/2跃迁到激发态能级2F5/2，被激发的部分Yb3+会通过自发辐射回到2F7/2能级，部分会通过受激辐射回到2F7/2能级，还有一部分会通过交叉弛豫回到2F7/2能级，同时激发一些4I15/2能级的Er3+到4I11/2能级。由于4I11/2能级寿命较短，这些4I11/2能级上的Er3+又会无辐射跃迁到亚稳态的4I13/2能级。在整个过程中，Yb3+充当了泵浦光与Er3+之间的中间角色，不仅改善了Er3+高掺杂时的缺陷，同时由于Yb3+的吸收谱比较宽，极大扩展了Er3+的泵浦光波长范围。上述过程可以使用描述Yb3+和Er3+的粒子数密度变化的速率方程来表述，即［17］

式中，N1，Yb、N2，Yb为Yb3+在基态能级2F7/2和激发态能级2F5/2的粒子数密度；同理，N1，Er、N2，Er为Er3+在基态能级4I15/2和激发态能级4I13/2的粒子数密度；τYb和τEr是自发辐射寿命；Ktr表示交叉弛豫过程的能量转换系数；Cup表示Er3+的上转换系数。

速率方程通过受激吸收率W12和发射率W21来模拟泵浦过程中不同能级上粒子数目的变化，由于Er3+其他几个能级的寿命都很短，所以假设上下能级粒子数之和等于总粒子数。W12，Er与W21，Er表示由信号光引起的Er3+在基态能级与激发态能级之间的跃迁概率，W12，Yb与W21，Yb表示由泵浦光引起的Yb3+在基态能级与激发态能级之间的跃迁概率，下标1、2 分别表示基态与激发态，详细的计算过程为

式中，σap，Yb与σep，Yb表示Yb3+在泵浦波长处的吸收和发射截面，σas，Er与σes，Er表示Er3+在信号光波长处的吸收和发射截面；hvp和hvs表示泵浦光和信号光的光子能量；Γp和Γs表示泵浦光与信号光模场与光纤纤芯掺杂区域的重叠因子；Ac表示线性掺杂有效面积；Pp和Ps分别表示泵浦光和信号光在光纤中传输距离为z时的能量值。

通过速率方程可以分析泵浦光、信号光以及上能级粒子数在增益光纤中的相互作用结果，图1 展示了对掺铒光纤和铒镱共掺光纤的数值仿真结果。结果表明，在相同条件下增益光纤的长度与光-光转化效率有直接联系，存在一个最优光纤长度。

图1 不同长度掺杂光纤输出功率的数值仿真模拟Fig.1 Numerical simulations of the output power of the doped fibers with different lengths

2 结构与设计

2.1 光纤放大器结构

研究的光纤放大器结构如图2 所示，由种子源输出的激光进入到光纤放大器中，采用两级放大结构对信号光进行功率放大。其中，第一级为预放大级，由1∶99 保偏耦合器（OC-1）、保偏隔离器（ISO-1）、980 nm 半导体激光器泵浦源（LD1）、保偏波分复用器（WDM）、纤芯直径为9 μm 的保偏掺铒光纤（EDF）和保偏隔离器（ISO-2）构成；第二级为主放大级，包括四个940 nm 半导体激光器泵浦源（LD2，3，4，5）和保偏合束器（COM）、纤芯直径为12 μm 的保偏双包层铒镱共掺光纤（EYDF）、保偏高功率隔离器（ISO-3）以及另一个1∶99 保偏耦合器（OC-2）。

图2 高功率光纤放大器光路结构Fig.2 High-power fiber amplifier optical path structure

实验中所使用的待放大信号源为一个非保偏单模半导体激光模块，输出功率范围为10 mW，峰值波长为1 551 nm。种子信号光通过FC/APC 跳线头输入至放大光路中，输入端耦合器分离1%信号光进入光电探测器（PD-1）进行采样。信号光经过掺铒光纤时，在泵浦光作用下发生受激辐射放大，再经过铒镱共掺光纤进行第二次放大，输出端耦合器同样分离1%的信号光以供采样检测（PD-2）。光路所有的元器件均采用保偏器件，因此能获得稳定的、高信噪比的保偏放大信号输出。实验使用全波段功率计（DHC GCI-08）与光谱仪（ANOD AQ6315E）记录了第一级放大输出与第二级放大输出功率变化以及光谱变化，分析了放大器的优化可能性与优化方向。

2.2 自动功率控制与结构

由于半导体泵浦源电流和温度的任何微小变化都会影响光纤放大器的输出状态［18］，为保证放大器的恒定输出，稳定可靠的泵浦驱动控制电路至关重要。为了提高功率稳定性以及降低整体的功耗，采用了由高速信号处理器芯片控制的驱动系统，以驱动半导体激光器泵浦源稳定高效工作。整体系统组成如图3（a）所示。

图3 整机控制与结构Fig.3 Complete machine control and structure

由计算机等设备发出的命令经过数字信号处理芯片（Digital Signal Process，DSP）的处理，通过数字模拟转换电路转化成为注入到泵浦半导体激光器的电流值，并通过电路检测实际电流值返回到DSP 中计算处理。驱动系统同时配置了温度传感器及半导体制冷器，实时监测温度数据，半导体制冷器主动制冷以保持泵浦源输出稳定性。入射信号光与输出信号光功率可以通过两个光电探测器（PD1，2）获取，通过实时采样比对算法实现在没有入射光时系统自动待机，维持最小功耗运行。

空间应用中，体积与重量是不可忽略的考量。体积优化是减重的重要手段，除去所有必要的元器件外，重量来自于放大器的外壳、线路等结构，缩减体积于简化结构有利于减轻重量。如图3（b）所示，放大器结构主要由光学层、散热层、电学层组成，光学层包括了所有的光学器件例如泵浦激光器，使得光纤只需要排布在同一水平面上，减少了光纤盘绕的困难，缩小了光纤盘绕所需要的空间体积。散热层上侧为光学模块，下侧为电学模块，散热层内由导热管分布在主要发热器件底部。光学层与电学层安装在散热层正反面，这种光电分离的模块化设计可以有效节约器件占用的空间成本，最终体积长20 cm、宽14 cm、高4 cm。同时考虑到半导体激光器的温度敏感特性以及空间中散热的特殊性，将光学部分与控制驱动部分分别集成在不同的空间内，散热层中的导热管会将产生的热量传递到外接的热处理设备上，使得所有器件无需过多考虑散热空间或者增加散热器件，结构更加紧凑，还能保持良好的热量分布。所有器件都通过开槽实现固定，减少螺钉使用量，不带来额外重量，当前机型采用铝合金机壳和不锈钢螺钉，整机重量0.8 kg，完成电学光学系统组装后的原理样机如图4 所示。

图4 小型化高功率光纤放大器原理样机Fig.4 Compact high-power fiber amplifier principle prototype

3 实验结果与分析

3.1 第一级放大测试

第一级光路采用输出波长为980 nm 的半导体激光器作为泵源，注入电流1 100 mA 时的输出功率是619 mW，功耗为2.41 W，输出波长为973.9 nm，注入电流与泵浦功率的测试结果如图5（a）所示。输入信号光峰值波长为1 551 nm，信噪比为33.92 dB，测试光谱如图5（d）中嵌入图所示。在第一级中通过掺铒光纤时在976 nm 半导体激光器的泵浦作用下经历受激辐射放大，通过隔离器（ISO-2）后输出，不同长度的掺铒光纤下测得的输出结果如图5（c）所示，不同光纤长度对应的光-光转换效率如图5（b）所示。

图5 第一级放大输出Fig.5 Output of the first stage amplifier

图5（c）中所示，在超过泵浦LD 阈值后，输出功率近似线性增加，在LD 电流达到1 100 mA 时，18 m 增益光纤对应的输出功率为167.5 mW。泵浦光与信号光在增益光纤中同时由前向后传输，在传输过程中泵浦光不断被吸收损耗，而信号光不断被放大，如果增益光纤中泵浦光的能量减弱至消失，信号光就不会再被放大，反而会在传输过程中产生一定的损耗。在这种情况下，增益光纤越长，输出功率越低。17 m 增益光纤对应的输出功率为168.1 mW，相比于18 m 增益光纤有较小提升，但转换效率没有提升。可知，最优长度应在17 m 左右，如继续减短增益光纤长度，则增益不能达到饱和状态。因此，选择合适长度的掺铒光纤可以提高放大过程中的光光转换效率，在最大注入电流作用下，18 m 铒纤所对应的转换效率为29%。

在后续实验中继续使用18 m 长度的掺铒光纤，选择LD1 注入电流为900 mA，此时第一级输出功率为147.7 mW，转换效率为30%，输出光谱如图5 所示，信噪比为42 dB，在光谱中除了被放大的信号光，还有许多的ASE 光谱成分，以及种子源自身的噪声成分，影响了最终的信噪比。

3.2 第二级输出测试

第二级主放大级是第一级输出信号光与四个最大输出功率为8 W 的940 nm LD 通过合束器一起耦合进一段铒镱共掺双包层光纤中，经过一个隔离器和耦合器之后获得最终放大输出。四个LD 在注入电流值为9 A 时，输出功率达到约32 W，每个LD 输出8 W，此时四个LD 的功耗为66.6 W。注入电流与泵浦功率的测试结果如图6（a）所示。

图6 第二级放大输出Fig.6 Output of the second stage amplifier

选取不同长度的铒镱共掺光纤，在没有输出隔离器保护与有输出隔离器保护的条件下进行对比实验，输出功率如图6（b）所示。实验表明在输出端接入高功率隔离器可以阻挡输出端回返光导致的寄生振荡，从而抑制放大过程中的增益竞争现象。当铒镱共掺光纤为7.5 m 时，最大输出功率为7.39 W；铒镱共掺光纤为7.7 m 时，最大输出功率为7.8 W；图6（d）与（e）展示了其最大功率输出光谱测试结果。7.7 m 增益光纤长度下拥有更高的增益，但同时ASE 噪声也获得了较高的增益，此时信噪比36.79 dB。为了获得良好的增益与信噪比，选择7.5 m 的铒镱共掺光纤。图6（e）对比了不同注入电流下的输出光谱，在注入电流逐渐增大的过程中，ASE 逐渐增多，在最大9 A 的注入电流下，输出信号功率为7.39 W，信噪比为40 dB。此时，整个放大器的功耗为69.01 W。

在实验中，通过保偏种子光进行偏振消光比（Polarization Extinction Ratio，PER）测试，结果表示PER 约为17.5 dB，激光输出保持线偏振。最终输出信号的窄谱在图6（e）中的嵌入图给出，将测试数据与高斯曲线拟合，得到输出信号激光的半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）为0.402 nm。图6（f）给出了全功率下激光光束质量的测试数据以及二维轮廓图，得到激光光束质量因子M2为1.05。

4 结论

本文通过选取半导体激光器为泵浦源，将两种增益光纤作为增益介质设计了一个拥有预放大级与主放大级的光纤放大器，该放大器可将8.7 mW 的1 551 nm 输入信号光放大到功率最高为7.39 W 的保偏信号输出，并保持40 dB 的信噪比，输出激光线宽为0.402 nm，光束质量因子M2为1.05。可以使用计算机改变泵浦源的注入电流，从而改变最终的输出功率。在5 W 的输出功率下，整个放大器的功耗不会超过50 W，且整机采用模块化、光电分离式的设计，所采用的器件通过合理摆放可以集成在小空间内发挥作用，结构紧凑体积小，长20 cm、宽14 cm、高4 cm，重量0.8 kg，特别适合在有功耗低、体积小等需求的场合下使用。在不同的应用环境中，可以自由组合电学与光学部分来获得不同的输出性能，对空间激光通信有参考作用。