基于915 nm 泵浦的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器

郭欣宇，王薊，賈蘇蒙，白笑語，張永熙

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

近年來，隨著通信技術的快速發展，對用于光通信的光纖放大器和光纖激光器的輸出功率提出了更高的要求，為了實現遠距離、大容量通信，實驗搭建了高功率的光纖放大器和光纖激光器［1-6］。然而，普通光纖放大器通常采用摻鉺光纖作為增益介質，輸出功率較低，為了獲得更高的輸出功率，可以采用鉺鐿共摻雙包層光纖作為光纖放大器的增益介質［7-12］。鉺鐿共摻雙包層光纖放大器通常采用輸出波長為975 nm 或915 nm 的半導體激光器作為泵浦源，由于鐿離子在975 nm 處的吸收帶寬很窄，溫度等外界因素會使泵浦源的工作波長發生漂移，導致鐿離子對泵浦光的吸收減少，從而降低了放大器的輸出功率。但鐿離子在915 nm 處有很寬的吸收帶，且泵浦波長的變化對吸收系數影響很小，因此采用915 nm 的半導體激光器作為鉺鐿共摻雙包層光纖放大器的泵浦源，可以實現穩定的功率輸出［13-15］。文中設計搭建了級聯光纖放大系統，用摻鉺光纖放大器作為預放大級，915 nm 半導體激光器泵浦的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器作為功率放大級，對1 540～1 565 nm 波段的10 mW信號光進行了功率放大，在1 565 nm 處獲得了1.106 W 的最大輸出功率。

1 系統搭建

級聯光纖放大系統結構如圖1 所示，摻鉺光纖放大器作為預放大級，鉺鐿共摻雙包層光纖放大器作為功率放大級。一個窄線寬可調諧半導體激光器作為信號光源，最大信號光輸出功率為10 mW，波長調諧范圍為1 540～1 565 nm。信號光經過光隔離器進入摻鉺光纖放大器，摻鉺光纖放大器由作為泵浦源的單模半導體激光器（LD）、980/1550 波分復用器（WDM）、一段11.4 m長的摻鉺光纖和隔離器構成。LD 使用的是Ⅱ-Ⅵ公司的單模半導體激光器，最大輸出功率500 mW，泵浦光通過波分復用器注入摻鉺光纖，摻鉺光纖使用的是Nufern 公司的EDFC-980-HA C 波段單模摻鉺光纖，信號光經摻鉺光纖放大器放大后，注入到鉺鐿共摻雙包層光纖放大器中。鉺鐿共摻雙包層光纖放大器由作為泵浦源的915 nm半導體激光器、合束器、隔離器、11 m 長的鉺鐿共摻雙包層光纖構成。915 nm 半導體激光器的最大輸出功率為10 W，合束器是（2+1）×1 泵浦光+信號光合束器，增益介質使用的是Nufern 公司的SM-EYDF-6/125-HE 鉺鐿共摻雙包層光纖，鉺鐿共摻雙包層光纖后連接一個隔離器，防止回光損傷器件，信號光經過隔離器輸出端實現激光輸出。隔離器輸出端分別接入光纖光譜儀（YOKOGAWA，AQ6375）和光功率計對輸出的激光光譜和功率進行測試。

圖1 級聯光纖放大系統實驗原理圖

2 實驗結果分析

2.1 預放大級輸出功率及光譜

級聯光纖放大器的信號光為可調諧半導體激光，光功率為10 mW，波長調諧范圍為1 540～1 565 nm。由波長1 540 nm 開始，以5 nm 為步長間隔，測量了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 六個波長下的預放大級輸出功率及光譜。信號光功率10 mW 時，預放大級輸出功率特性曲線如圖2 所示，圖2（a）是不同信光波長時預放大級輸出功率隨泵浦功率的變化，圖2（b）是泵浦功率為500 mW 時預放大級輸出功率隨信號光波長的變化。由圖2（a）可知，對于不同波長的信號光，預放大級輸出功率都會隨著泵浦功率的增加不斷增大，在波長1 550 nm處，預放大級輸出功率最高，為153.67 mW，對應斜率效率為28.7%。在波長1 540 nm、1 545 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 處，預放大級的斜率效率分別為28.1%、28.6%、28.4%、28.2%、28.5%。當泵浦功率為500 mW 時，預放大級輸出功率隨信號光波長的變化如圖2（b）所示，以1 550 nm為中心波長，波長偏離1 550 nm 越遠，放大器輸出功率越小，這主要是由增益光纖中鉺離子在不同波長處的吸收發射截面不同所決定的。

圖2 光纖預放大級輸出功率特性曲線

在不同信號光波長下，對預放大級的輸出光譜進行了測量，結果如圖3 所示。圖3（a）～（f）分別給出了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 信號光波長下，預放大后的輸出光譜圖。由圖3（a）可見，當信號光波長為1 540 nm 時，經過預放大后的激光在1 560 nm波長附近出現了ASE，圖3（b）～（f）是信號光波長在1 545～1 565 nm 的預放大光譜，信號光被很好地放大，幾乎沒有ASE 的存在。

圖3 不同信號光波長時預放大級輸出光譜

2.2 功率放大級輸出功率及光譜

將預放大級泵浦功率設定為500 mW，信號光經過預放大后進入作為功率放大級的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器，隨著鉺鐿共摻雙包層光纖放大器的泵浦功率的增加，實驗得到了不同信號光波長的輸出功率特性曲線，如圖4 所示。圖4（a）為不同信號光波長時鉺鐿共摻雙包層光纖放大器輸出功率隨泵浦功率的變化，隨泵浦功率的增加放大器輸出功率不斷增大，在1 565 nm處，放大功率最高為1.106 W，對應斜率效率為23.5%。在1 540 nm、1 545 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 處，功率放大級的斜率效率分別為17.9%、19.8%、20.3%、22%、22.8%。當泵浦功率為4.7 W 時，鉺鐿共摻雙包層光纖放大器輸出功率隨信號光波長的變化如圖4（b）所示，隨著信號光波長向長波長移動，放大功率逐漸增加，在1 550～1 555 nm 波段，放大級功率增加得最快，并且當信號光波長大于1 550 nm 時，輸出功率并沒有出現與預放大級類似的逐漸降低的現象。

圖4 預放大級泵浦功率500 mW 時功率放大級輸出功率特性曲線

對不同信號光波長下的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器輸出光譜進行了測量，結果如圖5 所示。圖5（a）～（f）分別給出了1 540 nm、1 545 nm、1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm、1 565 nm 信號光波長下的輸出光譜圖。從圖中可以看出，當1 540 nm波長的信號光被放大后，在1 560 nm 波長附近有較強的ASE。隨著信號光波長向長波長方向移動，ASE 逐漸減小，信號光波長在1 550～1 565 nm波段，ASE 得到較好的抑制，輸出激光的信噪比更高。

圖5 不同信號光波長時功率放大級輸出光譜

3 結論

搭建了級聯光纖放大系統，用摻鉺光纖放大器作為預放大級，915 nm 半導體激光器泵浦的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器作為功率放大級，由于915 nm 半導體激光器泵浦源的引入，有效降低了系統噪聲，提高輸出功率，實現了激光的穩定輸出。當輸入信號功率為10 mW，預放大級的泵浦功率為500 mW，功率放大級的泵浦功率為4.7 W 時，在1 565 nm 波長，獲得了級聯放大器的最高輸出功率為1.106 W。