CN106785836A - 一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器 - Google Patents

一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器 Download PDF

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Abstract

一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器，包括第一和第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、980nm激光二极管、980/1550保偏光纤隔离波分复用器、掺Er光纤、1480nm激光二极管、保偏光纤滤波器、1:99保偏光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器。两个激光二极管输出的泵浦光注入掺Er光纤，形成激光增益，放大激光功率；在光纤放大器中加入了1480nm泵浦波长，可将部分Er离子从基态能级直接泵浦到激光上能级，实现对放大器增益的宽带控制；采用对激光强度噪声的反馈控制环路，即可实现对驰豫振荡频率附近及低频噪声的有效抑制。

Description

一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域中的光纤放大器，具体涉及一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器。
背景技术
低噪声、单频、窄线宽的C波段(波长为1528.77nm～1560.61nm)激光源在高速激光通信、相干激光探测和微波光子学等领域具有广泛的应用。这类光源主要包括半导体激光器和掺Er光纤激光器。与半导体激光器相比，掺Er光纤激光器的线宽更窄，可达到1kHz以内，而自由运转的半导体激光器的线宽通常为100kHz以上。但是，掺Er光纤激光器通常存在较强的强度噪声，该噪声是由弛豫振荡造成的，弛豫振荡的峰值频率一般位于200kHz～2MHz。
对于上述激光强度噪声，可采用光纤放大器进行抑制。D.Q.Pan等人提出利用掺Er光纤放大器的增益饱和效应来抑制激光强度噪声(Z Q Pan,J Zhou,F Yang,Q Ye,H WCai,R H Qu and Z J Fang,Low-frequency noise suppression of a fiber laserbased on a round-trip EDFA power stabilizer,Laser Physics,23(2013),03510501-03510504)，公开了双程光纤放大器装置，包括单频光纤激光器、光环形器、掺Er光纤、光纤波分复用器、可调光衰减器、法拉第反射镜和泵浦光源。从单频光纤激光器中产生的激光通过光环形器进入掺Er光纤，在泵浦光源的作用下，在掺Er光纤内形成增益，从而实现对激光的第一次放大，被放大的激光通过光纤波分复用器和可调光衰减器，被法拉第反射镜反射后再依次通过可调光衰减器和光纤波分复用器，再次从反向进入掺Er光纤，实现第二次放大，最后通过光环形器输出。该装置可以抑制激光强度噪声的基本机制是，通过调节可调光衰减器的***损耗，在特定的***损耗下，双程光纤放大器的输出功率与输入功率微分等于零，即输出功率对输入功率的变化不敏感，从而实现对输出激光强度噪声的抑制。从实验结果来看，该装置可以对1kHz以内的激光强度噪声产生显著的抑制效果，而对10kHz以上的噪声则没有明显的影响。因此，该装置和方法难以抑制驰豫振荡频率(通常位于200kHz～2MHz)附近的强度噪声，而该频率范围内的噪声是光纤激光器输出强度噪声的主要成分。
此外，对于光纤激光器的输出强度噪声，还可采用半导体激光放大器进行抑制。华南理工大学的杨中民团队提出，采用半导体激光放大器对激光进行放大，并对半导体激光放大器的驱动电流进行反馈控制的方式抑制激光强度噪声(Qilai Zhao,Shanhui Xu,Kaijun Zhou,Changsheng Yang,Can Li,Zhouming Feng,Mingying Peng,Huaqiu Deng,and Zhongmin Yang,Broad-bandwidth near-shot-noise-limited intensity noisesuppression of a single-frequency fiber laser,Optics Letters,41(2016),1333-1335)。该研究组搭建了半导体激光放大器装置，包括激光二极管(LD)、保偏波分复用器(PM-WDM)、短腔光纤激光器、保偏光纤隔离器(PM-ISO)、可调光衰减器(VOA)、偏振控制器(PC)、光纤耦合半导体光放大器(SOA)、光纤带通滤波器(BPF)、1:99光纤耦合器、光电探测器、低通滤波器(LPF)、放大器(AMP)和半导体光放大器的驱动器。LD产生的980nm泵浦光经过PM-WDM后，进入短腔光纤激光器；短腔光纤激光器产生的1550nm激光通过PM-WDM和PM-ISO后，进入VOA，对激光功率进行适当衰减；而后通过PC进入SOA，1550nm激光功率从4mW放大到17.5mW左右；放大后的激光再通过BPF，以滤除1550nm之外的自发辐射光；而后通过1:99光纤耦合器，其99％端口作为半导体激光放大器的输出口，1％端口连接PD，将激光强度起伏转化为电信号，再通过LPF、AMP，输入半导体光放大器的驱动器，驱动器连接SOA，形成对激光强度噪声的反馈控制环路。在环路不闭合的状态下，激光通过半导体激光放大器后，驰豫振荡频率附近的激光强度噪声降低了50dB左右。在环路闭合的状态下，进一步显著降低了1kHz以下的低频噪声，使0.8kHz到50MHz的激光强度噪声降低到-150dB/Hz左右。上述采用半导体激光放大器并通过反馈控制的方式虽然可以获得较好的噪声抑制效果，但能够达到的激光输出功率受到半导体激光放大器功率容量的限制，通常单模光纤耦合的半导体激光放大器输出功率不超过18dBm(即63mW)。
总之，现有的通过光纤放大器的增益饱和效应抑制光纤激光器的强度噪声的方法，仅能抑制低频噪声，无法抑制驰豫振荡频率附近的噪声，而该频率附近的噪声是激光强度噪声的主要成分。而采用半导体激光放大器并通过反馈控制的方式，虽然可以获得较好的噪声抑制效果，但输出功率较低。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器，可以有效抑制弛豫振荡频率附近及低频激光强度噪声，即有效抑制光纤激光器输出强度噪声中的主要成分，同时提高激光输出功率。
本发明的解决方案是针对背景技术不能同时获得高功率和低强度噪声激光输出的弊病，本发明采用包含第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、980nm激光二极管、980/1550保偏光纤隔离波分复用器、掺Er光纤、1480nm激光二极管、保偏光纤滤波器、1:99保偏光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器的光纤放大器，具有较高的功率容量，可对激光功率进行显著放大；并且，除了常规的980nm泵浦波长，本发明在光纤放大器中同时采用了1480nm泵浦波长，通过该波长激光的泵浦，可将部分Er离子从基态能级直接泵浦到激光上能级，再通过能级内的快速弛豫到达激光发射子能级，可实现对放大器增益的宽带控制；采用对激光强度噪声的反馈控制环路，即可实现对驰豫振荡频率附近及低频噪声的有效抑制，从而可同时获得高功率和低强度噪声激光输出。该光纤放大器的工作原理：980nm激光二极管输出的980nm泵浦光通过980/1550保偏光纤隔离波分复用器注入掺Er光纤，同时，1480nm激光二极管输出的1480nm泵浦光通过第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器注入掺Er光纤，在其中形成激光增益；输入激光依次通过第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器和980/1550保偏光纤隔离波分复用器，再通过掺Er光纤，激光功率得到放大；1480nm泵浦光将部分Er离子从基态能级直接泵浦到激光上能级，再通过能级内的快速弛豫到达激光发射子能级，该弛豫时间为ns量级，使得对激光增益的调制带宽可达到100MHz以上；由第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、保偏光纤滤波器、1:99保偏光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器、1480nm激光二极管形成对激光强度噪声的反馈控制环路，通过反馈控制光纤放大器的增益，则可抑制弛豫振荡频率附近和低频激光强度噪声；本发明即以此实现其发明目的。
本发明提出的一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器包括第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、980nm激光二极管、980/1550保偏光纤隔离波分复用器、掺Er光纤、1480nm激光二极管、保偏光纤滤波器、1:99保偏光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器；
1480nm激光二极管的输出端口连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的反射端口，第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端口连接980/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端口，980/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端连接掺Er光纤的一端，掺Er光纤的另一端连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端，第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端连接保偏光纤滤波器的公共端，保偏光纤滤波器的反射端连接1:99保偏光纤耦合器的输入端，1:99保偏光纤耦合器的1％输出端口连接可调光纤衰减器的一端，可调光纤衰减器的另一端依次连接光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器、1480nm激光二极管；工作时，输入激光从第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端口输入，输出激光从1:99保偏光纤耦合器的99％输出端口输出。
本发明光纤放大器采用两个不同波长的激光二极管泵浦注入掺Er光纤，其中，980nm和1480nm激光二极管可以输出较高的功率，在掺Er光纤中形成较高的增益，具有较高的泵浦-激光转化效率，可获得较高的输出功率(200mW以上)；并且，1480nm激光二极管输出的泵浦光可以将部分Er离子从基态能级直接泵浦到激光上能级，再通过能级内的快速弛豫到达激光发射子能级，该弛豫时间为ns量级，使得对激光增益的调制带宽可达到100MHz以上；通过对光纤放大器的增益的宽带反馈控制，则可抑制弛豫振荡频率附近和低频激光强度噪声。因而本发明具有同时获得高功率和低强度噪声激光输出的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器的结构示意图；
图2为掺Er光纤介质的传统敏化泵浦(a)和谐振泵浦(b)的能级结构图；
图中：1-1.第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器，1-2.第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器，2.980nm激光二极管，3.980/1550保偏光纤隔离波分复用器，4.掺Er光纤，5.1480nm激光二极管，6.保偏光纤滤波器，7.1:99保偏光纤耦合器，8.可调光纤衰减器，9.光电探测器，10.反馈控制器，11.激光二极管驱动器。
具体实施方式
本实施方式中：第一、第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-1和1-2：型号HPMIWDM-5548-B-S-F-01-N-B-0.8，泵浦波长1460～1490nm，激光波长1530～1565nm，功率容量1W，直通支路***损耗0.7dB，反射支路***损耗0.5dB，光越科技(深圳)有限公司制造，C1-1和C1-2表示公共端口，P1-1和P1-2表示直通端口，R1-1和R1-2表示反射端口；
980nm激光二极管2：型号SC962UF76P-20R，波长980nm，输出功率750mW(@驱动电流1.1A)，单模光纤耦合输出，美国OCLARO INC.制造；
980/1550保偏光纤隔离波分复用器3：型号HPMIWDM-5598-B-S-F-01-N-B-0.8，泵浦波长960～990nm，激光波长1530～1565nm，功率容量1W，直通支路***损耗0.7dB，反射支路***损耗0.5dB，光越科技(深圳)有限公司制造，C3表示公共端口，P3表示直通端口，R3表示反射端口；
掺Er光纤4：型号Er110-4/125，吸收系数110dB/m，长度250mm，美国NLIGHT INC.制造；
1480nm激光二极管5：型号AF4B142FG80L，波长1480nm，输出功率320mW(@驱动电流1A)，单模光纤耦合输出，日本ANRITSU CORP.制造；
保偏光纤滤波器6：型号PMDWDM-1-34-NNN-BBB-0.8，波长1550nm，带宽(@0.5dB)0.4nm，***损耗(反射支路)0.3dB，光越科技(深圳)有限公司制造，C6表示公共端口，P6表示直通端口，R6表示反射端口；
1:99保偏光纤耦合器7：型号HPMFC-1550-1-01-F-01-NNN-BBB-P-0.8，波长1550nm，分束比1:99，***损耗0.3dB，光越科技(深圳)有限公司制造，I7表示输入端口，S7,01表示1％输出端口，S7,99表示99％输出端口；
可调光纤衰减器8：型号PMVOA-55-22-BB-0.8，波长1550nm，最大衰减范围30dB，光越科技(深圳)有限公司制造；
光电探测器9：型号DET10C，响应波长700～1800nm，上升时间10ns，美国THORLABSINC.制造；
反馈控制器10：型号IFC-50B，带宽10MHz，群时延<50ns@12MHz，低频增益>80dB，美国THORLABS INC.制造；
激光二极管驱动器11：型号ADA4870，带宽70MHz，输出电流1A，美国ANALOGDEVICES INC.制造。
本实施方式中的实施例：
980nm激光二极管2的输出端口连接980/1550保偏光纤隔离波分复用器3的反射端口R3，第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-1的公共端口C1-1连接980/1550保偏光纤隔离波分复用器3的直通端口P3，980/1550保偏光纤隔离波分复用器3公共端C3连接掺Er光纤4的一端，掺Er光纤4的另一端连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-2的公共端C1-2，第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-2的直通端P1-2连接保偏光纤滤波器6的公共端C6，保偏光纤滤波器6的反射端R6连接1:99保偏光纤耦合器7的输入端I7，1:99保偏光纤耦合器7的1％输出端口S7,01连接可调光纤衰减器8的一端，可调光纤衰减器8的另一端依次连接光电探测器9、反馈控制器10、激光二极管驱动器11、1480nm激光二极管5，1480nm激光二极管5的输出端连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-2的反射端R1-2。
980nm激光二极管2输出的980nm泵浦光通过980/1550保偏光纤隔离波分复用器3注入掺Er光纤4，同时，1480nm激光二极管5输出的1480nm泵浦光通过第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-2注入掺Er光纤4，在其中形成激光增益；输入激光依次通过第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-1和980/1550保偏光纤隔离波分复用器3，再通过掺Er光纤4后，激光功率得到放大；1480nm泵浦光将部分Er离子从基态能级直接泵浦到激光上能级，再通过能级内的快速弛豫到达激光发射子能级(如图2(b)所示)，该弛豫时间为ns量级，使得对激光增益的调制带宽可达到100MHz以上；由第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-2、保偏光纤滤波器6、1:99保偏光纤耦合器7、可调光纤衰减器8、光电探测器9、反馈控制器10、激光二极管驱动器11、1480nm激光二极管5形成激光强度噪声的反馈控制环路，通过反馈控制光纤放大器的增益，则可抑制弛豫振荡频率附近和低频激光强度噪声；输出激光从1:99保偏光纤耦合器7的99％输出端口S7,99输出。
第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器1-1用于滤除后向传播的1480nm泵浦光，避免泵浦光影响光纤激光源的正常工作；保偏光纤滤波器6用于滤除激光波长以外的自发辐射光。
根据本实施例中所采用的元器件特性，所述激光强度噪声的反馈控制环路的环路带宽为10MHz左右，显著大于常规光纤激光器的弛豫振荡的峰值频率(一般位于200kHz～2MHz)，通过调试反馈控制器10的增益或可调光纤衰减器8的***损耗，可有效抑制弛豫振荡频率附近和低频激光强度噪声；与之对比，若对980nm激光二极管2进行反馈控制，掺Er光纤4中的用来起敏化作用的Yb离子吸收980nm的泵浦光，产生能级跃迁，而后再通过弛豫过程将能量传递给Er离子，如图2(a)所示。而该弛豫过程所需时间一般在10μs以上，使环路控制带宽难以达到100kHz以上，会严重限制噪声抑制效果。
在输出功率方面，单频保偏光纤激光器的输出功率可达到77mW左右，(参考文献1：杨昌盛，徐善辉，李灿，莫树培，冯洲明，姜中宏，杨中民，1.5μm波段连续单频光纤激光器的研究进展，中国科学：化学，43(2013)，1407-1417)，高掺杂掺Er光纤的泵浦-激光转化效率可达到29％以上(参考文献1)，结合本实施例中各元器件的插损特性，并考虑各元件的连接损耗，光纤放大器输出功率可达到200mW以上。
采用更高功率的激光二极管可进一步提高激光输出功率，如不考虑泵浦光功率的限制，光纤放大器的输出功率主要受限于非线性效应，而单模掺Er光纤4和传导光纤的非线性效应阈值大于10W(参考文献1)，即在10W输出功率以下，非线性效应可忽略。因此，本发明具有较高的功率容量和良好的功率扩展性，可同时获得高功率和低强度噪声激光输出。

Claims (1)

1.一种抑制光纤激光器输出强度噪声的光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器包括第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器、980nm激光二极管、980/1550保偏光纤隔离波分复用器、掺Er光纤、1480nm激光二极管、保偏光纤滤波器、1:99保偏光纤耦合器、可调光纤衰减器、光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器；
1480nm激光二极管的输出端口连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的反射端口，第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端口连接980/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端口，980/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端连接掺Er光纤的一端，掺Er光纤的另一端连接第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的公共端，第二1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端连接保偏光纤滤波器的公共端，保偏光纤滤波器的反射端连接1:99保偏光纤耦合器的输入端，1:99保偏光纤耦合器的1％输出端口连接可调光纤衰减器的一端，可调光纤衰减器的另一端依次连接光电探测器、反馈控制器、激光二极管驱动器、1480nm激光二极管；工作时，输入激光从第一1480/1550保偏光纤隔离波分复用器的直通端口输入，输出激光从1:99保偏光纤耦合器的99％输出端口输出。
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