提高高功率泵浦铒镱共掺光纤放大器泵浦转化效率的方法

摘要

本发明涉及光纤激光、光信号放大，光信号放大中自发辐射ASE的抑制。具体讲，涉及提高高功率泵浦铒镱共掺光纤放大器泵浦转化效率的方法。为抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE，提高放大器的泵浦转化效率，本发明采用的技术方案是：后向泵浦工作时，隔离器的输出端与增益光纤相连接，放大后的信号经泵浦-信号耦合系统后从输出端输出，泵浦源输出到泵浦-信号耦合系统；或者，前向泵浦工作时，隔离器的输出端、泵浦-信号耦合系统、增益光纤依次相连接，增益光纤从输出端输出，泵浦源输出到泵浦-信号耦合系统；将镱Yb波段信号源连接到前述泵浦-信号耦合系统。本发明主要用于光信号放大中提高泵浦效率及自发辐射ASE的抑制场合。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光领域、光信号放大，光信号放大中的自发辐射ASE的抑制。具体讲，本发明涉及高功率泵浦EYDFA中放大的自发辐射ASE的抑制及提高泵浦转化效率的方法，即提高高功率铒镱共掺光纤放大器泵浦转化效率的方法。

技术背景

由于人眼在1.55μm波段的损伤阈值要比1.06μm波段高4个数量级，因此该波段的激光具有相对“人眼安全”的优点，在激光雷达、激光测距、医疗、工业加工以及科研等需要人员参与的领域有着重要的应用价值。为了在得到高功率激光输出的同时保持较好的光束质量，高功率光纤激光器通常采用主振荡器+功率放大器结构。由主振荡器产生光束质量好但功率较低的种子光，然后送入功率放大器提高激光输出功率。显然，功率放大器的性能对整个激光系统的性能有决定作用。EYDFA的工作波长位于1.55μm波段。由于其增益介质-铒镱共掺光纤中镱(Yb)离子的掺入有效地降低了铒(Er)离子的浓度淬灭效应，使得Er离子的可掺杂浓度大大提高，因此EYDFA与光纤通信中普遍采用的掺铒光纤放大器(EDFA)相比具有泵浦吸收系数高、泵浦波长选择范围大等优点。因此，目前1.55μm波段的高功率光纤放大器中普遍采用铒镱共掺双包层光纤作为增益介质。

限制高功率泵浦光纤放大器输出功率水平的因素有多个，例如ASE、非线性效应、功率损伤等，但目前众多的理论和实验研究表明，限制EYDFA输出功率提高的主要因素是Yb波段(1000～1100nm)的ASE，尤其是泵浦反向的Yb波段ASE。在EYDFA中，基态的Yb离子吸收泵浦光子，从基态跃迁到上能级，然后通过Yb-Er离子间的交叉弛豫将能量传递给周围的基态Er离子，同时上能级的Yb离子因为失去能量而回落的基态。在泵浦功率较低时，Yb离子上能级的集居数很低，因此Yb波段ASE很弱。但在高功率泵浦下，当Yb-Er离子间能量交换的速率低于泵浦速率时，Yb-Er离子间的能量交换就会出现所谓的“瓶颈”效应。“瓶颈”效应的出现，表明增益介质中出现了Yb离子集居数的局部反转，且反转水平随泵浦功率的提高而提高，Yb波段ASE因增益的提高而迅速增长，使得泵浦功率向Er波段(1500-1650nm)信号的转化效率降低。泵浦功率越高，泵浦转化效率下降越严重，最终Yb波段ASE的功率甚至会超过放大后Er波段信号的功率，极大地降低了放大器的性能。

目前业内普遍采用的抑制EYDFA中Yb波段ASE、提高泵浦转化效率的方法是采用更大内包层直径的增益光纤，但这种方法有诸多缺点：首先，增大内包层直径会增加增益光纤的附加损耗，这往往可以抵消了抑制ASE所带来的效率提高；其次，内包层直径的增大降低了纤芯-包层面积比，这相当于降低了增益光纤的泵浦吸收系数，这与采用铒镱共掺光纤作为增益光纤的初衷相违背；另外，内包层直径的增加也不是无限制的，内包层直径的增加会增加光纤的弯曲损耗，甚至使光纤变成“光棒”根本无法弯曲，这就失去了光纤放大器相对普通固体激光器的优势。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE，提高放大器的泵浦转化效率。

本发明采用的技术方案是：提高高功率泵浦铒镱共掺光纤放大器泵浦转化效率的方法，借助于下列装置实现：

包括：铒波段信号输入端、隔离器、增益光纤、泵浦-信号耦合系统、镱波段信号源、泵浦源、输出端，铒波段信号输入端连接隔离器，泵浦源的输出经泵浦-信号耦合系统进入增益光纤；

后向泵浦工作时，隔离器的输出端与增益光纤相连接，放大后的信号经泵浦-信号耦合系统从输出端输出；

或者，前向泵浦工作时，隔离器的输出端、泵浦-信号耦合系统、增益光纤依次相连接，放大后的信号从增益光纤的输出端输出；

将镱波段信号源连接到前述泵浦-信号耦合系统，即在前述泵浦-信号耦合系统引入镱波段信号。

通过选择性反馈的方式在泵浦端引入镱波段信号，通过镱波段信号的受激放大抑制高功率泵浦下镱波段的ASE。

增加增益光纤长度，使引入的镱波段信号被完全吸收。

镱波段信号应尽量耦合入增益光纤的纤芯，且引入后一般会加长增益光纤长度，其最佳长度可通过数值仿真确定。

泵浦-信号耦合系统根据实际情况选择光纤熔锥耦合器或透镜组成的空间光耦合系统，为防止端面反射对放大器性能的影响，放大器的输出端应采取隔离措施，隔离措施包括将输出光纤端面磨成一定角度。

本发明具有以下技术效果：本发明在添加合适波长的Yb波段信号后，在高功率泵浦下该信号会吸收原本要以ASE形式浪费掉的部分能量，将它重新带回泵浦方向，并经后续增益光纤的再吸收起到对Er波段有用信号的泵浦作用，引入Yb波段信号后提高了高功率泵浦下EYDFA泵浦转化效率。

附图说明

图1是本发明在前向泵浦EYDFA中的应用示意图。

图2是本发明在后向泵浦EYDFA中的应用示意图。

图3是模拟得到的EYDFA中泵浦、信号功率演化曲线及前、后向Yb波段ASE光谱图。

图4是泵浦波长不同时，应用本发明前、后EYDFA输出功率随泵浦功率的变化。

图5是应用本发明前、后EYDFA中ASE、泵浦转化效率、斜率效率随泵浦功率的变化。

图1、2中：

1.Er波段信号输入端，2.隔离器，3.Yb波段信号源，4.泵浦源，5.泵浦/信号耦合系统，6.增益光纤(Er-Yb共掺双包层光纤)，7.输出端。

具体实施方式

为了抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE，提高放大器的泵浦转化效率，本发明提出了一种有效的方法。

本发明主要借助于隔离器、增益光纤、泵浦-信号耦合系统、Yb波段信号源、泵浦源实现。本发明解决其技术问题所采用的方案是：(1)高功率泵浦下，影响EYDFA泵浦转化效率的主要因素是泵浦反向的Yb波段ASE，根据这一特点，本发明通过在泵浦端引入一合适波长的Yb波段信号，通过该信号在增益光纤中的受激放大，实现了抑制Yb波段ASE的目的；(2)Yb波段的增益主要集中在泵浦端，由于Yb波段信号在增益光纤的纤芯中传输，如果波长选择合适，增益光纤对其有较大的吸收系数(通常要比从包层中注入的泵浦的吸收系数大)，所以该信号被放大后，在离开泵浦端一定距离后随着“瓶颈”效应的逐渐消失，该信号会被增益光纤逐渐重新吸收。如果增益光纤长度选择合适，该信号可被完全吸收，起到了对Er波段有用信号的泵浦作用，从而可有效地提高EYDFA的泵浦转化效率；(3)Yb波段信号可通过外加合适波长的信号源或在增益光纤的泵浦端添加合适波长的窄带反射器(如光纤布拉格光栅)引入增益光纤，后者为通过选择性反馈的方式实现；(4)Yb波段信号的波长可根据添加Yb波段信号前EYDFA泵浦端输出的Yb波段ASE的峰值波长确定；(5)添加Yb波段信号后增益光纤长度通常会有所加长，最佳长度可通过数值仿真确定。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

首先，根据设计目标，通过数值仿真或实验测得EYDFA泵浦端Yb波段ASE的光谱，找到其峰值波长，Yb波段信号的波长应选择在该峰值波长或其附近。如图3(a)所示，为975nm前向泵浦、设计泵浦功率300W时仿真得到的放大器Yb波段ASE光谱，从该图中可以看出，泵浦端Yb波段ASE光谱的峰值波长约为1040nm，所以Yb波段信号的波长可选择1040nm。

其次，通过数值仿真确定添加Yb波段信号后的最佳光纤长度。如图3(b)所示，1040nm信号被几乎完全吸收所需的光纤长度约为15m。

然后，根据上述设计参数按照图1或图2搭建EYDFA系统。为使本发明的实施效果最佳，Yb波段的信号应尽量耦合入增益光纤的纤芯而不是内包层之中。泵浦-信号耦合系统可根据实际情况选择光纤熔锥耦合器或透镜组成的空间光耦合系统。为防止端面反射对放大器性能的影响，放大器的输出端应采取隔离措施，比如将输出光纤端面磨成一定角度。

图4是泵浦波长不同时，应用本发明前、后EYDFA输出功率随泵浦功率的变化。图中分别给出了915nm(图4a)和975nm(图4b)两种EYDFA常用泵浦波长情况下，应用本发明前、后输出信号功率随泵浦功率的变化曲线。设计泵浦功率300W情况下，无1040nm信号时，915nm和975nm对应的最佳光纤长度分别为12m和5m，添加1040nm信号后二者的最佳光纤长度均约为15m。通过对比可以看出，高功率泵浦情况下，采用本发明后在相同的泵浦功率下EYDFA的输出功率均有明显提高。例如，前、后向泵浦情况下，在设计泵浦功率300W时，915nm泵浦情况下采用本发明后EYDFA的输出功率分别由原来的90.9W和101.1W提高到了109.3W和118.7W，分别提高了20.2％和17.4％；而在975nm 300W泵浦情况下，采用本发明后前、后向泵浦时EYDFA的输出功率分别从原来的58.7W和71.3W分别提高到了109.3W和122.3W，分别提高了86％和71.5％。

图5所示是应用本发明前、后EYDFA中ASE功率、泵浦转化效率(PCE)、斜率效率随泵浦功率的变化。泵浦波长为976nm，泵浦方式为前向泵浦。从图3(a)中可以看出，采用本发明后，虽然泵浦同向ASE功率有所增强，但由于泵浦反向ASE功率明显下降，所以总的ASE功率出现了显著的下降，这说明本发明对抑制Yb波段ASE是有效的。从图3(b)可以看出，采用本发明后，在高功率泵浦下放大器的泵浦转化效率和斜率效率都有明显提高。例如在设计泵浦功率300W处，放大器的泵浦转化效率由原来的19.2％提高到了36.0％。

综上可以看出，本发明对抑制高功率泵浦EYDFA中的ASE提高其泵浦转化效率具有明显的效果。同时，该方法避免了现有技术的诸多缺点，可以在基于普通高泵浦吸收系数铒镱共掺光纤作为增益介质的EYDFA中实施。本发明适用于高功率泵浦连续或脉冲EYDFA泵浦转化效率的提高。