專利名稱：提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光領(lǐng)域、光信號(hào)放大，光信號(hào)放大中的自發(fā)輻射ASE的抑制。具 體講，本發(fā)明涉及高功率泵浦EYDFA中放大的自發(fā)輻射ASE的抑制及提高泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，即提高高功率鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法。
背景技術(shù)：
由于人眼在1.55iim波段的損傷閾值要比1. 06 y m波段高4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此該波 段的激光具有相對"人眼安全"的優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、激光測距、醫(yī)療、工業(yè)加工以及科研等 需要人員參與的領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。為了在得到高功率激光輸出的同時(shí)保持較好的 光束質(zhì)量，高功率光纖激光器通常采用主振蕩器+功率放大器結(jié)構(gòu)。由主振蕩器產(chǎn)生光束 質(zhì)量好但功率較低的種子光，然后送入功率放大器提高激光輸出功率。顯然，功率放大器的 性能對整個(gè)激光系統(tǒng)的性能有決定作用。EYDFA的工作波長位于1. 55 ii m波段。由于其增 益介質(zhì)-鉺鐿共摻光纖中鐿(Yb)離子的摻入有效地降低了鉺(Er)離子的濃度淬滅效應(yīng)， 使得Er離子的可摻雜濃度大大提高，因此EYDFA與光纖通信中普遍采用的摻鉺光纖放大器 (EDFA)相比具有泵浦吸收系數(shù)高、泵浦波長選擇范圍大等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前1. 55 y m波段的 高功率光纖放大器中普遍采用鉺鐿共摻雙包層光纖作為增益介質(zhì)。 限制高功率泵浦光纖放大器輸出功率水平的因素有多個(gè)，例如ASE、非線性效應(yīng)、 功率損傷等，但目前眾多的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，限制EYDFA輸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，基態(tài)的Yb 離子吸收泵浦光子，從基態(tài)躍遷到上能級(jí)，然后通過Yb-Er離子間的交叉弛豫將能量傳遞 給周圍的基態(tài)Er離子，同時(shí)上能級(jí)的Yb離子因?yàn)槭ツ芰慷芈涞幕鶓B(tài)。在泵浦功率較 低時(shí)，Yb離子上能級(jí)的集居數(shù)很低，因此Yb波段ASE很弱。但在高功率泵浦下，當(dāng)Yb-Er 離子間能量交換的速率低于泵浦速率時(shí)，Yb-Er離子間的能量交換就會(huì)出現(xiàn)所謂的"瓶頸" 效應(yīng)。"瓶頸"效應(yīng)的出現(xiàn)，表明增益介質(zhì)中出現(xiàn)了 Yb離子集居數(shù)的局部反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)水平 隨泵浦功率的提高而提高，Yb波段ASE因增益的提高而迅速增長，使得泵浦功率向Er波段 (1500-1650nm)信號(hào)的轉(zhuǎn)化效率降低。泵浦功率越高，泵浦轉(zhuǎn)化效率下降越嚴(yán)重，最終Yb波 段ASE的功率甚至?xí)^放大后Er波段信號(hào)的功率，極大地降低了放大器的性能。
目前業(yè)內(nèi)普遍采用的抑制EYDFA中Yb波段ASE、提高泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法是采用 更大內(nèi)包層直徑的增益光纖，但這種方法有諸多缺點(diǎn)首先，增大內(nèi)包層直徑會(huì)增加增益光 纖的附加損耗，這往往可以抵消了抑制ASE所帶來的效率提高；其次，內(nèi)包層直徑的增大降 低了纖芯-包層面積比，這相當(dāng)于降低了增益光纖的泵浦吸收系數(shù)，這與采用鉺鐿共摻光 纖作為增益光纖的初衷相違背；另外，內(nèi)包層直徑的增加也不是無限制的，內(nèi)包層直徑的增 加會(huì)增加光纖的彎曲損耗，甚至使光纖變成"光棒"根本無法彎曲，這就失去了光纖放大器 相對普通固體激光器的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE， 提高放大器的泵浦轉(zhuǎn)化效率。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，借助于下列裝置實(shí)現(xiàn) 包括鉺波段信號(hào)輸入端、隔離器、增益光纖、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、鐿波段信號(hào) 源、泵浦源、輸出端，鉺波段信號(hào)輸入端連接隔離器，泵浦源的輸出經(jīng)泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng) 進(jìn)入增益光纖； 后向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端與增益光纖相連接，放大后的信號(hào)經(jīng)泵浦-信 號(hào)耦合系統(tǒng)從輸出端輸出； 或者，前向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、增益光纖依次相 連接，放大后的信號(hào)從增益光纖的輸出端輸出； 將鐿波段信號(hào)源連接到前述泵浦_信號(hào)耦合系統(tǒng)，即在前述泵浦_信號(hào)耦合系統(tǒng) 引入鐿波段信號(hào)。 通過選擇性反饋的方式在泵浦端引入鐿波段信號(hào)，通過鐿波段信號(hào)的受激放大抑 制高功率泵浦下鐿波段的ASE。 增加增益光纖長度，使引入的鐿波段信號(hào)被完全吸收。 鐿波段信號(hào)應(yīng)盡量耦合入增益光纖的纖芯，且引入后一般會(huì)加長增益光纖長度， 其最佳長度可通過數(shù)值仿真確定。 泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇光纖熔錐耦合器或透鏡組成的空間光耦 合系統(tǒng)，為防止端面反射對放大器性能的影響，放大器的輸出端應(yīng)采取隔離措施，隔離措施 包括將輸出光纖端面磨成一定角度。 本發(fā)明具有以下技術(shù)效果本發(fā)明在添加合適波長的Yb波段信號(hào)后，在高功率泵 浦下該信號(hào)會(huì)吸收原本要以ASE形式浪費(fèi)掉的部分能量，將它重新帶回泵浦方向，并經(jīng)后 續(xù)增益光纖的再吸收起到對Er波段有用信號(hào)的泵浦作用，引入Yb波段信號(hào)后提高了高功 率泵浦下EYDFA泵浦轉(zhuǎn)化效率。


圖1是本發(fā)明在前向泵浦EYDFA中的應(yīng)用示意圖。 圖2是本發(fā)明在后向泵浦EYDFA中的應(yīng)用示意圖。 圖3是模擬得到的EYDFA中泵浦、信號(hào)功率演化曲線及前、后向Yb波段ASE光譜圖。 圖4是泵浦波長不同時(shí)，應(yīng)用本發(fā)明前、后EYDFA輸出功率隨泵浦功率的變化。 圖5是應(yīng)用本發(fā)明前、后EYDFA中ASE、泵浦轉(zhuǎn)化效率、斜率效率隨泵浦功率的變化。 圖1、2中 1.Er波段信號(hào)輸入端，2.隔離器，3. Yb波段信號(hào)源，4.泵浦源，5.泵浦/信號(hào)耦合 系統(tǒng)，6.增益光纖(Er-Yb共摻雙包層光纖)，7.輸出端。
具體實(shí)施例方式
為了抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE，提高放大器的泵浦轉(zhuǎn)化效率，本發(fā)明提出了一種有效的方法。 本發(fā)明主要借助于隔離器、增益光纖、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、Yb波段信號(hào)源、泵浦 源實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是(l)高功率泵浦下，影響EYDFA泵浦轉(zhuǎn)化 效率的主要因素是泵浦反向的Yb波段ASE，根據(jù)這一特點(diǎn)，本發(fā)明通過在泵浦端引入一合 適波長的Yb波段信號(hào)，通過該信號(hào)在增益光纖中的受激放大，實(shí)現(xiàn)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波段信號(hào)在增益光纖的纖芯中傳輸，如果 波長選擇合適，增益光纖對其有較大的吸收系數(shù)(通常要比從包層中注入的泵浦的吸收系 數(shù)大)，所以該信號(hào)被放大后，在離開泵浦端一定距離后隨著"瓶頸"效應(yīng)的逐漸消失，該信 號(hào)會(huì)被增益光纖逐漸重新吸收。如果增益光纖長度選擇合適，該信號(hào)可被完全吸收，起到了 對Er波段有用信號(hào)的泵浦作用，從而可有效地提高EYDFA的泵浦轉(zhuǎn)化效率；(3) Yb波段信 號(hào)可通過外加合適波長的信號(hào)源或在增益光纖的泵浦端添加合適波長的窄帶反射器(如 光纖布拉格光柵)引入增益光纖，后者為通過選擇性反饋的方式實(shí)現(xiàn)；(4)Yb波段信號(hào)的波 長可根據(jù)添加Yb波段信號(hào)前EYDFA泵浦端輸出的Yb波段ASE的峰值波長確定；(5)添加 Yb波段信號(hào)后增益光纖長度通常會(huì)有所加長，最佳長度可通過數(shù)值仿真確定。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 首先，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過數(shù)值仿真或?qū)嶒?yàn)測得EYDFA泵浦端Yb波段ASE的光 譜，找到其峰值波長，Yb波段信號(hào)的波長應(yīng)選擇在該峰值波長或其附近。如圖3(a)所示， 為975nm前向泵浦、設(shè)計(jì)泵浦功率300W時(shí)仿真得到的放大器Yb波段ASE光譜，從該圖中可 以看出，泵浦端Yb波段ASE光譜的峰值波長約為1040nm，所以Yb波段信號(hào)的波長可選擇 1040nm。 其次，通過數(shù)值仿真確定添加Yb波段信號(hào)后的最佳光纖長度。如圖3(b)所示， 1040nm信號(hào)被幾乎完全吸收所需的光纖長度約為15m。 然后，根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)按照圖1或圖2搭建EYDFA系統(tǒng)。為使本發(fā)明的實(shí)施效果 最佳，Yb波段的信號(hào)應(yīng)盡量耦合入增益光纖的纖芯而不是內(nèi)包層之中。泵浦-信號(hào)耦合系 統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況選擇光纖熔錐耦合器或透鏡組成的空間光耦合系統(tǒng)。為防止端面反射對 放大器性能的影響，放大器的輸出端應(yīng)采取隔離措施，比如將輸出光纖端面磨成一定角度。
圖4是泵浦波長不同時(shí)，應(yīng)用本發(fā)明前、后EYDFA輸出功率隨泵浦功率的變化。圖 中分別給出了915nm(圖4a)和975nm(圖4b)兩種EYDFA常用泵浦波長情況下，應(yīng)用本發(fā)明 前、后輸出信號(hào)功率隨泵浦功率的變化曲線。設(shè)計(jì)泵浦功率300W情況下，無1040nm信號(hào)時(shí)， 915nm和975nm對應(yīng)的最佳光纖長度分別為12m和5m，添加1040nm信號(hào)后二者的最佳光纖 長度均約為15m。通過對比可以看出，高功率泵浦情況下，采用本發(fā)明后在相同的泵浦功率 下EYDFA的輸出功率均有明顯提高。例如，前、后向泵浦情況下，在設(shè)計(jì)泵浦功率300W時(shí)， 915nm泵浦情況下采用本發(fā)明后EYDFA的輸出功率分別由原來的90. 9W和101. 1W提高到了 109. 3W和118. 7W，分別提高了 20. 2%和17. 4%;而在975咖300W泵浦情況下，采用本發(fā)明 后前、后向泵浦時(shí)EYDFA的輸出功率分別從原來的58. 7W和71. 3W分別提高到了 109. 3W和 122. 3W，分別提高了 86%和71. 5% 。 圖5所示是應(yīng)用本發(fā)明前、后EYDFA中ASE功率、泵浦轉(zhuǎn)化效率(PCE)、斜率效率隨 泵浦功率的變化。泵浦波長為976nm，泵浦方式為前向泵浦。從圖3(a)中可以看出，采用本 發(fā)明后，雖然泵浦同向ASE功率有所增強(qiáng)，但由于泵浦反向ASE功率明顯下降，所以總的ASE功率出現(xiàn)了顯著的下降，這說明本發(fā)明對抑制Yb波段ASE是有效的。從圖3(b)可以看出，采用本發(fā)明后，在高功率泵浦下放大器的泵浦轉(zhuǎn)化效率和斜率效率都有明顯提高。例如在設(shè)計(jì)泵浦功率300W處，放大器的泵浦轉(zhuǎn)化效率由原來的19. 2%提高到了 36. 0%。
綜上可以看出，本發(fā)明對抑制高功率泵浦EYDFA中的ASE提高其泵浦轉(zhuǎn)化效率具有明顯的效果。同時(shí)，該方法避免了現(xiàn)有技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，可以在基于普通高泵浦吸收系數(shù)鉺鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)的EYDFA中實(shí)施。本發(fā)明適用于高功率泵浦連續(xù)或脈沖EYDFA泵浦轉(zhuǎn)化效率的提高。
權(quán)利要求
一種提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法，其特征是，借助于下列裝置實(shí)現(xiàn)包括鉺波段信號(hào)輸入端、隔離器、增益光纖、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、鐿波段信號(hào)源、泵浦源、輸出端，鉺波段信號(hào)輸入端連接隔離器，泵浦源的輸出經(jīng)泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)進(jìn)入增益光纖；后向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端與增益光纖相連接，放大后的信號(hào)經(jīng)泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)從輸出端輸出；或者，前向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、增益光纖依次相連接，放大后的信號(hào)從增益光纖的輸出端輸出；將鐿波段信號(hào)源連接到前述泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)，即在前述泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)引入鐿波段信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，其特征是，通過選擇性反饋的方式在泵浦端引入鐿波段信號(hào)，通過鐿波段信號(hào)的受激 放大抑制高功率泵浦下鐿波段的ASE。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，其特征是，增加增益光纖長度，使引入的鐿波段信號(hào)被完全吸收。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，其特征是，鐿波段信號(hào)應(yīng)盡量耦合入增益光纖的纖芯，且引入后一般會(huì)加長增益光纖 長度，其最佳長度可通過數(shù)值仿真確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的 方法，其特征是，泵浦_信號(hào)耦合系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇光纖熔錐耦合器或透鏡組成的空 間光耦合系統(tǒng)，為防止端面反射對放大器性能的影響，放大器的輸出端應(yīng)采取隔離措施，隔 離措施包括將輸出光纖端面磨成一定角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖激光、光信號(hào)放大，光信號(hào)放大中自發(fā)輻射ASE的抑制。具體講，涉及提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法。為抑制高功率泵浦EYDFA中Yb波段ASE，提高放大器的泵浦轉(zhuǎn)化效率，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是后向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端與增益光纖相連接，放大后的信號(hào)經(jīng)泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)后從輸出端輸出，泵浦源輸出到泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)；或者，前向泵浦工作時(shí)，隔離器的輸出端、泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)、增益光纖依次相連接，增益光纖從輸出端輸出，泵浦源輸出到泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)；將鐿Yb波段信號(hào)源連接到前述泵浦-信號(hào)耦合系統(tǒng)。本發(fā)明主要用于光信號(hào)放大中提高泵浦效率及自發(fā)輻射ASE的抑制場合。
文檔編號(hào)H01S3/091GK101714740SQ20091022894
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者周雷, 寧繼平, 張偉毅, 張蔚青, 韓群 申請人:天津大學(xué)