CN102540622B - 基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器 - Google Patents

基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器。该放大器包括：输入隔离器(1)、辅助激光器(2)、信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器(3)、泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(5)、半导体激光器(4)、掺镱光纤(6)、输出隔离器(7)，其连接方式为将待放大的信号激光通过输入隔离器后与由辅助激光器发出的功率远强于信号光的辅助激光一起，经过一种波段的波分复用器(WDM)合束后，再经由另一波段的波分复用器(WDM)与半导体泵浦激光器产生的泵浦光合束，并注入掺镱光纤进行放大，放大后激光再通过输出隔离器输出。本发明引入了较强的辅助激光，充分提取系统增益，从而抑制了ASE的产生。

Description

基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器
技术领域
本发明涉及高增益光纤放大器技术领域，尤其是一种基于增益竞争和混合泵浦的高增益掺镱光纤放大器。
背景技术
低噪声高增益放大器一般应用于光通讯领域，大多为工作波长在1550nm附近的掺镱光纤激光器。在相干合成、激光加工和定向能技术等许多应用中，需要工作波长在1064nm附近的高增益掺镱光纤放大器。此类应用中，激光器功率远高于通讯用光纤激光器，因放大自发辐射(ASE：Amplified Spontaneous Emission)导致的噪声也更强。常见的低噪声掺镱光纤放大器一般采用窄带滤波结合多级放大的形式，系统结构复杂且难以抑制信号光波段内的同带ASE噪声。
发明内容
本发明提供了一种新型低噪声高增益光纤放大器。该放大器采用了增益竞争和混合泵浦机制，信噪比高，结构简单，性能稳定。
本发明的解决方案如下：
本发明所述低噪声高增益光纤放大器，包括：输入隔离器1、辅助激光器2、信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器(WDM)3、泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5、半导体激光器4、掺镱光纤6、输出隔离器7。其连接方式为将待放大的信号激光通过输入隔离器后与由辅助激光器发出的功率远强于信号光的辅助激光一起，经过一种波段的波分复用器(WDM)合束后，再经由另一波段的波分复用器(WDM)与半导体泵浦激光器产生的泵浦光合束，并注入掺镱光纤进行放大，放大后激光再通过输出隔离器输出。
所用增益光纤在信号光波段发射谱强度与辅助激光基本一致，而增益光纤在辅助激光波段的吸收谱强度远高于信号光波段。在放大器的前半部分，辅助激光由于功率较高，在增益竞争中处于优势，得到了充分地放大，抑制了ASE的产生，同时信号激光也得到了一定放大。在放大器中段，泵浦激光被充分吸收，系统对辅助激光的吸收作用开始体现，此时信号光功率已远高于ASE，辅助激光成为新的泵浦源，对信号激光进行放大。
常规的高增益掺镱光纤放大器大都采用多级放大结构(参考文献：张鹏，段云锋，黄榜才等.全光纤结构高增益脉冲光纤放大器的实验研究，激光技术，2009，33，5，452～454)，该方法可以通过增加放大器级数来提高系统增益，但无法对ASE特别是信号光波段的同带ASE进行有效抑制。如文献中采用三级放大结构实现了43.8dB的放大，但放大后信噪比仅21dB。本发明已经在实验室进行的高功率光纤放大器实验证实，采用双级放大结构即可实现超过30.1dB的高增益放大，放大后信噪比约38.5dB，充分验证了这种基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声光纤激光放大技术的可行性和有效性。
本发明具有如下技术特征：
1 本发明加入了辅助激光通过增益竞争来抑制放大器中的ASE。传统高增益光纤激光放大器只有信号光注入，信号光功率较弱时，无法充分提取增益，剩余的能量将主要以ASE的形式存在，成为系统噪声。本发明引入了较强的辅助激光，充分提取系统增益，从而抑制了ASE的产生。
2 本发明采用辅助激光与半导体激光器混合泵浦结构，提高了系统增益。在放大器的前半段，辅助激光与信号光一起充分提取系统增益。在放大器后半段，系统吸收辅助激光作为新的泵浦源对信号光进一步的放大。
3 本发明采用了特定波长的激光作为辅助泵浦源。之前有文献(中国专利No.CN1246641A)曾采用前级的ASE作为二次泵浦光源，与宽带的ASE相比，本发明所采用特定波长的辅助激光具有更强的吸收效果，大大缩短了所需的掺杂光纤长度，节省了成本。
附图说明：
图1为本发明提供的高增益光纤放大器的第一种实施方式结构原理示意图
图2为本发明提供的高增益光纤放大器的第二种实施方式结构原理示意图
图3为本发明提供的高增益光纤放大器的第三种实施方式结构原理示意图
图4为本发明提供的高增益光纤放大器的第四种实施方式结构原理示意图
图5为本发明采用第四种实施方式得到输出光谱图
具体实施方式：
以下结合附图，对本发明的工作原理、具体结构和实施方式作进一步的说明。
图1示出了本发明所提供的高增益光纤放大器的基本工作原理和一种实施方式的结构示意图。该高增益光纤放大器包含有：输入隔离器1、特定波长的辅助激光器2；信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器(WDM)3、半导体激光器4、泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5、掺镱光纤6、输出隔离器7。本实施方式中，将待放大的信号激光通过输入隔离器后与由辅助激光器发出的功率远强于信号光的辅助激光一起，经过信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器3合束后，再经由泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器5与半导体激光器4产生的泵浦光合束，后注入掺镱光纤6进行放大，放大后的激光再通过输出隔离器7输出。
在掺镱光纤的前半部分，辅助激光由于功率较高，在增益竞争中处于优势，得到了充分地放大，抑制了ASE的产生，降低了系统噪声，同时信号激光也得到了一定放大。在掺镱光纤的后半段，半导体激光器产生的泵浦激光被充分吸收，系统对辅助激光的吸收作用开始体现，此时信号光功率已远高于ASE，辅助激光与剩余的泵浦光一起成为新的混合泵浦源，对信号激光进行放大，提高了系统增益。
本装置中辅助激光器2是波长在1000～1030nm的光纤激光器、固体激光器或半导体激光器中的一种。掺镱光纤6可以是单包层、多包层或光子晶体光纤中的一种。输入隔离器1和输出隔离器7可以是隔离器，也可以是带隔离作用的环形器或滤波器。信号光是1030～1200nm波段的激光。半导体激光器4可以是工作波段在910～980nm的半导体激光器、光纤激光器或固体激光器中的一种。本发明可以对1030～1200nm的信号光进行放大。
图2给出了本发明所提供的高增益光纤放大器的第二种实施方式结构示意图。第二种的连接方式为，特定波长的辅助激光器2产生的激光先与半导体激光器4产生的激光经信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器(WDM)3合束后，再通过泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5与由输入隔离器1输入的信号光合束进入掺镱光纤6，放大后的激光从输出隔离器7的末端输出。
图3给出了本发明所提供的高增益光纤放大器的第三种实施方式结构示意图。图中信号光经由输入隔离器1引入，输入隔离器1末端与光纤光栅I 10相连，待放大的信号激光经光纤光栅I 10与半导体激光器4产生的激光经泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5合束后，进入掺镱光纤6，后进入光纤光栅II 11，经光纤光栅II 11输出后进入另一段掺镱光纤6，放大后的激光从输出隔离器7的末端输出。光纤光栅I 10(在辅助激光波段高反)和光纤光栅II 11(在相同波段部分反射)配对使用。通过选择适当的参数可以使光纤光栅II 11的末端同时输出辅助激光、信号激光和未吸收的泵浦光。再将光纤光栅II 11与掺镱光纤6相连进行增益竞争放大即可。该结构特点在于将辅助激光器引入放大器内部，系统更加紧凑，光-光效率更高。
图4给出了本发明所提供的高增益光纤放大器的第三种实施方式结构示意图。该连接方式为：在第二种连接方式的末端加上另一段掺镱光纤和另一个泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5和半导体激光器4，由该新加入的泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(WDM)5和半导体激光器4引入新的泵浦光，使得激光进一步放大，激光最终通过输出隔离器II 12的末端输出。该结构中输出隔离器II的作用是防止后级ASE进入前级系统，可以用窄带滤波器代替。采用该结构能够降低单级放大压力，进一步提高系统增益和信噪比。
在如图4所示的放大器系统中，辅助激光器2输出30mW的1012nm激光，所用掺杂光纤均为单模掺镱光纤，增益光纤6长度为7m，增益光纤14长度为1.2m，泵浦光源4能够提供最高310mW的976nm泵浦光，泵浦光源16能够提供最高430mW的976nm泵浦光，注入功率为200μW的1064nm信号激光时输出功率为208mW，系统增益高达30.17dB。将输出激光部分耦合入光谱仪进行测量，其结果如图5所示，976nm和1012nm激光已被充分吸收，输出激光中1064nm信号光强度超过ASE约38.5dB，有效地验证了该放大器结构的高增益低噪声特性。

Claims (3)

1.基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器，包括：输入隔离器（1）、波长在1000~1030nm的掺镱光纤辅助激光器（2）、信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器（3）、泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器（5）、半导体激光器（4）、掺镱光纤(6)、输出隔离器（7），其特征在于，连接方式为：工作时1030~1200nm的信号光通过输入隔离器后与由辅助激光器（2）发出的功率远强于信号光的辅助激光一起，经过信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器（3）合束后，再经由泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器（5）与半导体激光器（4）产生的泵浦光合束，后注入掺镱光纤（6）进行放大，放大后的激光再通过输出隔离器（7）输出。
2.基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器，包括：输入隔离器（1）、波长在1000~1030nm的掺镱光纤辅助激光器（2）、信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器（3）、泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器（5）、半导体激光器（4）、掺镱光纤(6)、输出隔离器（7），其特征在于，第二种连接方式为：掺镱光纤辅助激光器产生的激光先与半导体激光器（4）产生的激光经信号光波段透射/辅助光波段反射的波分复用器(3)合束后，再通过泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器(5)与1030~1200nm的信号光合束进入掺镱光纤（6），放大后的激光再通过输出隔离器（7）输出。
3.根据权利要求2所述的基于增益竞争和混合泵浦的高增益低噪声掺镱光纤放大器，其特征在于，在第二种连接方式的末端加入另一段掺镱光纤和另一个泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器（5）和半导体激光器（4），由该新加入的泵浦光波段反射信号光波段透射的波分复用器（5）和半导体激光器（4）引入新的泵浦光，使得激光进一步放大，最终通过输出隔离器Ⅱ（12）的末端输出。
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