芯泵浦高功率宽带谱平坦长波段光纤光源

郑彦敏，林碧金，强则煊，陈曦曜，李 晖，邱怡申

（1.福建师范大学 激光与光电子技术研究所 福建省光子技术重点实验室，医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州350007；2.闽江学院 物理学与光电子信息工程系，福建 福州350108）

引言

掺铒光纤超荧光光源（EDSFS）具有输出功率高、光谱稳定性好、谱线宽、寿命长及易于光纤器件耦合等优点，已在光谱测试、光通信、光纤传感及光学相干断层扫描成像（OCT）等方面取得广泛应用。但传统的C波段（1 520nm～1 560nm）已无法满足人们日益增长的信息需求，拓宽通信带宽到L波段（1 565nm～1 610nm）是一种行之有效的方法。此外，研究表明长波长的OCT更能深入穿透生物组织，获得更大成像穿透深度，且高功率有助于增强图像对比度［1－2］。然而L波段SFS位于掺铒光纤的增益尾部，其通过前端产生的C波段放大自发辐射（ASE）作为2级抽运源泵浦后端掺铒光纤来实现，效率低。对此人们提出了各种改善方案，主要有2大类：高效率增益光纤的设计［3－4］和2级抽运源的优化设计［5－8］。其中，高效率增益光纤的设计主要有2种方案：直接提高增益光纤中铒离子浓度和铒／镱共掺。前者缩短了增益光纤长度，但过高的掺铒浓度会引起浓度猝灭效应，进而限制了泵浦光转换效率；后者利用镱离子作为敏化剂可以改善铒离子浓度高的问题，但对于高功率泵浦，容易使镱离子在1μm波长处产生寄生振荡［9］，进而损伤泵浦。而2级抽运源的优化设计则主要包括多级结构［5］、基于未泵浦光纤的2级结构［6］及2级双程 结构［7－8］等。一 般说来，多 级结构复杂、光纤焊接点多，在高功率泵浦时容易形成自激振荡，进而破坏系统；未泵浦光纤尽管可以回收利用后向ASE改善效率，但效率依然低下；而2级双程则结构紧凑、效率高（40%以上），是目前人们倍受青睐的有效方案之一。须指出的是，先前报道的L波段SFS输出功率一般小于150mW，且带宽基本上是采用光纤陀螺用的积分带宽定义［10－11］，很难直观有效地反映光谱的平坦度。

随着半导体激光器（LD）技术的迅速发展，单模输出的LD（如980nm）已经可以达到750mW，而对于多模输出的LD则可以达到数十瓦甚至上百瓦。光纤也从单包层发展到双包层，泵浦方式相应地从芯泵浦（单包层）发展到包层泵浦。近年来，基于主振荡功率放大（MOPA）结构的瓦级（0.94W）L波段SFS［4］也见诸报道，但其结构复杂，光学转换效率还不是很高（21%），不仅需要L波段ASE作种子源，还需要用到价格昂贵的泵浦合波器、双包层增益光纤等。因此，进一步讨论数百毫瓦到瓦之间的L波段宽带、高效率、谱平坦的SFS是十分必要的。

基于芯泵浦2级双程结构，采用传统的商用单包层L波段高浓度光纤，应用偏振复用技术解决单模泵浦无法达到瓦供给的问题，并以光谱平坦度为准定义了相应的光谱带宽及中心波长，兼顾输出光功率，数值分析比较了双程前向和双程后向的4种不同组合结构随泵浦功率和增益光纤比例对输出特性的影响，进而得出高功率、宽带宽、谱平坦、高抽运转换效率的最有效配置方案。

1 结构设计及参数定义

如前所述，2级双程L波段SFS结构具有结构紧凑且功率转换效率高等优点，因此，我们不妨仍以此基本结构为基础，并考虑到泵浦方向可以有前向和后向，最后可以得到4种结构，如图1所示。它们包含1个3dB光纤耦合器组成的光纤环反射镜（FLR），2段掺铒光纤（EDF），2个波分复用器（WDM），1个光纤隔离器（ISO），1个光纤分束器（PBS），1个光纤偏振合波器（PBC），1个半波长波片（WP），2个半导体激光器（LD）及光谱分析仪（OSA）。这里PBC、WP及2个LD主要利用偏振复用技术［12］以解决当前单模LD的输出功率无法达到瓦级的问题；PBS使得泵浦功率更加有效地作用于各段增益光纤以获得最佳性能。究其实质，图中4种结构可以看成双程前向（DPF）和双程后向（DPB的）不同组合，每段产生的ASE相互影响。

图1 2级双程瓦级芯泵浦L波段SFS结构示意图Fig.1 Schematic of proposed walt-level core-pumping dual-stage double-pass L-band SFS

对于SFS，通常采用如下方程计算它的中心波长λase和带宽 Δλase，total［11］：

asease，total

式中：λi为第i段 ASE的波长；Pase，i为相应功率，Pase，total为ASE输出总功率；n为ASE光谱被分割的段数；Δλase，i为第i段ASE的宽度。图2所示为一个双峰的L波段SFS光谱图，其平坦度Δp为2dB，相应的带宽Δλ（即λ1和λ2的差值的绝对值）为34.16nm，平均波长λ（即λ1和λ2的平均值）为1 585.2nm。如果根据（1）式和（2）式，λase和 Δλase，total则分别为1 586.2nm和42.26nm，显然其无法直接反映光谱的平坦度，而平坦的SFS则更便于在WDM系统中应用［13］。为了更好地分析比较上述4种结构对光谱平坦度的影响，在下面的讨论分析中采用基于平坦度的带宽和平均波长，而输出总功率依然是 Pase，total。

图2 光谱平坦度、带宽及中心波长的表示Fig.2 Description of spectrum flatness，bandwidth and center wavelength of SFS

2 数值模拟及讨论

L波段EDF是实验室里常用的早期商业化光纤，即原朗讯公司的高浓度EDF（L124301）进行设计，其在980nm和1 530nm处的吸收系数α分别为16.49dB／m和32.49dB／m，980nm处的增益系数g＊为0dB／m，背景损耗l约为6.77dB／km，模场半径约为5μm，截止波长为1 230nm，数值孔径为0.26，掺杂浓度约为2.9×1025m－3。由于目前市面上报道的单模980nm泵浦最高功率输出只能到750mW，并考虑到2个LD经过PBC、PBS及WDM器件后存在功率损耗，以及器件直接的接续损耗，不妨将分配给2段EDF的泵浦波长及总功率设置为980nm和750mW。同样考虑到3dB光纤耦合器的插入损耗及连接损耗等，反射率设置为90%。类似于文献［7-8］，在相同总泵浦功率Ptotal时，对单级双程前向结构进行优化，得到最平坦的L波段SFS所对应的最佳光纤长度21m，以此作为图1中2段光纤的总长度Ltotal。考虑到优化过程中可能出现不同于图2的单峰光谱形状，对于这种光谱形状，平坦度取值限制为5dB，进而求得相应带宽和平均波长。我们基于Giles模型结合龙格子库塔法［14－15］对提出的光源结构的输出特性进行仿真。

图3所示为4种不同结构的平均波长受第1段泵浦功率比例（P1／Ptotal）和第1段光纤长度比例（L1／Ltotal）影响的全局变化强度图。有趣的是4种结构 除 了 L1／Ltotal∈ ［0，0.118］和 P1／Ptotal∈［0.914，0.96］围成的区域以外基本上都能很好地工作于L波段，其明显不同于人们以为的SPB和DPB结构仅适于C波段的SFS。这进一步表明2级级联的实质是光谱之间的相互影响和整形。

图3 平均波长随泵浦比例及光纤长度比例的变化关系Fig.3 Mean wavelength affected by allocation ratio of pump and length of EDF

图4 所示为4种结构求得的光谱平坦度随P1／Ptotal和L1／Ltotal的变化强度图。其中，只有结构图4（b）可以在L1／Ltotal为0.048，P1／Ptotal为0.8时，取得最小平坦度1.4dB；整个强度图除了L1／Ltotal轴两端的小区域外，基本上从上到下均匀地分成3个区域而不受长度比例的影响；第1个区 域 为 P1／Ptotal∈ ［0.33，1］，第 2 个 区 域 为P1／Ptotal∈［0.04，0.33］，第3个区域为 P1／Ptotal∈［0，0.04］，它们对应的平坦度分别为3.22dB，2.61dB和4.46dB。其他3种结构则基本上都敏感于长度比例的变化。例如结构图4（a）的p在P1／Ptotal∈［0，0.9］时，随L1／Ltotal的增加呈先增加后减小的趋势，最小值在图形的右下方；结构图4（c）和（d）的最小值也是在右下方。图5所示为4种结构求得的带宽随P1／Ptotal和L1／Ltotal的变化强度图。结构图5（d）可以在L1／Ltotal为0.857，P1／Ptotal为0时，取得最大带宽62.5nm，而在其他取值范围时基本上和其他3种结构一样，都能提供33nm左右的带宽而不敏感于L1／Ltotal和P1／Ptotal。

图6所示为4种结构求得的输出功率随P1／Ptotal和L1／Ltotal的变化强度图。只有结构图6（d）可以在L1／Ltotal为0.857，P1／Ptotal为0.4时，取得最大输出功率313.9mW，其基本上沿着对角线，先递增达到最大区域后再递减，在 L1／Ltotal∈［0.48，0.88］且P1／Ptotal∈［0.18，0.74］围成的区域范围内会得到较大的输出功率；而结构图6（a）的输出功率变化规律尽管类似于结构图6（d），但其得到的最大功率267.2mW明显小于结构图6（d）。有意思的是结构图6（b）和图6（c）的变化规律明显不同于其他2种。结构图6（b）基本上不敏感于L1／Ltotal的变化，自上向下随着P1／Ptotal的增加而减小，在P1／Ptotal∈［0，0.54］区域内基本上可以得到较高输出功率；与之相反，结构图6（c）的变化情况是沿水平自左向右递增，基本上不敏感于P1／Ptotal的变化，其最大输出功率可以达到306.7mW。

图4 平坦度随泵浦比例及光纤长度比例的变化关系Fig.4 Spectrum flatness affected by allocation ratio of pump and length of EDF

图5 带宽随泵浦比例及光纤长度比例的变化关系Fig.5 Bandwidth affected by allocation ratio of pump and length of EDF

图6 输出功率随泵浦比例及光纤长度比例的变化关系Fig.6 Output power affected by allocation ratio of pump and length of EDF

总之，结构图6（a）、（b）、（c）需要牺牲输出功率才能实现高平坦度；而只有结构图6（d）最有可能使设计的L波段SFS拥有高平坦度、宽带宽和高输出功率的特征。例如，在EDF1为18m，EDF2为3m及相应泵浦功率分别为300mW和450mW时，我们可以得到中心波长为1 584.84nm、带宽32.41nm、平坦度2.23dB、输出功率为314mW的SFS。

3 结论

基于芯泵浦2级双程结构，应用早期商用单包层L波段EDF，利用偏振复用技术解决单模泵浦瓦级供给问题，在保持泵浦总功率和EDF光纤总长度不变的情况下，数值分析比较了DBP和DPF两级的4种结构随泵浦和光纤分配比例的影响，结果表明：4种结构基本上都能很好地工作于L波段，与结构差别关系甚微，与此同时，带宽也不是很敏感于不同结构；兼顾输出功率时，DPF＋DPB结构可以获得最高的平坦度（1.4dB），但却牺牲了输出功率，只有106mW；只有DPB＋DPB结构，可以同时提供高输出功率、高平坦度；其结论将为传统的低功率L波段SFS升级到高功率提供理论指导。

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