本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域中的光纖放大器，具體涉及一種抑制光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲的光纖放大器。

背景技術(shù)：

低噪聲、單頻、窄線寬的C波段(波長為1528.77nm～1560.61nm)激光源在高速激光通信、相干激光探測和微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。這類光源主要包括半導(dǎo)體激光器和摻Er光纖激光器。與半導(dǎo)體激光器相比，摻Er光纖激光器的線寬更窄，可達(dá)到1kHz以內(nèi)，而自由運轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器的線寬通常為100kHz以上。但是，摻Er光纖激光器通常存在較強(qiáng)的強(qiáng)度噪聲，該噪聲是由弛豫振蕩造成的，弛豫振蕩的峰值頻率一般位于200kHz～2MHz。

對于上述激光強(qiáng)度噪聲，可采用光纖放大器進(jìn)行抑制。D.Q.Pan等人提出利用摻Er光纖放大器的增益飽和效應(yīng)來抑制激光強(qiáng)度噪聲(Z Q Pan,J Zhou,F Yang,Q Ye,H W Cai,R H Qu and Z J Fang,Low-frequency noise suppression of a fiber laser based on a round-trip EDFA power stabilizer,Laser Physics,23(2013),03510501-03510504)，公開了雙程光纖放大器裝置，包括單頻光纖激光器、光環(huán)形器、摻Er光纖、光纖波分復(fù)用器、可調(diào)光衰減器、法拉第反射鏡和泵浦光源。從單頻光纖激光器中產(chǎn)生的激光通過光環(huán)形器進(jìn)入摻Er光纖，在泵浦光源的作用下，在摻Er光纖內(nèi)形成增益，從而實現(xiàn)對激光的第一次放大，被放大的激光通過光纖波分復(fù)用器和可調(diào)光衰減器，被法拉第反射鏡反射后再依次通過可調(diào)光衰減器和光纖波分復(fù)用器，再次從反向進(jìn)入摻Er光纖，實現(xiàn)第二次放大，最后通過光環(huán)形器輸出。該裝置可以抑制激光強(qiáng)度噪聲的基本機(jī)制是，通過調(diào)節(jié)可調(diào)光衰減器的插入損耗，在特定的插入損耗下，雙程光纖放大器的輸出功率與輸入功率微分等于零，即輸出功率對輸入功率的變化不敏感，從而實現(xiàn)對輸出激光強(qiáng)度噪聲的抑制。從實驗結(jié)果來看，該裝置可以對1kHz以內(nèi)的激光強(qiáng)度噪聲產(chǎn)生顯著的抑制效果，而對10kHz以上的噪聲則沒有明顯的影響。因此，該裝置和方法難以抑制馳豫振蕩頻率(通常位于200kHz～2MHz)附近的強(qiáng)度噪聲，而該頻率范圍內(nèi)的噪聲是光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲的主要成分。

此外，對于光纖激光器的輸出強(qiáng)度噪聲，還可采用半導(dǎo)體激光放大器進(jìn)行抑制。華南理工大學(xué)的楊中民團(tuán)隊提出，采用半導(dǎo)體激光放大器對激光進(jìn)行放大，并對半導(dǎo)體激光放大器的驅(qū)動電流進(jìn)行反饋控制的方式抑制激光強(qiáng)度噪聲(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 noise suppression of a single-frequency fiber laser,Optics Letters,41(2016),1333-1335)。該研究組搭建了半導(dǎo)體激光放大器裝置，包括激光二極管(LD)、保偏波分復(fù)用器(PM-WDM)、短腔光纖激光器、保偏光纖隔離器(PM-ISO)、可調(diào)光衰減器(VOA)、偏振控制器(PC)、光纖耦合半導(dǎo)體光放大器(SOA)、光纖帶通濾波器(BPF)、1:99光纖耦合器、光電探測器、低通濾波器(LPF)、放大器(AMP)和半導(dǎo)體光放大器的驅(qū)動器。LD產(chǎn)生的980nm泵浦光經(jīng)過PM-WDM后，進(jìn)入短腔光纖激光器；短腔光纖激光器產(chǎn)生的1550nm激光通過PM-WDM和PM-ISO后，進(jìn)入VOA，對激光功率進(jìn)行適當(dāng)衰減；而后通過PC進(jìn)入SOA，1550nm激光功率從4mW放大到17.5mW左右；放大后的激光再通過BPF，以濾除1550nm之外的自發(fā)輻射光；而后通過1:99光纖耦合器，其99％端口作為半導(dǎo)體激光放大器的輸出口，1％端口連接PD，將激光強(qiáng)度起伏轉(zhuǎn)化為電信號，再通過LPF、AMP，輸入半導(dǎo)體光放大器的驅(qū)動器，驅(qū)動器連接SOA，形成對激光強(qiáng)度噪聲的反饋控制環(huán)路。在環(huán)路不閉合的狀態(tài)下，激光通過半導(dǎo)體激光放大器后，馳豫振蕩頻率附近的激光強(qiáng)度噪聲降低了50dB左右。在環(huán)路閉合的狀態(tài)下，進(jìn)一步顯著降低了1kHz以下的低頻噪聲，使0.8kHz到50MHz的激光強(qiáng)度噪聲降低到-150dB/Hz左右。上述采用半導(dǎo)體激光放大器并通過反饋控制的方式雖然可以獲得較好的噪聲抑制效果，但能夠達(dá)到的激光輸出功率受到半導(dǎo)體激光放大器功率容量的限制，通常單模光纖耦合的半導(dǎo)體激光放大器輸出功率不超過18dBm(即63mW)。

總之，現(xiàn)有的通過光纖放大器的增益飽和效應(yīng)抑制光纖激光器的強(qiáng)度噪聲的方法，僅能抑制低頻噪聲，無法抑制馳豫振蕩頻率附近的噪聲，而該頻率附近的噪聲是激光強(qiáng)度噪聲的主要成分。而采用半導(dǎo)體激光放大器并通過反饋控制的方式，雖然可以獲得較好的噪聲抑制效果，但輸出功率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計一種抑制光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲的光纖放大器，可以有效抑制弛豫振蕩頻率附近及低頻激光強(qiáng)度噪聲，即有效抑制光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲中的主要成分，同時提高激光輸出功率。

本發(fā)明的解決方案是針對背景技術(shù)不能同時獲得高功率和低強(qiáng)度噪聲激光輸出的弊病，本發(fā)明采用包含第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、980nm激光二極管、980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、摻Er光纖、1480nm激光二極管、保偏光纖濾波器、1:99保偏光纖耦合器、可調(diào)光纖衰減器、光電探測器、反饋控制器、激光二極管驅(qū)動器的光纖放大器，具有較高的功率容量，可對激光功率進(jìn)行顯著放大；并且，除了常規(guī)的980nm泵浦波長，本發(fā)明在光纖放大器中同時采用了1480nm泵浦波長，通過該波長激光的泵浦，可將部分Er離子從基態(tài)能級直接泵浦到激光上能級，再通過能級內(nèi)的快速弛豫到達(dá)激光發(fā)射子能級，可實現(xiàn)對放大器增益的寬帶控制；采用對激光強(qiáng)度噪聲的反饋控制環(huán)路，即可實現(xiàn)對馳豫振蕩頻率附近及低頻噪聲的有效抑制，從而可同時獲得高功率和低強(qiáng)度噪聲激光輸出。該光纖放大器的工作原理：980nm激光二極管輸出的980nm泵浦光通過980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器注入摻Er光纖，同時，1480nm激光二極管輸出的1480nm泵浦光通過第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器注入摻Er光纖，在其中形成激光增益；輸入激光依次通過第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器和980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器，再通過摻Er光纖，激光功率得到放大；1480nm泵浦光將部分Er離子從基態(tài)能級直接泵浦到激光上能級，再通過能級內(nèi)的快速弛豫到達(dá)激光發(fā)射子能級，該弛豫時間為ns量級，使得對激光增益的調(diào)制帶寬可達(dá)到100MHz以上；由第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、保偏光纖濾波器、1:99保偏光纖耦合器、可調(diào)光纖衰減器、光電探測器、反饋控制器、激光二極管驅(qū)動器、1480nm激光二極管形成對激光強(qiáng)度噪聲的反饋控制環(huán)路，通過反饋控制光纖放大器的增益，則可抑制弛豫振蕩頻率附近和低頻激光強(qiáng)度噪聲；本發(fā)明即以此實現(xiàn)其發(fā)明目的。

本發(fā)明提出的一種抑制光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲的光纖放大器，其特征在于，所述光纖放大器包括第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、980nm激光二極管、980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器、摻Er光纖、1480nm激光二極管、保偏光纖濾波器、1:99保偏光纖耦合器、可調(diào)光纖衰減器、光電探測器、反饋控制器、激光二極管驅(qū)動器；

1480nm激光二極管的輸出端口連接第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的反射端口，第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的公共端口連接980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的直通端口，980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的公共端連接摻Er光纖的一端，摻Er光纖的另一端連接第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的公共端，第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的直通端連接保偏光纖濾波器的公共端，保偏光纖濾波器的反射端連接1:99保偏光纖耦合器的輸入端，1:99保偏光纖耦合器的1％輸出端口連接可調(diào)光纖衰減器的一端，可調(diào)光纖衰減器的另一端依次連接光電探測器、反饋控制器、激光二極管驅(qū)動器、1480nm激光二極管；工作時，輸入激光從第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器的直通端口輸入，輸出激光從1:99保偏光纖耦合器的99％輸出端口輸出。

本發(fā)明光纖放大器采用兩個不同波長的激光二極管泵浦注入摻Er光纖，其中，980nm和1480nm激光二極管可以輸出較高的功率，在摻Er光纖中形成較高的增益，具有較高的泵浦-激光轉(zhuǎn)化效率，可獲得較高的輸出功率(200mW以上)；并且，1480nm激光二極管輸出的泵浦光可以將部分Er離子從基態(tài)能級直接泵浦到激光上能級，再通過能級內(nèi)的快速弛豫到達(dá)激光發(fā)射子能級，該弛豫時間為ns量級，使得對激光增益的調(diào)制帶寬可達(dá)到100MHz以上；通過對光纖放大器的增益的寬帶反饋控制，則可抑制弛豫振蕩頻率附近和低頻激光強(qiáng)度噪聲。因而本發(fā)明具有同時獲得高功率和低強(qiáng)度噪聲激光輸出的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種抑制光纖激光器輸出強(qiáng)度噪聲的光纖放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為摻Er光纖介質(zhì)的傳統(tǒng)敏化泵浦(a)和諧振泵浦(b)的能級結(jié)構(gòu)圖；

圖中：1-1.第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器，1-2.第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器，2.980nm激光二極管，3.980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器，4.摻Er光纖，5.1480nm激光二極管，6.保偏光纖濾波器，7.1:99保偏光纖耦合器，8.可調(diào)光纖衰減器，9.光電探測器，10.反饋控制器，11.激光二極管驅(qū)動器。

具體實施方式

本實施方式中：第一、第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-1和1-2：型號HPMIWDM-5548-B-S-F-01-N-B-0.8，泵浦波長1460～1490nm，激光波長1530～1565nm，功率容量1W，直通支路插入損耗0.7dB，反射支路插入損耗0.5dB，光越科技(深圳)有限公司制造，C_1-1和C_1-2表示公共端口，P_1-1和P_1-2表示直通端口，R_1-1和R_1-2表示反射端口；

980nm激光二極管2：型號SC962UF76P-20R，波長980nm，輸出功率750mW(@驅(qū)動電流1.1A)，單模光纖耦合輸出，美國OCLARO INC.制造；

980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3：型號HPMIWDM-5598-B-S-F-01-N-B-0.8，泵浦波長960～990nm，激光波長1530～1565nm，功率容量1W，直通支路插入損耗0.7dB，反射支路插入損耗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；

摻Er光纖4：型號Er110-4/125，吸收系數(shù)110dB/m，長度250mm，美國NLIGHT INC.制造；

1480nm激光二極管5：型號AF4B142FG80L，波長1480nm，輸出功率320mW(@驅(qū)動電流1A)，單模光纖耦合輸出，日本ANRITSU CORP.制造；

保偏光纖濾波器6：型號PMDWDM-1-34-NNN-BBB-0.8，波長1550nm，帶寬(@0.5dB)0.4nm，插入損耗(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保偏光纖耦合器7：型號HPMFC-1550-1-01-F-01-NNN-BBB-P-0.8，波長1550nm，分束比1:99，插入損耗0.3dB，光越科技(深圳)有限公司制造，I₇表示輸入端口，S_7,01表示1％輸出端口，S_7,99表示99％輸出端口；

可調(diào)光纖衰減器8：型號PMVOA-55-22-BB-0.8，波長1550nm，最大衰減范圍30dB，光越科技(深圳)有限公司制造；

光電探測器9：型號DET10C，響應(yīng)波長700～1800nm，上升時間10ns，美國THORLABS INC.制造；

反饋控制器10：型號IFC-50B，帶寬10MHz，群時延<50ns@12MHz，低頻增益>80dB，美國THORLABS INC.制造；

激光二極管驅(qū)動器11：型號ADA4870，帶寬70MHz，輸出電流1A，美國ANALOG DEVICES INC.制造。

本實施方式中的實施例：

980nm激光二極管2的輸出端口連接980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3的反射端口R₃，第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-1的公共端口C_1-1連接980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3的直通端口P₃，980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3公共端C₃連接摻Er光纖4的一端，摻Er光纖4的另一端連接第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-2的公共端C_1-2，第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-2的直通端P_1-2連接保偏光纖濾波器6的公共端C₆，保偏光纖濾波器6的反射端R₆連接1:99保偏光纖耦合器7的輸入端I₇，1:99保偏光纖耦合器7的1％輸出端口S_7,01連接可調(diào)光纖衰減器8的一端，可調(diào)光纖衰減器8的另一端依次連接光電探測器9、反饋控制器10、激光二極管驅(qū)動器11、1480nm激光二極管5，1480nm激光二極管5的輸出端連接第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-2的反射端R_1-2。

980nm激光二極管2輸出的980nm泵浦光通過980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3注入摻Er光纖4，同時，1480nm激光二極管5輸出的1480nm泵浦光通過第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-2注入摻Er光纖4，在其中形成激光增益；輸入激光依次通過第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-1和980/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器3，再通過摻Er光纖4后，激光功率得到放大；1480nm泵浦光將部分Er離子從基態(tài)能級直接泵浦到激光上能級，再通過能級內(nèi)的快速弛豫到達(dá)激光發(fā)射子能級(如圖2(b)所示)，該弛豫時間為ns量級，使得對激光增益的調(diào)制帶寬可達(dá)到100MHz以上；由第二1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-2、保偏光纖濾波器6、1:99保偏光纖耦合器7、可調(diào)光纖衰減器8、光電探測器9、反饋控制器10、激光二極管驅(qū)動器11、1480nm激光二極管5形成激光強(qiáng)度噪聲的反饋控制環(huán)路，通過反饋控制光纖放大器的增益，則可抑制弛豫振蕩頻率附近和低頻激光強(qiáng)度噪聲；輸出激光從1:99保偏光纖耦合器7的99％輸出端口S_7,99輸出。

第一1480/1550保偏光纖隔離波分復(fù)用器1-1用于濾除后向傳播的1480nm泵浦光，避免泵浦光影響光纖激光源的正常工作；保偏光纖濾波器6用于濾除激光波長以外的自發(fā)輻射光。

根據(jù)本實施例中所采用的元器件特性，所述激光強(qiáng)度噪聲的反饋控制環(huán)路的環(huán)路帶寬為10MHz左右，顯著大于常規(guī)光纖激光器的弛豫振蕩的峰值頻率(一般位于200kHz～2MHz)，通過調(diào)試反饋控制器10的增益或可調(diào)光纖衰減器8的插入損耗，可有效抑制弛豫振蕩頻率附近和低頻激光強(qiáng)度噪聲；與之對比，若對980nm激光二極管2進(jìn)行反饋控制，摻Er光纖4中的用來起敏化作用的Yb離子吸收980nm的泵浦光，產(chǎn)生能級躍遷，而后再通過弛豫過程將能量傳遞給Er離子，如圖2(a)所示。而該弛豫過程所需時間一般在10μs以上，使環(huán)路控制帶寬難以達(dá)到100kHz以上，會嚴(yán)重限制噪聲抑制效果。

在輸出功率方面，單頻保偏光纖激光器的輸出功率可達(dá)到77mW左右，(參考文獻(xiàn)1：楊昌盛，徐善輝，李燦，莫樹培，馮洲明，姜中宏，楊中民，1.5μm波段連續(xù)單頻光纖激光器的研究進(jìn)展，中國科學(xué)：化學(xué)，43(2013)，1407-1417)，高摻雜摻Er光纖的泵浦-激光轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到29％以上(參考文獻(xiàn)1)，結(jié)合本實施例中各元器件的插損特性，并考慮各元件的連接損耗，光纖放大器輸出功率可達(dá)到200mW以上。

采用更高功率的激光二極管可進(jìn)一步提高激光輸出功率，如不考慮泵浦光功率的限制，光纖放大器的輸出功率主要受限于非線性效應(yīng)，而單模摻Er光纖4和傳導(dǎo)光纖的非線性效應(yīng)閾值大于10W(參考文獻(xiàn)1)，即在10W輸出功率以下，非線性效應(yīng)可忽略。因此，本發(fā)明具有較高的功率容量和良好的功率擴(kuò)展性，可同時獲得高功率和低強(qiáng)度噪聲激光輸出。