鄭彥敏，林碧金，強(qiáng)則煊，陳曦曜，李 暉，邱怡申

（1.福建師范大學(xué) 激光與光電子技術(shù)研究所 福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350007；2.閩江學(xué)院 物理學(xué)與光電子信息工程系，福建 福州350108）

引言

摻鉺光纖超熒光光源（EDSFS）具有輸出功率高、光譜穩(wěn)定性好、譜線寬、壽命長(zhǎng)及易于光纖器件耦合等優(yōu)點(diǎn)，已在光譜測(cè)試、光通信、光纖傳感及光學(xué)相干斷層掃描成像（OCT）等方面取得廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的C波段（1 520nm～1 560nm）已無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的信息需求，拓寬通信帶寬到L波段（1 565nm～1 610nm）是一種行之有效的方法。此外，研究表明長(zhǎng)波長(zhǎng)的OCT更能深入穿透生物組織，獲得更大成像穿透深度，且高功率有助于增強(qiáng)圖像對(duì)比度［1－2］。然而L波段SFS位于摻鉺光纖的增益尾部，其通過前端產(chǎn)生的C波段放大自發(fā)輻射（ASE）作為2級(jí)抽運(yùn)源泵浦后端摻鉺光纖來實(shí)現(xiàn)，效率低。對(duì)此人們提出了各種改善方案，主要有2大類：高效率增益光纖的設(shè)計(jì)［3－4］和2級(jí)抽運(yùn)源的優(yōu)化設(shè)計(jì)［5－8］。其中，高效率增益光纖的設(shè)計(jì)主要有2種方案：直接提高增益光纖中鉺離子濃度和鉺／鐿共摻。前者縮短了增益光纖長(zhǎng)度，但過高的摻鉺濃度會(huì)引起濃度猝滅效應(yīng)，進(jìn)而限制了泵浦光轉(zhuǎn)換效率；后者利用鐿離子作為敏化劑可以改善鉺離子濃度高的問題，但對(duì)于高功率泵浦，容易使鐿離子在1μm波長(zhǎng)處產(chǎn)生寄生振蕩［9］，進(jìn)而損傷泵浦。而2級(jí)抽運(yùn)源的優(yōu)化設(shè)計(jì)則主要包括多級(jí)結(jié)構(gòu)［5］、基于未泵浦光纖的2級(jí)結(jié)構(gòu)［6］及2級(jí)雙程 結(jié)構(gòu)［7－8］等。一 般說來，多 級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光纖焊接點(diǎn)多，在高功率泵浦時(shí)容易形成自激振蕩，進(jìn)而破壞系統(tǒng)；未泵浦光纖盡管可以回收利用后向ASE改善效率，但效率依然低下；而2級(jí)雙程則結(jié)構(gòu)緊湊、效率高（40%以上），是目前人們倍受青睞的有效方案之一。須指出的是，先前報(bào)道的L波段SFS輸出功率一般小于150mW，且?guī)捇旧鲜遣捎霉饫w陀螺用的積分帶寬定義［10－11］，很難直觀有效地反映光譜的平坦度。

隨著半導(dǎo)體激光器（LD）技術(shù)的迅速發(fā)展，單模輸出的LD（如980nm）已經(jīng)可以達(dá)到750mW，而對(duì)于多模輸出的LD則可以達(dá)到數(shù)十瓦甚至上百瓦。光纖也從單包層發(fā)展到雙包層，泵浦方式相應(yīng)地從芯泵浦（單包層）發(fā)展到包層泵浦。近年來，基于主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)的瓦級(jí)（0.94W）L波段SFS［4］也見諸報(bào)道，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)轉(zhuǎn)換效率還不是很高（21%），不僅需要L波段ASE作種子源，還需要用到價(jià)格昂貴的泵浦合波器、雙包層增益光纖等。因此，進(jìn)一步討論數(shù)百毫瓦到瓦之間的L波段寬帶、高效率、譜平坦的SFS是十分必要的。

基于芯泵浦2級(jí)雙程結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的商用單包層L波段高濃度光纖，應(yīng)用偏振復(fù)用技術(shù)解決單模泵浦無法達(dá)到瓦供給的問題，并以光譜平坦度為準(zhǔn)定義了相應(yīng)的光譜帶寬及中心波長(zhǎng)，兼顧輸出光功率，數(shù)值分析比較了雙程前向和雙程后向的4種不同組合結(jié)構(gòu)隨泵浦功率和增益光纖比例對(duì)輸出特性的影響，進(jìn)而得出高功率、寬帶寬、譜平坦、高抽運(yùn)轉(zhuǎn)換效率的最有效配置方案。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)定義

如前所述，2級(jí)雙程L波段SFS結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊且功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，我們不妨仍以此基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并考慮到泵浦方向可以有前向和后向，最后可以得到4種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它們包含1個(gè)3dB光纖耦合器組成的光纖環(huán)反射鏡（FLR），2段摻鉺光纖（EDF），2個(gè)波分復(fù)用器（WDM），1個(gè)光纖隔離器（ISO），1個(gè)光纖分束器（PBS），1個(gè)光纖偏振合波器（PBC），1個(gè)半波長(zhǎng)波片（WP），2個(gè)半導(dǎo)體激光器（LD）及光譜分析儀（OSA）。這里PBC、WP及2個(gè)LD主要利用偏振復(fù)用技術(shù)［12］以解決當(dāng)前單模LD的輸出功率無法達(dá)到瓦級(jí)的問題；PBS使得泵浦功率更加有效地作用于各段增益光纖以獲得最佳性能。究其實(shí)質(zhì)，圖中4種結(jié)構(gòu)可以看成雙程前向（DPF）和雙程后向（DPB的）不同組合，每段產(chǎn)生的ASE相互影響。

圖1 2級(jí)雙程瓦級(jí)芯泵浦L波段SFS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of proposed walt-level core-pumping dual-stage double-pass L-band SFS

對(duì)于SFS，通常采用如下方程計(jì)算它的中心波長(zhǎng)λase和帶寬 Δλase，total［11］：

asease，total

式中：λi為第i段 ASE的波長(zhǎng)；Pase，i為相應(yīng)功率，Pase，total為ASE輸出總功率；n為ASE光譜被分割的段數(shù)；Δλase，i為第i段ASE的寬度。圖2所示為一個(gè)雙峰的L波段SFS光譜圖，其平坦度Δp為2dB，相應(yīng)的帶寬Δλ（即λ1和λ2的差值的絕對(duì)值）為34.16nm，平均波長(zhǎng)λ（即λ1和λ2的平均值）為1 585.2nm。如果根據(jù)（1）式和（2）式，λase和 Δλase，total則分別為1 586.2nm和42.26nm，顯然其無法直接反映光譜的平坦度，而平坦的SFS則更便于在WDM系統(tǒng)中應(yīng)用［13］。為了更好地分析比較上述4種結(jié)構(gòu)對(duì)光譜平坦度的影響，在下面的討論分析中采用基于平坦度的帶寬和平均波長(zhǎng)，而輸出總功率依然是 Pase，total。

圖2 光譜平坦度、帶寬及中心波長(zhǎng)的表示Fig.2 Description of spectrum flatness，bandwidth and center wavelength of SFS

2 數(shù)值模擬及討論

L波段EDF是實(shí)驗(yàn)室里常用的早期商業(yè)化光纖，即原朗訊公司的高濃度EDF（L124301）進(jìn)行設(shè)計(jì)，其在980nm和1 530nm處的吸收系數(shù)α分別為16.49dB／m和32.49dB／m，980nm處的增益系數(shù)g＊為0dB／m，背景損耗l約為6.77dB／km，模場(chǎng)半徑約為5μm，截止波長(zhǎng)為1 230nm，數(shù)值孔徑為0.26，摻雜濃度約為2.9×1025m－3。由于目前市面上報(bào)道的單模980nm泵浦最高功率輸出只能到750mW，并考慮到2個(gè)LD經(jīng)過PBC、PBS及WDM器件后存在功率損耗，以及器件直接的接續(xù)損耗，不妨將分配給2段EDF的泵浦波長(zhǎng)及總功率設(shè)置為980nm和750mW。同樣考慮到3dB光纖耦合器的插入損耗及連接損耗等，反射率設(shè)置為90%。類似于文獻(xiàn)［7-8］，在相同總泵浦功率Ptotal時(shí)，對(duì)單級(jí)雙程前向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到最平坦的L波段SFS所對(duì)應(yīng)的最佳光纖長(zhǎng)度21m，以此作為圖1中2段光纖的總長(zhǎng)度Ltotal。考慮到優(yōu)化過程中可能出現(xiàn)不同于圖2的單峰光譜形狀，對(duì)于這種光譜形狀，平坦度取值限制為5dB，進(jìn)而求得相應(yīng)帶寬和平均波長(zhǎng)。我們基于Giles模型結(jié)合龍格子庫塔法［14－15］對(duì)提出的光源結(jié)構(gòu)的輸出特性進(jìn)行仿真。

圖3所示為4種不同結(jié)構(gòu)的平均波長(zhǎng)受第1段泵浦功率比例（P1／Ptotal）和第1段光纖長(zhǎng)度比例（L1／Ltotal）影響的全局變化強(qiáng)度圖。有趣的是4種結(jié)構(gòu) 除 了 L1／Ltotal∈ ［0，0.118］和 P1／Ptotal∈［0.914，0.96］圍成的區(qū)域以外基本上都能很好地工作于L波段，其明顯不同于人們以為的SPB和DPB結(jié)構(gòu)僅適于C波段的SFS。這進(jìn)一步表明2級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)質(zhì)是光譜之間的相互影響和整形。

圖3 平均波長(zhǎng)隨泵浦比例及光纖長(zhǎng)度比例的變化關(guān)系Fig.3 Mean wavelength affected by allocation ratio of pump and length of EDF

圖4 所示為4種結(jié)構(gòu)求得的光譜平坦度隨P1／Ptotal和L1／Ltotal的變化強(qiáng)度圖。其中，只有結(jié)構(gòu)圖4（b）可以在L1／Ltotal為0.048，P1／Ptotal為0.8時(shí)，取得最小平坦度1.4dB；整個(gè)強(qiáng)度圖除了L1／Ltotal軸兩端的小區(qū)域外，基本上從上到下均勻地分成3個(gè)區(qū)域而不受長(zhǎng)度比例的影響；第1個(gè)區(qū) 域 為 P1／Ptotal∈ ［0.33，1］，第 2 個(gè) 區(qū) 域 為P1／Ptotal∈［0.04，0.33］，第3個(gè)區(qū)域?yàn)?P1／Ptotal∈［0，0.04］，它們對(duì)應(yīng)的平坦度分別為3.22dB，2.61dB和4.46dB。其他3種結(jié)構(gòu)則基本上都敏感于長(zhǎng)度比例的變化。例如結(jié)構(gòu)圖4（a）的p在P1／Ptotal∈［0，0.9］時(shí)，隨L1／Ltotal的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最小值在圖形的右下方；結(jié)構(gòu)圖4（c）和（d）的最小值也是在右下方。圖5所示為4種結(jié)構(gòu)求得的帶寬隨P1／Ptotal和L1／Ltotal的變化強(qiáng)度圖。結(jié)構(gòu)圖5（d）可以在L1／Ltotal為0.857，P1／Ptotal為0時(shí)，取得最大帶寬62.5nm，而在其他取值范圍時(shí)基本上和其他3種結(jié)構(gòu)一樣，都能提供33nm左右的帶寬而不敏感于L1／Ltotal和P1／Ptotal。

圖6所示為4種結(jié)構(gòu)求得的輸出功率隨P1／Ptotal和L1／Ltotal的變化強(qiáng)度圖。只有結(jié)構(gòu)圖6（d）可以在L1／Ltotal為0.857，P1／Ptotal為0.4時(shí)，取得最大輸出功率313.9mW，其基本上沿著對(duì)角線，先遞增達(dá)到最大區(qū)域后再遞減，在 L1／Ltotal∈［0.48，0.88］且P1／Ptotal∈［0.18，0.74］圍成的區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)得到較大的輸出功率；而結(jié)構(gòu)圖6（a）的輸出功率變化規(guī)律盡管類似于結(jié)構(gòu)圖6（d），但其得到的最大功率267.2mW明顯小于結(jié)構(gòu)圖6（d）。有意思的是結(jié)構(gòu)圖6（b）和圖6（c）的變化規(guī)律明顯不同于其他2種。結(jié)構(gòu)圖6（b）基本上不敏感于L1／Ltotal的變化，自上向下隨著P1／Ptotal的增加而減小，在P1／Ptotal∈［0，0.54］區(qū)域內(nèi)基本上可以得到較高輸出功率；與之相反，結(jié)構(gòu)圖6（c）的變化情況是沿水平自左向右遞增，基本上不敏感于P1／Ptotal的變化，其最大輸出功率可以達(dá)到306.7mW。

圖4 平坦度隨泵浦比例及光纖長(zhǎng)度比例的變化關(guān)系Fig.4 Spectrum flatness affected by allocation ratio of pump and length of EDF

圖5 帶寬隨泵浦比例及光纖長(zhǎng)度比例的變化關(guān)系Fig.5 Bandwidth affected by allocation ratio of pump and length of EDF

圖6 輸出功率隨泵浦比例及光纖長(zhǎng)度比例的變化關(guān)系Fig.6 Output power affected by allocation ratio of pump and length of EDF

總之，結(jié)構(gòu)圖6（a）、（b）、（c）需要犧牲輸出功率才能實(shí)現(xiàn)高平坦度；而只有結(jié)構(gòu)圖6（d）最有可能使設(shè)計(jì)的L波段SFS擁有高平坦度、寬帶寬和高輸出功率的特征。例如，在EDF1為18m，EDF2為3m及相應(yīng)泵浦功率分別為300mW和450mW時(shí)，我們可以得到中心波長(zhǎng)為1 584.84nm、帶寬32.41nm、平坦度2.23dB、輸出功率為314mW的SFS。

3 結(jié)論

基于芯泵浦2級(jí)雙程結(jié)構(gòu)，應(yīng)用早期商用單包層L波段EDF，利用偏振復(fù)用技術(shù)解決單模泵浦瓦級(jí)供給問題，在保持泵浦總功率和EDF光纖總長(zhǎng)度不變的情況下，數(shù)值分析比較了DBP和DPF兩級(jí)的4種結(jié)構(gòu)隨泵浦和光纖分配比例的影響，結(jié)果表明：4種結(jié)構(gòu)基本上都能很好地工作于L波段，與結(jié)構(gòu)差別關(guān)系甚微，與此同時(shí)，帶寬也不是很敏感于不同結(jié)構(gòu)；兼顧輸出功率時(shí)，DPF＋DPB結(jié)構(gòu)可以獲得最高的平坦度（1.4dB），但卻犧牲了輸出功率，只有106mW；只有DPB＋DPB結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)提供高輸出功率、高平坦度；其結(jié)論將為傳統(tǒng)的低功率L波段SFS升級(jí)到高功率提供理論指導(dǎo)。

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