王 銳，吳 洋，林兆培，邢美術(shù)，王玉寶，戚 偉，亢 亢

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十三研究所，上海 201900;2.河南地礦職業(yè)學(xué)校，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷進(jìn)步，雷達(dá)探測的距離和精度越來越高，這就要求對激光系統(tǒng)中的誤差分配進(jìn)行精確計(jì)算，盡可能減少系統(tǒng)本身的誤差.在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，通常采用1.5 μm激光器作為種子源，通過外調(diào)制的方式將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光，經(jīng)過多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的鉺鐿共摻雙包層光纖放大器(EYDFA)對種子源進(jìn)行放大，最后利用相干測量的方法增加雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離[1-6].

在多信道的高功率放大系統(tǒng)中，光纖放大器的輸出信號由于瞬態(tài)增益發(fā)生了波形畸變，產(chǎn)生一個呈有限遞減的指數(shù)衰減型波形，其畸變程度與泵浦電流和脈寬有關(guān)，且有一定程度的脈寬壓窄.這種波形畸變由于增加了脈沖激光的峰值功率，不僅會造成較大的誤碼率，使激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度大大下降，影響測量結(jié)果，甚至?xí)姑}沖激光過早達(dá)到受激布里淵散射(SBS)閾值，擊毀系統(tǒng)內(nèi)部器件，從而對系統(tǒng)本身造成不可修復(fù)的損壞.

目前解決脈沖激光在放大過程中由于增益不平坦導(dǎo)致的波形畸變問題主要采用兩種方法：一是優(yōu)化設(shè)計(jì)放大器的自身增益平坦型，通過改變光纖基質(zhì)的類型或摻雜稀土離子種類和濃度來改善放大器的增益不平坦；二是引入增益平坦技術(shù)，可分為靜態(tài)增益平坦濾波器和動態(tài)增益均衡器.改變光纖基質(zhì)的類型或摻雜稀土離子種類和濃度可從根本上解決增益不平坦問題，具有良好的可靠性，但其只適用于小范圍的固定波段；靜態(tài)增益平坦濾波器簡單易行，同時(shí)具有較低的插入損耗，但和第一種方法一樣，雖然能實(shí)現(xiàn)增益譜的靜態(tài)平坦，但嚴(yán)重缺乏靈活性；動態(tài)增益平坦技術(shù)包括全光纖聲光可調(diào)濾波器，級聯(lián)式液晶光學(xué)諧波均衡以及全息聚合物液晶光柵等多種系統(tǒng)[7-11]，可通過相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)多信道增益的實(shí)時(shí)可調(diào)，具有高度的智能化，但其價(jià)格過高，不適用于部分中小型產(chǎn)品.

本文通過任意波形發(fā)生器(AWG)對聲光調(diào)制器(AOM)進(jìn)行波形編輯，通過預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞綄冃盘栠M(jìn)行補(bǔ)償，不僅可解決脈沖激光在放大過程中出現(xiàn)的脈沖波形前沿銳化問題，降低脈沖激光的峰值功率，抑制SBS的光學(xué)非線性效應(yīng)，也限制了激光脈沖寬度的窄化，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)更改參數(shù)，且具有操作簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn).

1 高功率光纖放大器實(shí)驗(yàn)

高功率光纖激光系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.種子源采用波長為1551.12 nm的連續(xù)激光器，最大輸出功率為10 mW.信號光先經(jīng)過摻鉺光纖放大器進(jìn)行一級連續(xù)預(yù)放大，以提高注入雙包層光纖放大器的信號功率，在盡可能提高注入雙包層鉺鐿共摻光纖放大器信號光功率的同時(shí)，使信號光具有較高的光信噪比(OSNR).AOM1對預(yù)放后的信號光進(jìn)行外調(diào)制，輸出重頻10 kHz、脈寬500 ns的脈沖激光.信號光隨后進(jìn)入雙包層鉺鐿共摻光纖放大器進(jìn)行二級放大.一級預(yù)放大器的泵浦為波長976 nm、最大輸出功率600 mW的半導(dǎo)體激光器，經(jīng)980/1550 nm WDM耦合進(jìn)長度為1.8 m、纖芯直徑為7 μm的單包層摻鉺光纖；二級主放大器泵浦為凱普林公司的976 nm大功率激光二極管，最大輸出功率為9 W.主放大器增益光纖采用Coractive公司生產(chǎn)的鉺鐿共摻雙包層光纖作為放大介質(zhì)，該光纖在1535 nm處的峰值吸收系數(shù)為65.8 dB/m，在915 nm處的峰值吸收系數(shù)為1.75 dB/m.在兩級放大器的輸入和輸出端同時(shí)加上高功率隔離濾波器，不僅可以防止反向斯托克斯光擊毀器件，同時(shí)也可以防止放大器內(nèi)部出現(xiàn)激光振蕩.主放大器由于采用了雙包層鉺鐿共摻光纖，在976 nm泵浦光的作用下，會產(chǎn)生一定的放大自發(fā)輻射噪聲(ASE)，但當(dāng)輸入信號光達(dá)到一定的功率時(shí)，ASE將會得到極大的抑制，系統(tǒng)光信噪比會得到有效提升.為了防止1030 nm波段的后向ASE對泵浦源的損傷，單模和多模泵浦源的輸出端均連接了泵浦保護(hù)器.

預(yù)放光路圖如圖1(b)所示，為減少過多器件帶來的插損，預(yù)放大器(Pre-A)采用最大輸出為600 mW的LD泵浦，經(jīng)WDM耦合進(jìn)7/125的單包層摻鉺保偏光纖(PM ESF)，對連續(xù)信號進(jìn)行納焦級放大.初始脈沖信號沿光路進(jìn)入主放大器(AMP)，為提高系統(tǒng)的受激布里淵散射(SBS)閾值，主放大器采用10/128的雙包層鉺鐿共摻大模場保偏光纖(PM EYDF)進(jìn)行μJ級放大，主放大器光路如圖1(c)所示.主放大器采用波長976 nm的鎖波長激光二極管(Wavelength-Locked LD, 9 W)為抽運(yùn)源，以防止環(huán)境因素引起的泵浦波長漂移進(jìn)而影響放大效率.泵浦光經(jīng)耦合器耦合進(jìn)PM EYDF對預(yù)放輸出進(jìn)行放大.經(jīng)過兩級放大后初始信號光的單脈沖能量提升至30 μJ.所有器件的輸入和輸出均采用斜頭跳線，實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

由于在放大過程中調(diào)節(jié)泵浦功率將導(dǎo)致瞬態(tài)增益，使脈沖波形的前沿增益大于后沿增益，脈沖峰值向前沿方向移動，進(jìn)而產(chǎn)生波形畸變，急劇加大信號的峰值功率，會過早達(dá)到系統(tǒng)SBS閾值，不僅會擊毀器件，還會影響信號的光譜.實(shí)驗(yàn)通過AWG對觸發(fā)信號進(jìn)行編輯，對預(yù)放大信號進(jìn)行波形預(yù)補(bǔ)償，抑制由瞬態(tài)效應(yīng)引起的脈沖波形畸變.

圖1 光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注：(a)系統(tǒng)主光路圖；(b)預(yù)放級光路圖；(c)主放級光路圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

信號光經(jīng)兩級放大后輸出初始放大信號，通過AOM2后的99/1分束器提取初始放大信號波形，利用示波器觀察其1%輸出信號的時(shí)間波形.從圖2(a)可以觀察到，初始放大信號由于瞬態(tài)增益，脈沖信號前沿方向的功率已遠(yuǎn)大于其后沿方向，前沿功率大約為后沿功率的兩倍，已急劇加大了信號的峰值功率，信號頂部呈前高后低有限遞減的指數(shù)衰減型波形，已產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的畸變，且信號的脈寬也出現(xiàn)了較為明顯的窄化現(xiàn)象，觸發(fā)信號的脈寬從500 ns窄化到了425 ns左右.

由于波形畸變后呈前高后低的形狀，其峰值功率被大大提高，使系統(tǒng)過早達(dá)到SBS閾值，產(chǎn)生后向的斯托克斯光子，可能擊穿上一級器件，造成不可逆的損傷.不僅如此，系統(tǒng)一旦過早達(dá)到SBS閾值，反向的斯托克斯光子會通過摻雜增益光纖，吸收大量泵浦能量，使信號光在放大過程中的泵浦能量嚴(yán)重不足，直接導(dǎo)致輸出能量大幅下降.當(dāng)泵浦電流為2.15 A時(shí)，在光譜儀上已觀察到了非常明顯的SBS反向光.

瞬態(tài)增益引發(fā)的波形畸變不僅改變了脈沖信號的時(shí)間波形，使其峰值功率被大大提高，系統(tǒng)過早達(dá)到SBS閾值，可能擊穿上一級器件，造成不可逆的損傷，導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)斷光現(xiàn)象，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能.不僅如此，系統(tǒng)一旦過早達(dá)到SBS閾值，反向的斯托克斯光子會通過摻雜增益光纖，吸收大量泵浦能量，使信號光在放大過程中的泵浦能量嚴(yán)重不足，直接導(dǎo)致輸出能量大幅下降.當(dāng)泵浦電流為2.15 A時(shí)，初始放大信號的光譜如圖2(b)所示，在信號光譜左側(cè)觀察到一個明顯的噪聲光波峰.根據(jù)SBS產(chǎn)生原理，后向散射光頻率低于前向信號光，即SBS光波長短于信號光波長，應(yīng)出現(xiàn)在信號光光譜左側(cè).在二氧化硅中，后向散射光和前向信號光的能量交互發(fā)生在很窄的布里淵線寬ΔνB內(nèi)[12]，在1550 nm附近ΔνB=20 MHz，對應(yīng)的頻移為0.05 nm，即SBS光中心波長出現(xiàn)在1550.07 nm處，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.

波形畸變導(dǎo)致信號光在時(shí)間上的能量分布差異較大，且信號光脈寬為500 ns，通過能量計(jì)測量時(shí)，由于采樣點(diǎn)并不固定，測量出來的能量會有較大的浮動.如圖2(c)所示，在未采用波形預(yù)補(bǔ)償前，脈沖信號的PV值高達(dá)93.8%，輸出能量極不穩(wěn)定，完全無法在高精度的工作中使用.

圖2 未補(bǔ)償輸出信號注：(a)輸出信號波形；(b)輸出信號光譜；(c)輸出信號穩(wěn)定度

為解決由瞬態(tài)增益引發(fā)的波形畸變，可通過AWG對觸發(fā)信號波形進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)脈沖信號的預(yù)補(bǔ)償.根據(jù)未補(bǔ)償輸出信號的輸出波形，預(yù)補(bǔ)償信號為頂部呈前低后高無限遞增的指數(shù)增長型波形，AWG編輯的預(yù)補(bǔ)償觸發(fā)信號波形如圖3(a)所示.預(yù)補(bǔ)償后的輸出信號波形如圖3(b)所示，預(yù)補(bǔ)償后輸出信號的波形頂部已近似平坦，脈寬為490 ns，脈寬窄化現(xiàn)象也得到了較大緩解.將光譜儀精度設(shè)置為1 nm時(shí)，預(yù)補(bǔ)償后的最終輸出光譜如圖3(c)所示，原先光譜中的SBS已消失，證明最終輸出信號的峰值功率已低于SBS閾值，輸出信號中只存在1550.12 nm的信號光.由于預(yù)補(bǔ)償后輸出信號的波形頂部能量差異不大，其能量穩(wěn)定度也得到了較大提升，測量一小時(shí)的能量穩(wěn)定度如圖3(d)所示，其PV值為9.7%，已可以滿足大能量系統(tǒng)的應(yīng)用要求.

圖3 預(yù)補(bǔ)償輸出信號注：(a)預(yù)補(bǔ)償信號波形；(b)輸出信號波形；(c)輸出信號光譜；(d)輸出信號穩(wěn)定度

3 結(jié)論

在高功率光纖激光系統(tǒng)中，脈沖信號由于瞬態(tài)增益會導(dǎo)致放大后脈沖信號的波形產(chǎn)生畸變，信號頂部呈前高后低有限遞減的指數(shù)衰減型波形，該畸變不僅使系統(tǒng)過早達(dá)到SBS閾值而損壞系統(tǒng)器件，使脈沖激光的脈寬發(fā)生一定程度的窄化；同時(shí)光譜中的反向SBS光也會抑制信號光的放大功率，在應(yīng)用中也會對系統(tǒng)的功能造成負(fù)面影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在脈寬500 ns、重頻10 kHz的條件下，通過AWG編輯觸發(fā)信號，對脈沖信號進(jìn)行波形預(yù)補(bǔ)償，不僅有效抑制了由瞬態(tài)增益引起的波形畸變，同時(shí)使信號光的峰值功率低于SBS閾值，使系統(tǒng)無法產(chǎn)生反向SBS光，確保系統(tǒng)功能性的完整.