CN110600984A - 一种波长可调被动锁模光纤激光器 - Google Patents

一种波长可调被动锁模光纤激光器 Download PDF

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黄楚云
贺华
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers

Abstract

本发明公开一种波长可调被动锁模光纤激光器，它包括：泵浦光源和激光器谐振腔；所述激光器谐振腔由波分复用器、增益光纤、隔离器、偏振控制器、环行器、准直透镜、聚焦透镜、谐振波长可调可饱和吸收镜、耦合器组成。本发明将可饱和吸收材料集成在微型谐振腔内，通过在微型谐振腔的相位层设计了楔形或微台阶结构，实现可饱和吸收镜器件谐振波长空间上可调，通过环行器和准直聚焦系统将可饱和吸收镜耦合到激光器谐振腔内。通过可饱和吸收镜的可饱和吸收特性，实现光纤激光器被动锁模，时域上输出短脉冲；可饱和吸收镜器件不同位置具有不同的谐振波长，通过机械扫描可饱和吸收镜的工作位置可以实现锁模光纤激光器波长在大范围内线性调谐。

Description

一种波长可调被动锁模光纤激光器
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种输出波长调谐范围广，脉冲宽度窄的被动锁模光纤激光器。
背景技术
锁模激光器，具有峰值功率高、作用时间短、宽光谱等优点，在基础科学、材料精密加工、医疗检测以及通信等领域都有着广泛的应用。在各种不同类型的锁模激光器中，锁模光纤激光器是以离子掺杂光纤作为增益介质来实现。具备了锁模激光和光纤激光的双重优势：高稳定性，免维护；易于集成化，体积小；输出光斑质量好；表面积/体积比大，易于散热；增益光纤单程效率高。波长可调锁模光纤激光器可以灵活地为光纤通信多个波长信道提供超短脉冲，通过光密集波分复用(DWDM)和光时分复用(OTDM)实现光纤通信系统的扩容，是长距离大容量光纤通信系统的重要光源。除此以外，波长可调锁模光纤激光器，在光谱特性分析、医疗OCT成像扫描、光纤器件分析、光纤传感等应用领域也具有广泛应用，是锁模光纤激光器发展的重要方向。
近些年，国内外在单波长锁模光纤激光器的物理机理和实验验证领域的研究都取得了突破。然而，关于波长可调/多波长锁模光纤激光器的报道很少。波长可调锁模光纤激光器可以利用单模光纤(SMF)内双折射效应对激光器波长进行选择，实现波长调谐。但是由于SMF光纤内双折射效应不可精确控制，基于双折射效应的锁模光纤激光器具有稳定性差和波长调谐不可控制的弊端，难以满足应用需求。为实现锁模光纤激光器波长的连续可调，研究人员提出多种解决方案。光纤光栅是一种基于光纤平台的波长可调器件，具有插入损耗低，易集成优势。通过特殊设计的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG,Chirped Fiber BraggGrating)可以提供更大带宽和色散可控，通过温度或应力控制CFBG滤波波长，实现锁模光纤激光器波长在～10nm范围内调谐(可以参见HE X.Y.,LIU Z.B.,and WANG D.N.,Wavelength-tunable,passively mode-locked fiber laser based on grapheme andchirped fiber Bragg grating[J].Optics letter,37(12):2394-2396，2012)。激光腔内插入调谐范围更宽的可调带通滤波器可以实现锁模光纤激光器波长在更宽波长范围内线性可调。可调带通滤波器可以由多种实现方式，包括FP型可调带通滤波器,可调马赫曾德滤波器(TMZF)等。然而可调带通滤波器的带宽有限，因而限制了锁模光纤激光器输出的频谱宽度，相对应的脉冲宽度较宽>1ps，不满足很多应用场景需求。(可以参见SUN Z.,HASANT.,WANG F.,et.al,A stable,wideband tunable,near transform-limited,grapheme-mode-locked,ultrafast laser[J].Nano Res.,3:653-660，2010)。
发明内容
为解决上述方案具有的波长调谐范围窄，输出脉冲宽度大的问题，本发明提供了一种基于谐振波长可调可饱和吸收反射镜的被动锁模光纤激光器。该被动锁模光纤激光器具有波长调谐范围广，输出脉冲宽度窄的优点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种波长可调被动锁模光纤激光器，其特征在于，它包括：
泵浦光源，提供光纤激光器的泵浦能量；
谐振腔包括波分复用器，增益光纤，隔离器，偏振控制器，环行器，准直聚焦系统，谐振波长可调可饱和吸收镜，耦合器；
所述的泵浦光源输出端口与波分复用器的输入端口P21相连，与所述波分复用器的信号端口P22内波长合波，经所述波分复用器的合波端口P23进入增益光纤；所述增益光纤输出的光依次经历隔离器和偏振控制器输入到环行器的第一端口P61，在环行器的第二端口P62出射，经准直聚焦系统内准直透镜和聚焦透镜注入到谐振波长可调可饱和吸收镜器件表面；光在谐振波长可调可饱和吸收镜器件处反射经原注入光路返回，再次经历准直聚焦系统注入到环行器的第二端口P62，在环行器的第三端口P63输出进入耦合器的输入端口P91；在耦合器内分光，一部分在耦合器的分光端口P92输出进入波分复用器的信号端口P22，另一部分光在耦合器的分光端口P93输出，即激光器输出端。
进一步的，所述谐振腔包含光纤光路和空间光路，其中空间光路部分从环行器的第二端口P62开始，包含准直聚焦系统和谐振波长可调可饱和吸收镜，激光器谐振腔内光信号通过准直聚焦系统注入到谐振波长可调可饱和吸收镜，通过机械调谐方式选择聚焦光斑在谐振波长可调可饱和吸收镜器件表面的位置。
进一步的，所述谐振波长可调可饱和吸收镜器件由衬底，反射后镜，后相位层，可饱和吸收层，前相位层，反射前镜构成，谐振波长可调可饱和吸收镜的谐振波长在器件不同位置可调；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜的前相位层具有楔形或微型台阶结构，楔形的倾斜角度或微型台阶中台阶之间高度差值由器件长度尺寸，系统聚焦光斑大小和可调波长数目共同决定；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜的可饱和吸收层，可基于GaAs，InP，InGaAs或InGaAsP不同组分的半导体材料，碳纳米管或石墨烯材料；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜的反射后镜，可基于金属反射镜，基于电解质材料或半导体材料的分布式布拉格反射镜实现高反射率。
进一步的，所述准直聚焦系统由准直透镜和聚焦透镜构成，通过选择准直透镜的聚焦长度和聚焦透镜的聚焦长度，以及控制环行器的第二端口P62，准直透镜，聚焦透镜以及谐振波长可调可饱和吸收反射镜之间的相对位置可以控制聚焦到谐振波长可调可饱和吸收镜表面的光斑大小。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点体现在：
本发明将可饱和吸收材料集成在微型谐振腔内，通过在微型谐振腔内相位层设计了楔形或微台阶结构，实现可饱和吸收镜器件谐振波长空间上可调，通过环行器和准直聚焦系统的空间光路将可饱和吸收镜耦合到激光器谐振腔内。可饱和吸收镜的可饱和吸收特性，实现光纤激光器被动锁模，时域上输出短脉冲；饱和吸收镜器件不同位置具有不同的谐振波长，通过机械扫描可饱和吸收镜的工作位置可以实现锁模光纤激光器波长在大范围内线性调谐。
相对于可调滤波器实现波长调谐的方案，一方面，本发明无需额外的被动锁模元件实现激光器锁模，简化了光纤激光器结构；另一方面，本发明的激光器谐振腔具有较宽的带宽，可以使锁模光纤激光器输出脉冲宽度小于1皮秒；另外，通过准直聚焦系统控制注入到可饱和吸收镜的光班大小，和在空间光路部分引入色散可调元件，可以管理激光谐振腔内非线性和色散特性进一步压缩脉冲宽度。在光纤通信系统，光谱特性分析，医疗OCT成像扫描，光纤器件分析，光纤传感等领域具有广泛的应用。
附图说明
图1：本发明波长可调被动锁模光纤激光器的环型腔结构示意图；
图2：本发明谐振波长可调可饱和吸收镜结构示意图；
图3：本发明可饱和吸收反射镜谐振波长可调示意图；
图4：本发明空间光路实现可饱和反射镜耦合方案示意图；
图5：本发明被动锁模光纤激光器的波长可调输出结果。
图6：本发明波长可调被动锁模光纤激光器的直线型腔结构示意图。
附图中的符号说明：1.泵浦光源，2.波分复用器，3.增益光纤，4.隔离器，5.偏振控制器，6.环行器，7.准直聚焦系统，71.准直透镜，72.聚焦透镜，8.谐振波长可调可饱和吸收镜，81.衬底，82.反射后镜，83.后相位层，84.可饱和吸收层，85.前相位层，86.反射前镜，9.耦合器，P21.波分复用器的输入端口，P22.波分复用器的信号端口，P23.波分复用器的合波端口，P61.环行器的第一端口，P62.环行器的第二端口，P63.环行器的第三端口，P91.耦合器的输入端口，P92.耦合器的分光端口，P93.耦合器的分光端口。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
图1为根据本发明一个实施例1的环型腔结构被动锁模光纤激光器的结构示意图。它包括：泵浦光源1，提供光纤激光器的泵浦能量；由波分复用器2，增益光纤3，隔离器4，偏振控制器5，环行器6，准直聚焦系统7(包括准直透镜71，聚焦透镜72)，谐振波长可调可饱和吸收镜8，耦合器9组成的单向环型谐振腔。
所述的泵浦光源1输出端口与波分复用器2的输入端口P21相连，与所述波分复用器2的信号端口P22内波长合波，经所述波分复用器2的合波端口P23进入增益光纤3；所述增益光纤3输出的光依次经历隔离器4和偏振控制器5输入到环行器6的第一端口P61，在环行器6的第二端口P62出射，经准直聚焦系统7内准直透镜71和聚焦透镜72注入到谐振波长可调可饱和吸收镜8器件表面；光在谐振波长可调可饱和吸收镜8器件处反射经原注入光路返回，再次经历准直聚焦系统7注入到环行器6的第二端口P62，在环行器6的第三端口P63输出进入耦合器9的输入端口P91；在耦合器9内分光，一部分在耦合器9的分光端口P92输出进入波分复用器2的信号端口P22，另一部分光在耦合器9的分光端口P93输出，即激光器输出端。
所述谐振腔包含光纤光路和空间光路，其中空间光路部分从环行器6的第二端口P62开始，包含准直聚焦系统7和谐振波长可调可饱和吸收镜8，激光器谐振腔内光信号通过准直聚焦系统7注入到谐振波长可调可饱和吸收镜8，通过机械调谐方式选择聚焦光斑在谐振波长可调可饱和吸收镜8器件表面的位置。
所述准直聚焦系统7由准直透镜71和聚焦透镜72构成，通过选择准直透镜71的聚焦长度和聚焦透镜72的聚焦长度，以及控制环行器6的第二端口P62，准直透镜71，聚焦透镜72以及谐振波长可调可饱和吸收反射镜8之间的相对位置可以控制聚焦到谐振波长可调可饱和吸收镜8表面的光斑大小。
其中所述，泵浦光源1提供光纤激光器的泵浦能量，中心波长可以为980nm或1480nm左右。本实施例1采用光纤耦合输出的半导体激光器，输出波长为～978nm，最大泵浦功率～500mW，耦合光纤为单模光纤，光纤纤径为～8.2微米，数值孔径～0.14，光纤输出后经980nm/1550nm波分复用器2将泵浦光耦合到单向环型腔光路内。
其中所述，增益光纤3是在石英光纤中掺入少量的稀土元素，功能实现对光进行放大。根据掺杂稀土元素的不同，增益光纤3可以覆盖不同的增益波长范围。掺镱光纤工作波长为1060nm附近，掺镨光纤工作波长为1310nm附近，掺铥光纤工作波长为1480-1510nm，掺饵光纤工作波长为1530-1610nm，可以激光器波长需求选择对应的增益光纤。本实施例1采用fibercore公司掺饵光纤Fibercore M-5，发射波长位于1530nm到1570nm之间，增益约为7dB/m。
其中所述，隔离器4可以阻断后向传播的光，确保环型谐振腔内的光单向传播。本实施例1选用隔离器的工作波长范围为1510-1590nm。
其中所述，偏振控制器5用于环型腔内光路偏振态，使光纤激光器的被动锁模状态稳定。
其中所述，谐振波长可调可饱和吸收镜8结构如图2所示，其特征在于：谐振波长可调可饱和吸收镜8器件由衬底81，反射后镜82，后相位层83，可饱和吸收层84，前相位层85，反射前镜86构成。谐振波长可调可饱和吸收镜8的谐振波长在器件不同位置可调。本发明实施例1中，谐振波长可调可饱和吸收镜8基于半导体材料实现。衬底为InP材料，厚度～400μm；反射后镜82为48对InP/InGaAsP分布式布拉格反射镜，在1500-1600nm波长范围内反射率>99.5％；3层InGaNAs量子阱作为可饱和吸收层材料，厚度～50nm；在可饱和吸收层84两侧的前后相位层83,85材料为InP，后相位层85厚度分别为～187nm，前相位层85具有微台阶结构，最大厚度～778nm；反射前镜86选用两对SiO2/TiO2分布式布拉格反射镜。本发明实施例1在前相位层85中L＝400μm的长度上，通过聚焦离子束刻蚀的微纳加工工艺构筑N＝40个微型台阶；每个台阶长度Δl为10μm，相邻台阶间中心距离Δx为10μm；相邻台阶之间高度差Δh为0.95nm，对应整个工作区域高度差H为38nm。扫描可饱和吸收反射镜微台阶工作区，可饱和吸收镜器件谐振波长在1530-1570nm连续可调，如图3所示。
其中所述，如图4示空间光路通过环形器6和准直聚焦系统7将可饱和吸收反射镜耦合到环型谐振腔内。本发明实施例1选用准直透镜71和聚焦透镜72搭建准直聚焦系统7，两个透镜的聚焦长度均为8mm，对应的聚焦光斑直径～10μm。
其中所述，耦合器9实现分光功能，将部分谐振腔内光输出。本发明实施例1选用10/90耦合器，其中10％分光端口作为光纤激光器的输出端口。
当泵浦光源1耦合到谐振腔内光功率高于一定值，通过偏振控制器优化谐振腔内光场偏振态，本实施例1中光纤激光器实现稳定的锁模输出。如图5所示，通过机械扫描可饱和吸收镜的工作位置可以实现锁模光纤激光器中心波长在1530-1570nm范围内线性调谐。
实施例2
图6是根据本发明一个实施例2直线型腔结构被动锁模光纤激光器的结构示意图。它包括：泵浦光源，提供光纤激光器的泵浦能量；由波分复用器，增益光纤，偏振控制器，准直透镜，聚焦透镜，谐振波长可调可饱和吸收镜，耦合器，反射镜组成直线型谐振腔。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种波长可调被动锁模光纤激光器，其特征在于，它包括：
泵浦光源(1)，提供光纤激光器的泵浦能量；
谐振腔包括波分复用器(2)，增益光纤(3)，隔离器(4)，偏振控制器(5)，环行器(6)，准直聚焦系统(7)，谐振波长可调可饱和吸收镜(8)，耦合器(9)；
所述的泵浦光源(1)输出端口与波分复用器(2)的输入端口P21相连，与所述波分复用器(2)的信号端口P22内波长合波，经所述波分复用器(2)的合波端口P23进入增益光纤(3)；所述增益光纤(3)输出的光依次经历隔离器(4)和偏振控制器(5)输入到环行器(6)的第一端口P61，在环行器的第二端口P62出射，经准直聚焦系统(7)内准直透镜(71)和聚焦透镜(72)注入到谐振波长可调可饱和吸收镜(8)器件表面；光在谐振波长可调可饱和吸收镜(8)器件处反射经原注入光路返回，再次经历准直聚焦系统(7)注入到环行器(6)的第二端口P62，在环行器(6)的第三端口P63输出进入耦合器(9)的输入端口P91；在耦合器(9)内分光，一部分在耦合器(9)的分光端口P92输出进入波分复用器(2)的信号端口P22，另一部分光在耦合器(9)的分光端口P93输出，即激光器输出端。
2.如权利要求1所述的一种波长可调被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述谐振腔包含光纤光路和空间光路，其中空间光路部分从环行器(6)的第二端口P62开始，包含准直聚焦系统(7)和谐振波长可调可饱和吸收镜(8)，激光器谐振腔内光信号通过准直聚焦系统(7)注入到谐振波长可调可饱和吸收镜(8)，通过机械调谐方式选择聚焦光斑在谐振波长可调可饱和吸收镜(8)器件表面的位置。
3.如权利要求1或2所述的一种波长可调被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述谐振波长可调可饱和吸收镜(8)器件由衬底(81)，反射后镜(82)，后相位层(83)，可饱和吸收层(84)，前相位层(85)，反射前镜(86)构成，谐振波长可调可饱和吸收镜(8)的谐振波长在器件不同位置可调；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜(8)的前相位层(85)具有楔形或微型台阶结构，楔形的倾斜角度或微型台阶中台阶之间高度差值由器件长度尺寸，系统聚焦光斑大小和可调波长数目共同决定；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜(8)的可饱和吸收层(84)，可基于GaAs，InP，InGaAs或InGaAsP不同组分的半导体材料，碳纳米管或石墨烯材料；
其中，谐振波长可调可饱和吸收镜(8)的反射后镜(82)，可基于金属反射镜，基于电解质材料或半导体材料的分布式布拉格反射镜实现高反射率。
4.如权利要求1或2所述的一种波长可调被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述准直聚焦系统(7)由准直透镜(71)和聚焦透镜(72)构成，通过选择准直透镜(71)的聚焦长度和聚焦透镜(72)的聚焦长度，以及控制环行器(6)的第二端口P62，准直透镜(71)，聚焦透镜(72)以及谐振波长可调可饱和吸收反射镜(8)之间的相对位置可以控制聚焦到谐振波长可调可饱和吸收镜(8)表面的光斑大小。
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