CN111146674A - 基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器属于光纤激光器领域，其实验结构由泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、1×2光耦合器(4)、光隔离器(5)、偏振控制器器(6)、偏振分束器(7)、第三2×2光耦合器(8)、第二2×2光耦合器(9)、第一2×2光耦合器(10)、未泵浦掺铒光纤(11)、光环形器(12)和光纤布拉格光栅(13)组成。本发明中的两个无源环型谐振腔协同工作，可以作为模式滤波器来抑制腔内的多纵模振荡，而一段基于未泵浦掺铒光纤的饱和吸收体可以作为超窄带模式滤波器来确保光纤激光器实现单频输出。本发明可以实现高稳定度、高信噪比的超窄线宽单频激光输出，可应用于光纤通信、光学测量、光纤探测以及高精度时间频率传输等领域中。

Description

基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及单频光纤激光器，具体为一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器。
背景技术
单频光纤激光器具有输出光束质量高、输出噪声低以及输出线宽窄的优点，而掺铒光纤单频光纤激光器具有输出线宽非常窄、稳定性非常高、光信噪比值高以及易于制作等显著优点。因此，高性能的掺铒光纤单频光纤激光器在微波光子学、光通信、光纤探测以及高精度时间频率传输等领域中表现出非常出色的应用前景。
环形腔结构与短直腔结构是实现单频激光输出的两种常用腔结构，但是采用短直腔结构会出现由于驻波效应所引起的空间烧孔效应，因此采用环形腔结构是获得单频光纤激光器的一种有效结构。在环形腔结构中，受益于低器件损耗与低成本投入的优点，采用多谐振腔结构与使用饱和吸收体是获得高性能单频光纤激光器的两种行之有效的方案。研究设计一种有效地结合多谐振腔结构与饱和吸收体地单频光纤激光器方案对于进一步提升单频激光器的输出性能具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，解决现有技术存在的问题，进一步提高单频光纤激光器地输出性能。本发明结构紧凑，两个无源环型谐振腔共同工作可以获得较高的自由光谱范围来抑制腔内地多纵模振荡，帮助激光器实现单频输出。一个谐振腔内所镶嵌的一段未泵浦掺铒光纤可以作为饱和吸收体来提供超窄带宽模式滤波效果，可以保证光纤激光器获得单频输出。此外，饱和吸收体具有稳频的效果，可以进一步提高激光器的输出稳定性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述单频光纤激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、1×2光耦合器、光隔离器、偏振控制器器、偏振分束器、第三2×2光耦合器、第二2×2光耦合器、第一2×2光耦合器、未泵浦掺铒光纤、光环形器和光纤布拉格光栅采用光纤熔接的方式连接组成。
泵浦源的输出端与波分复用器的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器的1550nm端口与光环形器的1端口进行光纤熔接，光环形器的2端口与光纤布拉格光栅进行光纤熔接，光环形器的3端口与第一2×2光耦合器的1端口进行光纤熔接，第一2×2光耦合器的3端口与第二2×2光耦合器的1端口进行光纤熔接，第二2×2光耦合器的3端口和4端口分别与一段未泵浦掺铒光纤进行光纤熔接，第二2×2光耦合器的2端口与第三2×2光耦合器的5端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器的8端口与第一2×2光耦合器的2端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器的7端口与偏振分束器的输入端进行光纤熔接，偏振分束器的输出端与偏振控制器的输入端进行光纤熔接，偏振控制器的输出端与1×2光耦合器的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器的2端口与增益光纤的一端进行光纤熔接，增益光纤的另一端与波分复用器的公共端进行光纤熔接。1×2光耦合器的3端口与光隔离器的输入端进行光纤熔接，光隔离器的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。
本发明所述的一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的工作原理是：
一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器采用反向泵浦结构，增益光纤由泵浦源发出的980nm泵浦光通过980/1550nm波分复用器来泵浦，增益光纤为一段高掺杂浓度的掺铒光纤。光环形器可以用来保证谐振腔内激光信号单方向运转，避免由驻波效应所引起的多纵模振荡。输出端的光隔离器可以用来抑制不必要的反射。光纤布拉格光栅可以作为反射镜以及一种粗模式滤波器来降低腔内的纵模密度以及决定光纤激光器的输出波长。偏振控制器可以帮助获得最优的激光器输出。偏振分束器既可以使腔内的偏振模式变得单一，也可以作为腔内的一个模式滤波器将入射光束分成两个正交的线偏振光。两个无源环型谐振腔协同工作，可以作为模式滤波器来抑制腔内的多纵模振荡，而一段基于未泵浦掺铒光纤的饱和吸收体可以作为超窄带模式滤波器来确保光纤激光器实现单频输出。
本发明提供的一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器与现有技术相比，其优点和积极效果在于：
1.本发明所述的单频光纤激光器采用紧凑简洁的设计结构，不需要使用复杂的激光器结构，也不需要使用价格昂贵的器件就可以获得高稳定度、高光信噪比的超窄线宽单频激光输出，克服了现有单频光纤器所存在的实验结构复杂，成本高，插入损耗大等缺陷。
2.本发明所述的单频光纤激光器利用两个无源环型谐振腔与饱和吸收体结合的方案实现单频输出。两个无源环型谐振腔具有较高的自由光谱范围，可以降低谐振腔内的模式密度，抑制腔内的多纵模振荡，帮助实现激光器的单频输出。同时一个谐振腔内所嵌套的一段未泵浦掺铒光纤可以作为一种超窄带模式滤波器，所对应的通带带宽小于主腔的纵模间隔，可以实现激光器的单频输出。此外，饱和吸收体还具有稳频的效果，可以提高激光器的输出稳定性。与现有激光器方案相比，双环型谐振腔仅使用了两个2×2光耦合器，且对两个2×2光耦合器的长度和光耦合比没有严格的限制，降低了谐振的熔接设计难度，降低了激光器内的器件插损，提高了激光器和实用性。
检索文献以及专利，迄今未发现相同结构的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的专利报道。
附图说明：
图1是本发明所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的结构原理图。
图2是本发明所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的单频输出原理图。
图3是本发明所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的输出光谱图。
图中：1泵浦源、2波分复用器、3增益光纤、4 1×2光耦合器、5光隔离器、6偏振控制器器、7偏振分束器、8第三2×2光耦合器、9第二2×2光耦合器、10第一2×2光耦合器、11未泵浦掺铒光纤、12光环形器和13光纤布拉格光栅。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
图1为本发明一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的结构原理图，本发明所述单频光纤激光器由泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、1×2光耦合器4、光隔离器5、偏振控制器器6、偏振分束器7、第三2×2光耦合器8、第二2×2光耦合器9、第一2×2光耦合器10、未泵浦掺铒光纤11、光环形器12和光纤布拉格光栅13组成。
基于上述构成要件，本发明的构成关系如下：
泵浦源1的输出端与波分复用器2的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器2的1550nm端口与光环形器12的1端口进行光纤熔接，光环形器12的2端口与光纤布拉格光栅13进行光纤熔接，光环形器12的3端口与第一2×2光耦合器10的1端口进行光纤熔接，第一2×2光耦合器10的3端口与第二2×2光耦合器9的1端口进行光纤熔接，第二2×2光耦合器9的3端口和4端口分别与一段未泵浦掺铒光纤11进行光纤熔接，第二2×2光耦合器9的2端口与第三2×2光耦合器8的5端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器8的8端口与第一2×2光耦合器10的2端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器8的7端口与偏振分束器7的输入端进行光纤熔接，偏振分束器7的输出端与偏振控制器6的输入端进行光纤熔接，偏振控制器6的输出端与1×2光耦合器4的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器4的2端口与增益光纤3的一端进行光纤熔接，增益光纤3的另一端与波分复用器2的公共端进行光纤熔接。1×2光耦合器4的3端口与光隔离器5的输入端进行光纤熔接，光隔离器5的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。
基于上述具体实施方案，本发明进一步的具体实施方案如下：
所述泵浦源1为980nm泵浦源，本实施案例采用的欧镭泽科技公司生产的980nm泵浦源；
所述波分复用器2为980/1550nm泵浦源，本实施案例采用的是康冠公司的980/1550nm波分复用器；
所述增益光纤为高掺杂浓度的掺铒光纤，本实施案例采用的LIEKKI公司的掺铒光纤；
所述未泵浦掺铒光纤为低掺杂浓度的掺铒光纤，本实施案例采用的Nufern公司的掺铒光纤；
所述1×2光耦合器、第一2×2光耦合器、第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器是分光比为50：50的标准单模光纤耦合器，本案例采用的是飞宇公司的标准单模光纤耦合器；
所述光纤布拉格光栅峰值反射率和3-dB带宽分别为96％和0.18nm，本案例采用的是筱晓光子技术公司光纤布拉格光栅。
图2为本发明一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的单频输出原理图，从图2.(a)中可以发现由于光纤布拉格光栅13的3-dB带宽(约20GHz)远宽于激光器主腔对应的自由光谱范围(约10MHz)，因此腔内存在大量的模式数。从图2.(b)和图2.(c)中可以发现两个无源环型谐振腔Ring-1和Ring-2协同作用可以使腔内模式密度降低，然而双环谐振腔对应的有效自由光谱范围仍然小于光纤布拉格光栅13的3-dB带宽，因此光纤布拉格光栅3-dB带宽内存在多个通带。Ring-2内嵌套的一段未泵浦掺铒光纤可以作为饱和吸收体，其对应的通带带宽小于激光器主腔对应的自由光谱范围，因此在光纤激光器通带范围内有且只有一个模式占主导地位，最终实现了激光器的单频输出，如图2.(d)所示。
本发明所述的一种基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的工作原理是：
所述单频窄线宽光纤激光器采用反向泵浦结构，通过主腔内的光环形器13使腔内振荡激光单向运转，保证谐振腔工作在行波状态，可以避免由于驻波效应所引起的多纵模振荡。在泵浦源1抽运下，光纤环内形成激光振荡，振荡激光经增益光纤3放大后，部分经1×2光耦合器4的3端口输出，而另一部分则由1×2光耦合器4的2端口重新输入回腔内。激光器主腔腔长约为20m，对应的主腔模式间隔近似为10MHz，而光纤布拉格光栅13的3-dB带宽(约为20GHz)远大于主腔自由光谱范围，因此激光器通带内存在大量的模式，如图2.(a)所示。系统中的光纤布拉格光栅13可以作为腔内的初始模式滤波器，但是因为光纤布拉格光栅13的3-dB带宽远大于激光器主腔的纵模间隔，所以还需要其他高质量的模式滤波器来帮助实现单频输出。假定两个环型无源谐振Ring-1和Ring-2所对应的长度分别为6m和4.5m，因此这两个环型无源谐振腔所对应的自由光谱范围分别可以计算为34MHz和45MHz。两个无源环型谐振腔所对应的有效自由光谱范围为Ring-1和Ring-2所对应自由光谱范围的最小公倍数，其数值计算为1.5GHz，虽然腔内的多模振荡得到抑制，但是由于两个无源环型谐振腔所对应的有效自由光谱范围依旧小于光纤布拉格光栅13的3-dB带宽，因此依旧不能实现单纵模输出。此时，我们一段未泵浦的掺铒光纤11作为饱和吸收体,在这段光纤中,由于入射光与反射光这两束相遇光波产生混频干涉,会形成周期性的干涉光强分布,这种周期性干涉光强分布导致的增益饱和在掺杂光纤中形成超窄线宽的动态布拉格光栅，这种动态布拉格光栅的线宽非常窄，在饱和吸收体中所形成的动态布拉格光栅的半高全宽值为：
Figure BDA0002340196350000041
Δn是折射率的变化量,可以根据Kramers-Kronig等式得到,neff是未泵浦掺铒光纤的有效折射率。λ是中心波长(1550nm)，Lg为未泵浦掺铒光纤的长度(4m)。因此，在饱和吸收体中形成的动态布拉格光栅的半高全宽值可以计算约7MHz。由于饱和吸收体的半高全宽值比激光器对应的主腔模式间隔还要小，因此在光纤激光器通带内只有一个模式占据主要地位，我们最终实现了单频输出，如图2.(d)所示。
图3是本发明所述的一种基于三环型无源谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器的光谱图。本实施例中光纤激光器输出激光的中心波长为1550.0440nm，对应的光信噪比约为64dB。
最后应说明的是：以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述单频光纤激光器由泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、1×2光耦合器(4)、光隔离器(5)、偏振控制器器(6)、偏振分束器(7)、第三2×2光耦合器(8)、第二2×2光耦合器(9)、第一2×2光耦合器(10)、未泵浦掺铒光纤(11)、光环形器(12)和光纤布拉格光栅(13)组成组成；
所述基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器泵浦源(1)的输出端与波分复用器(2)的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器(2)的1550nm端口与光环形器(12)的1端口进行光纤熔接，光环形器(12)的2端口与光纤布拉格光栅(13)进行光纤熔接，光环形器(12)的3端口与第一2×2光耦合器(10)的1端口进行光纤熔接，第一2×2光耦合器(10)的3端口与第二2×2光耦合器(9)的1端口进行光纤熔接，第二2×2光耦合器(9)的3端口和4端口分别与一段未泵浦掺铒光纤(11)进行光纤熔接，第二2×2光耦合器(9)的2端口与第三2×2光耦合器(8)的5端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器(8)的8端口与第一2×2光耦合器(10)的2端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器(8)的7端口与偏振分束器(7)的输入端进行光纤熔接，偏振分束器(7)的输出端与偏振控制器(6)的输入端进行光纤熔接，偏振控制器(6)的输出端与1×2光耦合器(4)的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器(4)的2端口与增益光纤(3)的一端进行光纤熔接，增益光纤(3)的另一端与波分复用器(2)的公共端进行光纤熔接。1×2光耦合器(4)的3端口与光隔离器(5)的输入端进行光纤熔接，光隔离器(5)的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。
2.按照权利要求1所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为980nm泵浦源。
3.按照权利要求1所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器(2)为980/1550nm波分复用器。
4.按照权利要求1所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(3)为具有高掺杂浓度的掺铒光纤。
5.按照权利要求1所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述未泵浦掺铒光纤(11)为具有低掺杂浓度的掺铒光纤。
6.按照权利要求1所述的基于双环谐振腔的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述1×2光耦合器(4)、第一2×2光耦合器(10)、第二2×2光耦合器(9)和第三2×2光耦合器(8)是耦合比为50：50的标准单模光纤耦合器。
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