CN111226168A - 一种主控振荡功率放大器的微光具座结构及激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学系统，该光学系统允许共享光学组件以及种子光和泵浦光，以实现激光中所需的光放大，同时减少光学组件的数量和整个光学系统的复杂性以实现此激光器的大规模生产，并提高激光器的性能，降低制造和最终激光器的成本。不同的光增益部分可以共享种子光、泵浦光以及光学组件而实现多级光放大。

Description

一种主控振荡功率放大器的微光具座结构及激光系统
技术领域
本发明涉及光放大器和激光领域，具体涉及一种主控振荡功率放大器的微光具座结构及激光系统。
背景技术
激光系统可以使用一个或多个光放大器来进行光功率放大，以达到所要求的远超出激光器功率范围的功率水平，该激光系统可以有多种激光器结构，例如二极管激光器或固体激光器。主控振荡功率放大器(MOPA)正是这样一种激光器系统，其包括一个主激光器作为种子光来产生原始激光，以及一个或多个光放大器来放大原始激光。
主振荡功率放大器(MOPA)的各种设计包括具有各种光学组件的复杂光学结构。当由光纤放大器产生的放大光在光纤段中传输时，由于光功率较高，会在光纤中产生非线性光学效应。通过减少MOPA中的传输光纤长度，增加自由空间光传输部分，能减少这种光学非线性效应。在MOPA中，设计有一个以上光放大段，从而增加整体光放大。
发明内容
本发明披露的技术能提供一种光学系统，该光学系统允许共享光学组件以及种子光和泵浦光，从而实现所激光的要求的光放大，同时减少光学组件的数量和整个光学系统的复杂性，提高激光性能，并降低了用于大规模生产这种激光器的制造和最终激光器的成本。可以采用不同的段增益光纤来共享种子光和泵浦光以及共享光学组件，同时提供多级光放大。段增益光纤能由各种光增益介质来实现，包括掺杂光纤段、掺杂晶体增益介质或半导体光放大器。
在所公开技术的一些实施例中，主控振荡功率放大器(MOPA)可以位于支撑基座上，以混合包括增益段和自由空间光学段的光学引导段，来减少放大激光在光纤中不必要的传播，从而减少激光输出中的不良光学非线性效应，同时有助于在激光操作中共享光学组件以及泵浦光和种子光。
例如，所公开的技术可以实现构建激光系统，该激光系统在不同的光放大段中具有共享的泵浦光和种子光。该激光系统包括作为光具座的支撑基座；设在支撑基座上的种子激光器，以种子激光波长产生种子光；设在支撑基座上的泵浦光源，以不同于种子激光波长的泵浦激光波长产生泵浦光；设在支撑基座上的第一自由空间光模块，其位于既能接收从种子激光器产生的种子光、又能接收从泵浦光源产生的泵浦光的位置，以便将接收到的泵浦光和种子光合并产生组合激光；设在支撑基座上的第一光纤准直器，以便在自由空间接收来自第一自由空间光模块的组合激光；第一段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，其中，所述第一光纤终端耦合到第一光纤准直器并接收组合激光，所述掺杂增益光纤段位于第一光纤终端和第二光纤终端之间，并将组合激光中的泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大的种子光；和第一光学反射器，将种子激光波长的光反射回掺杂增益光纤断中进行二次放大，从而在第一光纤终端作为反射放大种子光，同时将泵浦光波长的光作为剩余泵浦光传输到第二光纤终端。在第一光纤终端的所述反射放大种子光由第一光纤准直器接收，并且在自由空间中被引导到第一自由空间光模块。所述激光系统包括位于支撑基座上的第二光纤准直器，其耦合到第一段增益光纤的第二光纤终端，将剩余泵浦光从第一段增益光纤中引导到支撑基座上方的自由空间中；位于基座上的第三光纤准直器，接收来自第一自由空间光模块的在自由空间中的反射放大种子光；第二段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，其中，所述第一光纤终端耦合到第三光纤准直器并接收来自第一段增益光纤中的反射放大种子光，所述掺杂增益光纤段位于第一光纤终端和第二光纤终端之间，并将组合激光中的泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大的种子光；位于支撑基座上的第四光纤准直器，其耦合到第二段增益光纤的第二光纤终端，第四准直器接收来自第二光纤准直器的自由空间中的剩余泵浦光，在第二段增益光纤的掺杂增益光纤段提供泵浦光，提供泵浦光的方向与来自第一段增益光纤的反射放大种子光的方向相反，以放大所述反射放大种子光作为放大透射种子光，在第四光纤准直器上退出第二段增益光纤；和第二自由空间光模块，其耦合在第四光纤准直器和第二光纤准直器之间，将剩余泵浦光从第二光纤准直器引导到第四光纤准直器，并进一步引导来自第四光纤准直器的放大透射种子激光作为所述激光系统的输出。在上述实施方式中的第一自由空间光模块和第二自由空间光模块可用于减少光纤中的放大激光的非必要传播，从而减少激光输出中的不良光学非线性效应，也可有助于在第一段增益光纤和第二段增益光纤之间的激光操作中共享光学组件以及泵浦光和种子光。
对于另一个实施例，所公开的技术能实现构建MOPA系统，所述MOPA系统在不同光放大段中具有共享的泵浦光和种子光。该系统包括作为光具座的支撑基座；设置于支撑基座上的种子激光器，以种子激光波长产生种子光；设置于支撑基座上的泵浦光源，以不同于种子激光波长的泵浦激光波长产生泵浦光。该系统包括耦合以接收种子光和泵浦光的第一段增益光纤，其结构包括掺杂增益光纤段，该掺杂增益光纤段将泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大种子光；耦合以接收来自第一段增益光纤的放大种子光的第二段增益光纤，其结构包括掺杂增益光纤段，以将泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大种子光；耦合以接收来自第二段增益光纤的放大种子光的第三段增益光纤，其结构包括掺杂增益光纤段，以将泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大种子光；和耦合以接收来自泵浦光源的泵浦光的分光器，其将泵浦光分成第一泵浦光和第二泵浦光，所述第一泵浦光耦合到第一段增益光纤和第二段增益光纤中，所述第二泵浦光耦合到第三段增益光纤中。
上述和其他特征及其实施方式在说明书、附图及权利要求中更详细的描述。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了基于所公开的技术的主控振荡功率放大器(MOPA)系统的示意图，该系统使用两个段增益光纤，通过对其中一个段增益光纤使用双通道设计来实现3个阶段放大，且能在两个段增益光纤和光学组件共享泵浦光。
图2示出了实现图1中设计的主控振荡功率放大器系统(MOPA)的示意图。
图3示出了基于所公开的技术的主控振荡功率放大器(MOPA)系统的示意图，该系统使用3个在光学上串联排列的段增益光纤，以在每一阶段的单通道实现3个阶段放大，同时共享泵浦光。
图4示出了用于实现所公开技术的增益光纤设计的示意图。
具体实施方式
主振荡功率放大器(MOPA)的各种设计趋于具有各种光学组件的复杂光学结构。当由光纤放大器产生的放大光在光纤段中引导时，由于光放大，功率水平升高，会在段增益光纤中经历明显的非线性光学效应。通过减少MOPA中的光纤引导段同时增加自由空间光学段，能减少这种非线性光学效应。而在MOPA中，是希望有一个以上光放大段，从而增加整体光放大。本发明公开的技术能提供光学组件的共享以及在两个不同的光放大段中种子光和泵浦光的共享。
例如，本发明公开的技术能用于构件一个激光系统，该激光系统在不同的光放大段中具有共享的泵浦光和种子光。这种激光系统包括支撑基座，作为光具座；种子激光器，位于支撑基座上，以种子激光波长产生种子光；泵浦光源，位于支撑基座上，以不同于种子激光波长的泵浦激光波长产生泵浦光；第一自由空间光模块，位于支撑基座上，接收来自种子激光器的种子光和来自泵浦光源的泵浦光，以产生将接收到的泵浦光和种子光合并的组合激光；第一段增益光纤，位于支撑基座上，耦合以接收组合激光，将组合激光中泵浦光的能量转换成种子光的能量以产生放大种子光；光学反射器，将种子激光波长的光反射回第一段增益光纤进行二次放大作为反射放大种子光，同时将泵浦激光波长的光作为剩余泵浦光传输到第二光纤终端，其中，所述反射放大种子光在自由空间中被引导到第一自由空间光模块；第二段增益光纤，位于支撑基座上，其耦合以通过第一自由空间光模块接收来自第一段增益光纤的所述反射放大种子光，在自由空间中接收剩余泵浦光，以提供泵浦光，其提供泵浦光的方向与所述反射放大种子光的方向相反，从而放大所述反射放大种子光作为放大透射种子光；第二自由空间光模块，耦合以引导来自第一段增益光纤的剩余泵浦光，并进一步引导来自第二段增益光纤的所述放大透射种子光作为该激光系统的输出。在一些实施例中，所述第一段增益光纤或第二段增益光纤可以包括掺杂的体光学晶体，其用于在泵浦激光波长的光泵浦下在种子激光波长处产生光增益。在其他实施例中，所述第一段增益光纤或第二段增益光纤可以包括掺杂增益光纤段，其用于在泵浦激光波长的光泵浦下在种子激光波长处产生光增益。
以下提供的示例与基于光纤的主振荡功率放大器(MOPA)有关，该主振荡功率放大器(MOPA)使用基于新型高光增益结构的掺杂增益光纤段，该新型高光增益结构结构紧凑且旨在以低成本批量生产。例如，这种放大器的应用示例可以是CATV光放大器以及用于光检测和测距(激光雷达)系统的激光光源。所提出的结构与不同有源光纤类型(例如掺铒、掺镱和掺铥)兼容，从而使该MOPA结构适用于不同的波长范围。
值得注意的是，所公开的技术可以用于各种应用，例如汽车工业中，基于激光雷达的3D映射就需要大批量(数百万个)低成本的(例如，一些汽车制造商还不到几百美元)脉冲激光源。在基于激光二极管的激光雷达系统的研发上付出了巨大的努力，该激光二极管的工作激光波长在900nm附近(例如905nm)。实际上，这些激光二极管便宜，非常紧凑并且可以大批量生产。然而，如今，在工业上，有一种明显的趋势是使用光纤激光器代替激光二极管。首先，与在900nm左右工作的激光二极管相比，光纤激光器的优势是在人眼安全的波长(例如1.5um或2um)下工作。其次，光纤激光器具有近乎完美的(受衍射限制)光束质量，换句话说，它们可以发出非常低发散的高斯光，而激光二极管固有地具有更高的发散和较差的光束质量。这会严重限制基于激光二极管的激光雷达系统的角分辨率，产生分辨率不足的图像，从而无法检测到较小的物体，例如道路上的轮胎。光纤激光器虽然在技术上比激光二极管优越且更安全，但它们的造价却昂贵得多，制造起来也更加复杂，这使得将它们引入像汽车行业这样的大众市场十分困难。本申请所公开的技术能用于改善这种局限性，其创新的光纤放大器设计可以以比当今可用解决方案低一个数量级的成本进行量产。这种新设计可能对其他应用(例如CATV放大器)有用，并且不限于在激光雷达系统中使用。
所公开的技术可以用于构建新型高增益MOPA结构，该结构可以以非常低的成本(例如，不到300美元)大批量生产(即每年生产几百万个)。即使在MOPA装配中涉及不同的组件是已经为光纤电信市场大量生产的成熟组件，使用某些现有的基于光纤的光放大器结构也很难实现这一目标。因此，需要一种新方法。
这种新方法最大程度地减少了所涉及的组件数量，例如，雷达应用中使用的传统的1.5um的MOPA可能包括两个或三个昂贵的泵浦激光二极管，以实现近似50dB的光增益。所公开的技术的一个显著方面是，可以用单个泵浦激光器以实现50dB或更大的光放大率的方式来实现。可选地，可以添加更多的泵浦激光器，例如通过在较低电流下运行每个泵浦来扩展MOPA的工作温度范围或提高其长期可靠性。
在另一方面，所公开的技术可以以减少或避免单个组件封装的方式来实现，以节省成本并减小设备尺寸。这种简化还可以包括泵浦激光二极管和种子源封装。新设计的特点是具有微型光具座，其中大多数独立组件都安装在同一基板上，并由密封或半密封盖保护，这种结构可以采用类似于电子行业中使用的全自动装配设备来组装。
在另一方面，所公开的技术可以以减少或避免用于常规基于光纤的MOPA中使用的无源光纤，而仅保留有源(增益)光纤的方式来实现。这种方法可以排除光纤熔接，改善可靠性和大规模可制造性。同时也可以显著提高放大器在高光峰值功率下的性能。在这点上，由于规避了无源光纤从而使总体光纤长度最小化，非线性信号劣化得以减少或消除。
为了说明，本发明技术的具体实施例使用940nm的泵浦激光器、1550nm的种子激光器和Er-Yb共掺杂增益光纤。其他实施方式可以使用其他波长的种子激光器和泵浦激光器或其他增益光纤掺杂物。
图1示出了基于所公开的技术的MOPA系统的实施例，该MOPA系统使用2段增益光纤来实现至少3级放大。每个段增益光纤耦合到一对光学准直器，该准直器由光纤和透镜组成，用于将光耦合进或出每段增益光纤的光纤芯或包层。在一些实施方式中，准直器可以包括扩束端面以减小在空气玻璃界面处的光强密度。
在图1的示例中，将1550nm的种子激光器20注入具有三个光学端口(端口1、2和3)的自由空间光环行器30的输入端口(端口1)中。种子光信号从环行器的端口2出射，传输到二向色镜40，通过准直器200将1550nm的光反射到第一段增益光纤210的中。第一段增益光纤210耦合或包含光纤光栅(FBG)50，该光纤光栅被设计成反射种子光同时透射泵浦光。为了泵浦第一个放大段，可以使用一个或多个泵源，从成本效益考虑，可以用一个泵源，但使用多个泵源可以扩大MOPA的工作温度范围或改善可靠性。该实施例是具有两个泵源(泵源101和泵源102)的系统，两个泵源以所需的泵浦波长(例如约940nm)发射泵浦光。两个泵浦光可以处于不同的光学偏振状态，并且可以使用光偏振合束器110以偏振方式合并。在其他实施方式中，可以采用波长合并。合并的泵浦光透射通过二向色镜40，并通过准直器200注入到所述第一段增益光纤210的包层中。
1550nm种子光信号通过第一段增益光纤210进行放大，放大的种子光经光纤光栅(FBG)50进行第二次反向反射通过第一段增益光纤210。经过两次放大的种子光信号从准直器200离开增益光纤210，并被传输到环行器的端口2，再从环行器30端口2到端口3传输到第二段增益光纤410中。来自准直器200的940nm泵浦光被第一段增益光纤210吸收，剩余的940nm泵浦光通过FBG，不受FBG影响，经过二向色镜510后被传输到第二段增益光纤410的包层。向准直器500传输的放大自发辐射噪声(ASE)通过二向色镜510反射到吸收器520(ASE吸收端口)。
使用窄带通滤波器60对从端口3离开环行器30的放大的光信号进行滤波，并由二向色镜70反射后，通过准直器400注入第二段增益光纤410的纤芯中。所述光信号被放大，然后通过准直器600离开第二段增益光纤410。所述光信号由二向色镜510反射到自由空间隔离器610，然后是可选带通滤波器620，然后是可选的自由空间抽头耦合器630。抽头耦合器630提取一小部分放大的光信号，并将其发送到可选的光电二极管640，该光电二极管可用于功率监控。放大后的光信号可以退出系统的自由空间，也可以使用光纤准直器700进行光纤耦合。
940nm的泵浦光依次通过第一段增益光纤210、二向色镜510和第二段增益光纤410。在通过第二段增益光纤410之后，剩余的940nm泵浦信号在准直器400处退出，并通过二向色镜70传输到吸收器80(泵浦吸收端口)。
该系统是主控振荡功率放大器(MOPA)，其将1550nm低功率激光转换为具有最小失真的高功率信号。
本例中的MOPA系统在两个段增益光纤中经历了3个放大阶段。第一个段增益光纤是提供两级放大的双通光放大器，第二个段增益光纤是单通反向泵浦光放大器。
该MOPA系统可以优选地被构建为维持种子激光的偏振状态(保偏，PM)，但是也可以被构建为非PM，其代价是增加了复杂性和成本。
在一些实施方式中，带通滤波器60和二向色镜70可以组合成窄带二向色镜。
图2展示了图1中实现低成本微光具座MOPA结构激光雷达激光源的示例。此示例使用不带封装的二极管芯片(例如，焊在载体上的激光二极管芯片，即CoC激光二极管芯片)或光纤耦合的泵浦激光器和种子激光器。光纤耦合的种子激光器20发出的光由透镜21(也可以用其他方法进行准直。准直后的光从自由空间环行器30(可以是偏振相关的，也可以偏振不相关的)的端口1传输到端口2，由45°的二向色镜40反射，然后通过另一个准直器200耦合到第一段增益光纤210的中。耦合优化可以通过调节种子光准直透镜21和/或45°的二向色镜40和/或第一段增益光纤准直器200来实现。为了简化装配，环行器部件是完全固定的。第一段增益光纤210由波长为940nm的泵源进行泵浦，该泵源是由两个焊在载体上的泵浦激光器芯片(101和102)在自由空间偏振合成。两个泵源发出的光分别采用透镜105和透镜106(可以不同)进行准直。该组合泵浦光透射通过45°二向色镜40，然后被45°的940nm/1550nm反射镜反射，并使用准直器200耦合到第一段增益光纤包层中。泵浦光的数值孔径、准直光束直径以及第一增益光纤准直器200的设计需要保证与第一段增益光纤210的包层的有效耦合。可以通过调整准直透镜(透镜105和透镜106)和/或45°泵浦镜45来实现泵源和第一段增益光纤包层之间的最佳耦合。为了简化装配，先固定偏振组合立方体110。
然后，来自种子激光器20的信号在第一阶增益光纤中被放大，并被直接写入第一段增益光纤中心的光纤光栅(FBG)50反射。该光纤光栅被设计为在信号波长处具有很高的反射率，而在泵浦波长处反射率很低(还可以设计成具有其他功能，如消除ASE噪声)。反射之后，信号在第一段增益光纤210中第二次通过时被放大。然后，该放大的信号离开第一增益光纤准直器200，到达环行器30的端口2。在这个方向上，光从环行器的端口2传输到端口3。从端口3中出射的光通过带通滤波器60，被45°二向色镜70反射，并通过准直器400耦合到第二段增益光纤410的中心。可以通过控制45°二向色镜70和/或第二增益光纤准直器400来完成第二段增益光纤410的中心的耦合优化。选择第一段增益光纤长度和泵浦吸收系数以实现仅吸收一部分泵浦光(在此示例中为10-20％)的效果。未吸收的泵浦光到达第一段增益光纤的末端，并使用另一个准直器500进行准直。该泵浦准直光由45°泵浦镜515反射，透射过45°二向色镜510，并通过准直器600耦合到第二段增益光纤(410)的包层。可以通过控制泵浦准直器500和/或45°泵浦镜515来完成耦合优化。退出准直器500的剩余的1550nm信号由45°二向色镜510反射并在吸收器520中转储。在这种配置中，第二次放大的信号通过准直器400在第二段增益光纤410的一端耦合，泵浦光通过另一准直器600在另一端耦合，实使反向泵浦。反向泵浦，这是减少非线性效应的最佳配置。第二段增益光纤410中未被吸收的泵浦光通过45°二向色镜70转储到吸收器80。信号在第二段增益光纤410中放大，并通过准直器600退出。该信号光将由45°二向色镜510反射，并透射过可能对偏振敏感或不敏感的自由空间隔离器610。如果需要，可以添加带通滤波器620来消除ASE。此外，在一些实施方式中，可以添加自由空间抽头630来将光的一小部分反射到一个自由空间光电二极管640中，以用于监控。输出既可以退出激光源自由空间，也可以如此处的实施例中使用另一个准直器700进行光纤耦合。
组件大致是按比例设计的，在实际的产品实现中，可以将组件设计或配置为小型化或减小其尺寸。
图3示出了基于所公开的技术的微光具座的替代实施方式。在保留上述某些特征的同时，此特定的MOPA提供了一种单通放大器结构，以提供组件共享，而无需使用图1和2中的双通放大器结构。在这个单通道放大器的实施例中，三个放大阶段分别在3个段增益光纤中实现，每个段增益光纤使用一个单通道。
具体地，提供了一种种子激光器20，用于产生种子光(例如，在1550nm处)，种子光由第一二向色光学反射器401引导至第一对光纤准直器(准直器200和准直器500)之间的第一段增益光纤210中。提供第二二向色反射器402，用于将放大的种子光从第一段增益光纤210重定向到第三二向色反射器403，以进入第二对准直器(准直器400和准直器600)之间的第二段增益光纤410进行第二阶段放大。在第二二向色反射器402和第三二向色反射器403之间还依次设置有隔离器610、带通滤波器60(BPF)和普通镜子404。第三段增益光纤810在第三对准直器(准直器800和准直器900)之间进行光学耦合，从第二段增益光纤410接收放大的种子光，产生第三级放大，产生最终放大的种子光输出。因此，三个段增益光纤在光学上串联排列，以便在共享泵浦光的同时在每个阶段中以单通配置依次放大种子光。
图3中MOPA的光学泵是产生泵浦光(例如在940nm处)的泵浦光源，分光器103将泵浦光分成两个泵浦光：第一泵浦光，用于光学泵浦第一和第二段增益光纤；第二泵浦光，用于光学泵浦第三段增益光纤。该泵浦源可以是单个泵浦激光器，也可以是不同泵浦激光器的组合。在图3所示的示例中，泵浦光源是两个泵浦激光器(泵浦激光器101和泵浦激光器102)的组合，以产生多模泵浦光。分光器103可以设计为以规定的分离率(例如60％/40％)将泵浦光分成第一泵浦光和第二泵浦光。所述第一泵浦光(如40％)通过准直器500输入到第一段增益光纤210，所述第二泵浦光(如60％)通过准直器800输入第三段增益光纤810。第一泵浦光的一部分被第一段增益光纤210吸收，剩余的(未吸收的)泵功率通过准直器200和准直器400输入到第二段增益光纤410中。如图3所示，可以将来自第二段增益光纤410的剩余泵浦光导入光收集器(例如，第一收集器104)，其中提供了一个二向色反射器405，以将泵浦光传输到第一收集器104中，同时将放大的种子光反射到第三段增益光纤810中。如图所示，在第二段增益光纤410和第三段增益光纤810之间设置带通滤波器60(BPF)和隔离器610。在其他实施方式中，从第二段增益光纤410出来的剩余泵浦光也可以被引导至第三段增益光纤810中，以便与第二泵浦光一起辅助第三阶段的光学泵浦。为了方便理解，图3中的线条1示出了种子光的运动路径，线条2示出了泵浦光的运动路径。
在本实施例中，种子激光器20发出的信号通过准直器200输入第一增益光纤210，放大后的输出通过二向色镜和可选带通滤波器(BPF)传输到第二段增益光纤410中，以消除部分放大自发辐射。信号通过准直器400进入第二段增益光纤410。放大的信号通过准直器600离开第二段增益光纤410，并通过二向色镜和可选带通滤波器(BPF)传输到第三段增益光纤810中。信号通过准直器800进入第三段增益光纤810中，放大后的信号通过准直器900离开第三段增益光纤810。在每个增益阶段之间以及在第三阶段的输出端使用隔离器。可以在第三阶段的输出端使用可选带通滤波器。此外，在放大阶段之间、种子激光器之后或在第三阶段的输出端处可以插入一个可选的抽头630，以监视放大的信号。
在其他实施方式中，这种单通道放大器结构可以进行修改，通过准直器900而不是准直器600注入泵浦光，从而实现第三级的反向泵浦。
图3示出了MOPA系统的示例，该MOPA系统在不同的光放大段中具有共享的泵浦光和种子光。该系统包括一个作为光具座的支撑基座；在支撑基座上的种子激光器20，以种子激光波长产生种子光；在支撑基座上的泵浦光源，以不同于种子激光波长的泵浦激光波长产生泵浦光。该系统包括第一段增益光纤210，其耦合以接收种子光和泵浦光，并且其结构包括掺杂增益光纤段，该掺杂增益光纤段将泵浦光的能量转换成种子光的能量，产生放大的种子光；第二段增益光纤410，其耦合以接收来自第一段增益光纤210的放大的种子光，并且其结构包括掺杂增益光纤段，该掺杂增益光纤段将泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大的种子光；第三段增益光纤810，其耦合以接收来自第二段增益光纤410的放大的种子光，并且其结构包括掺杂增益光纤段，该掺杂增益光纤段将泵浦光的能量转换为种子光的能量，产生放大的种子光；分光器103，其耦合以接收来自泵浦光源的泵浦光，并将泵浦光分离成第一泵浦光和第二泵浦光，所述第一泵浦光耦合到第一段增益光纤210和第二段增益光纤410，所述第二泵浦光耦合到第三段增益光纤810。
图4示出了适合植入图1-3中的MOPA设计的具体的全玻璃增益光纤(也称为三层包层或玻璃-玻璃纤维)设计的示例。本实施例中，全玻璃增益光纤包括位于最内层的内包层213、位于内包层213外部包裹内包层213的外包层212和位于外包层212外部包裹外包层212的高温涂料215。其中所述内包层213还包括光纤中心211和应力棒214，所述光纤中心211位于内包层213的中心位置，所述应力棒214成对设置，且相对于所述光纤中心211对称设置。与依靠聚合物来引导泵浦光的双包层纤维不同，这种类型的光纤仅依靠掺杂玻璃来引导光，这使得它们在外部温度升高和湿度升高的情况下更加坚固，因为聚合物往往对这些因素敏感。
因此，所公开的技术的实施方式可以使用具有聚合物护套的全玻璃纤维来提供机械保护。这种护套的光学性质(例如，光吸收，折射率等)可以变化。覆盖有高温聚合物的全玻璃纤维可用于最高150℃的高温下工作，而标准双包层纤维通常涂有温度不能超过70℃的低折射率聚合物。此外，需要散热器提取产生的热量，但采用这种类型纤维的光纤可以大大减少利用散热器提取产生热量的需求。这实质上消除了对昂贵的散热器的需求，从而降低了成本和尺寸。
在本实施例中，用于第一段增益光纤210和第二段增益光纤410的纤维可以是基于各种设计的保偏(PM)光纤，包括熊猫PM光纤或蝴蝶结PM光纤设计。保偏光纤通过消除非PM版本所需的光学部件，使MOPA系统更简单，扩展性更小。
对于全玻璃纤维，泵浦导管(内包层)的数值孔径(NA)通常限制为0.30左右，但也可以方便地设置为较低的值。实际上，为了改善每个阶段之间的泵浦耦合，可以保持相同的泵浦导管直径，并增加接收侧的数值孔径，从而可以减小放大倍数。例如，可以选择泵浦激光器从NA值为0.15的105um中心光纤发射光。第一放大阶段的增益光纤泵导管可以选择具有较高的NA(例如0.21)，且具有相同的导轨直径为105um，第二阶段可以具有NA为0.27的105um的泵浦导管。通过在发射准直器中使用比接收准直器更长的焦距透镜，可以使泵浦光更紧密地聚焦，并且仍可以100％由接收光纤引导。
因此，所公开的技术可以用于通过单个低成本泵来实现超过50dB的信号增益，以构建没有无源光纤的MOPA放大器，从而提高可靠性、可制造性，降低成本和非线性效果(信号失真)。通用支撑基座可实现低成本，并易于使用各种可用的商用组件(例如现成组件)进行制造。通过使用全玻璃纤维来避免使用用于散热的相对昂贵的散热器，可以实现耐高温设计。选择PM光纤可简化MOPA系统的其余部分，使其更便宜。
如上所述，所公开技术的特征之一是在多增益区段设计中将泵浦光从一个增益段再环行到另一增益段。可以通过选择第一阶段的光学相互作用长度(例如，第一段增益光纤的光纤长度)来控制泵浦光在两个增益段之间的共享量，以允许给定数量的泵浦光通过第二段增益光纤。在设计段增益光纤时，可以具体选择/调整段增益光纤的数值孔径，以最大程度地减小耦合损耗。
该特征可以用于具有非DCF/全玻璃纤维的设计中，例如拉曼放大器中的芯泵浦光纤放大器设计(信号和泵浦光由同一根导管引导的光纤：光纤中心)。除了掺杂的增益光纤之外，还可以使用各种形式的光增益介质，例如，诸如块状晶体和半导体光放大器器件之类的掺杂的晶体增益介质。
尽管该专利文件包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或所要求保护的范围的限制，而应视为对特定发明的特定实施例的特征的描述。在本专利单独的实施例的上下文描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声称，但是在某些情况下，可以从该组合中所要求保护的组合中去掉一个或多个特征，并且可以将所要求保护的组合用于子组合或变体子组合。
仅描述了一些实施方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容进行其他实施方式中增强和变化。

Claims (25)

1.一种激光系统，其特征在于，所述激光系统中不同的光放大部分共享泵浦光和种子光，还包括：
支撑基座，作为光具座；
种子激光器，位于支撑基座上，以种子激光波长产生种子光；
光学环行器，位于支撑基座上，包括用于接收和输出激光的第一光学端口、第二光学端口和第三光学端口；所述光学环行器与所述种子激光器隔开，用于将第一光学端口接收的自由空间中的种子光引导到第二光学端口，再将第二光学端口接收的光引导到第三光学端口；
泵浦光源，位于支撑基座上，用于产生泵浦激光，其波长不同于种子激光波长；
第一二向色反射镜，位于支撑基座上，用于接收来自自由空间中泵浦光源的泵浦光和来自光学环行器第二光学端口的种子光，并将接收到的泵浦光和种子光合并成一束组合激光，所述第一二向色反射镜用于传输泵浦激光波长的光和反射种子激光波长的光；
第一光纤准直器，位于支撑基座上，以接收来自自由空间并由第一二向色反射镜组合后的组合激光；
第一段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，所述第一光纤终端耦合到第一光纤准直器，接收组合激光，所述掺杂增益光纤段在第一光纤终端和第二光纤终端之间，将组合激光中泵浦光的能量转换为种子光的能量，从而放大种子光；
光纤光栅，其位于第二光纤终端和掺杂增益光纤段之间的第一段增益光纤中，其将种子光反射回掺杂增益光纤段中进行二次放大，同时将剩余泵浦光传输到第二光纤终端；其中，放大后的种子光通过第一光纤终端耦合到第一光纤准直器，再通过自由空间经第一二向色反射镜传输至光学环行器的第二光学端口；
第二光纤准直器，位于支撑基座上，耦合到第一段增益光纤的第二光纤终端，将剩余泵浦光从第一段增益光纤中输出至自由空间中；
第三光纤准直器，位于支撑基座上，在自由空间中接收来自光学环行器第三光学端口的放大后的种子光；
第二段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，所述第一光纤终端耦合到第三光纤准直器，接收经第一段增益光纤放大后的种子光，所述掺杂增益光纤段在第一光纤终端和第二光纤终端之间，将组合激光中的泵浦光的能量转换为种子光的能量，从而放大种子光；
第四光纤准直器，位于支撑基座上，耦合到第二段增益光纤的第二光纤终端，第四光纤准直器从自由空间接收来自第二光纤准直器的剩余泵浦光，反向提供给第二段增益光纤中的掺杂增益光纤段，进一步放大经由第一段增益光纤反射回来的放大后的种子光，随后由第四光纤准直器输出。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，还包括：第二二向色反射镜，位于支撑基座上，并位于第四光纤准直器和第二光纤准直器之间，所述第二二向色反射镜从自由空间中将第二光纤准直器出射的剩余泵浦光传输到第四光纤准直器，同时反射来自第四光纤准直器的放大后的种子光。
3.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，包括：
输出光纤准直器，位于支撑基座上，接收来自第四光纤准直器的放大后的种子光；
输出光纤，其耦合到所述输出光纤准直器，接收最终放大后的种子光作为该激光系统的激光输出。
4.根据权利要求3所述的激光系统，其特征在于，包括：输出光带通滤波器，位于支撑基座上，并位于第四光纤准直器和输出光纤准直器之间，过滤由第四光纤准直器输出的放大后的种子光，以阻止不同于种子激光波长的杂散光。
5.根据权利要求3所述的激光系统，其特征在于，包括：光学隔离器，位于支撑基座上，并位于第四光纤准直器和输出光纤准直器之间，阻止由输出端返回的种子光输入至第四光纤准直器。
6.根据权利要求3所述的激光系统，其特征在于，包括：
分光器，位于支撑基座上，并位于第四光纤准直器和输出光纤准直器之间，将第四光纤准直器输出的放大后的种子光分出一小部分作为光信号监控；
光学探测器，位于支撑基座上，接收光学监控信号，以监控来自第四光纤准直器的放大后的种子光的输出功率。
7.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，包括：光带通滤波器，位于支撑基座上，并位于光学环行器和第三光纤准直器之间，过滤来自光学环行器第三光学端口的放大后的种子光，以阻止不同于种子激光波长的杂散光。
8.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述支撑基座上的泵浦光源包括：
位于支撑基座上的第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，分别产生第一泵浦光和第二泵浦光；
位于支撑座上的光组合器，将第一泵浦光和第二泵浦光合并后传输至第一光纤准直器中。
9.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述支撑座上的泵浦光源包括单个泵浦激光器。
10.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述种子激光波长在光通信中使用的光谱范围内。
11.根据权利要求10所述的激光系统，其特征在于，在光通信中使用的光谱范围包括1550nm波长。
12.根据权利要求10所述的激光系统，其特征在于，所述泵浦激光波长短于种子激光波长。
13.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一段增益光纤和第二段增益光纤都由保偏光纤形成。
14.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一段增益光纤和第二段增益光纤都包括保偏光纤。
15.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一段增益光纤和第二段增益光纤都包括全玻璃光纤，所述全玻璃光纤可承受100℃以上的高温。
16.一种激光系统，其特征在于，所述激光系统中不同的光放大段共享泵浦光和种子光，包括：
支撑基座，作为光具座；
种子激光器，位于支撑基座上，以种子激光波长产生种子光；
泵浦光源，位于支撑基座上，产生泵浦光，其波长不同于种子激光波长；
第一自由空间光模块，位于支撑基座上，接收来自种子激光器的种子光和来自泵浦激光器的泵浦光，并将两者合并为一束组合激光；
第一光纤准直器，位于支撑基座上，接收经由第一自由空间光模块的组合激光；
第一段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，所述第一光纤终端耦合到第一光纤准直器并接收组合激光，所述掺杂增益光纤段在第一光纤终端和第二光纤终端之间，将组合激光中泵浦光的能量转换为种子光的能量，放大种子光；
第一光反射器，将具有种子激光波长的光反射回掺杂增益光纤段进行二次放大，同时将具有泵浦激光波长的剩余泵浦光传输至第二光纤终端；其中，放大后的种子光通过第一光纤终端耦合到第一光纤准直器，再由自由空间的方式传输至第一自由空间光模块；
第二光纤准直器，位于支撑基座上，与第一段增益光纤的第二光纤终端耦合，将第一段增益光纤中的剩余泵浦光传输至前方自由空间；
第三光纤准直器，位于支撑基座上，接收来自第一自由空间光模块的放大后的种子光；
第二段增益光纤，其包括第一光纤终端、第二光纤终端和掺杂增益光纤段，所述第一光纤终端耦合到第三光纤准直器，接收来自第一段增益光纤的放大后的种子光，所述掺杂增益光纤段在第一光纤终端和第二光纤终端之间，将组合激光中的泵浦光的能量转换为种子光的能量，放大种子光；
第四光纤准直器，位于支撑基座上，耦合到第二段增益光纤的第二光纤终端，第四光纤准直器从自由空间接收来自第二光纤准直器的剩余泵浦光，反向提供给第二段增益光纤中的掺杂增益光纤段，进一步放大经由第一段增益光纤反射回来的放大后的种子光，随后由第四光纤准直器输出；
第二自由空间光模块，耦合第四光纤准直器和第二光纤准直器，将剩余泵浦光从第二光纤准直器传输到第四光纤准直器，并进一步引导第四光纤准直器输出的最终放大后的种子光作为该激光系统的输出。
17.根据权利要求16所述的激光系统，其特征在于，每个自由空间光模块包括一个或多个光学元件，其在自由空间中而不是通过光纤或光波导实现光传输。
18.根据权利要求16所述的激光系统，其特征在于，所述第一自由空间光模块包括一分离所述种子激光波长和泵浦激光波长的光二向色性装置。
19.根据权利要求16所述的激光系统，其特征在于，所述第一自由空间光模块包括一具有波长选择特性的合光器或者分光器，根据波长对种子激光波长的光和泵浦激光波长的光进行传输。
20.一种激光系统，其特征在于，所述激光系统在不同的光放大段中共享的泵浦光和种子光，包括：
支撑基座，作为光具座；
种子激光器，位于支撑基座上，以种子激光波长产生种子光；
泵浦光源，位于支撑基座上，产生泵浦光，其波长不同于种子激光波长；
第一自由空间光模块，位于支撑基座上，接收来自种子激光器的种子光和来自泵浦光源的泵浦光，并将两者合并为一束组合激光；
第一段增益光纤，位于支撑基座上，接收所述组合激光，并将组合激光中泵浦光的能量转换成种子光的能量，从而放大种子光；
光学反射器，将种子激光波长的光反射回第一段增益光纤对种子光进行二次反向放大，同时将剩余的泵浦光传输至第二光纤终端；其中，所述反向放大的种子光通过自由空间传输到第一自由空间光模块；
第二段增益光纤，位于支撑基座上，接收来自第一自由空间光模块的反向放大的种子光与来自另一方向的剩余泵浦光，从而将反向放大的种子光进一步放大；
第二自由空间光模块，其引导来自第一段增益光纤的剩余泵浦光，并进一步引导来自第二段光纤增益的多次放大后的种子光作为系统的输出。
21.根据权利要求20所述的激光系统，其特征在于，所述第一段增益光纤或第二段增益光纤包括掺杂的体光学晶体或半导体光放大器(SOA)或掺杂增益光纤段，在泵浦光作用下对种子激光波长的光进行放大。
22.一种激光系统，其特征在于，所述激光系统的不同的光放大段共享泵浦光和种子光，还包括：
支撑基座，作为光具座；
种子激光器，位于支撑基座上，以种子激光波长产生种子光；
泵浦光源，位于支撑基座上，产生泵浦光，其波长不同于种子激光波长；
第一段增益光纤，接收种子光和泵浦光，其包括掺杂增益光纤段，将泵浦光的能量转换为种子光的能量，以放大种子光；
第二段增益光纤，接收由第一段增益光纤放大后的种子光，其包括掺杂增益光纤段，将泵浦光的能量转换为种子光的能量，继续放大种子光；
第三段增益光纤，接收由第二段增益光纤放大后的种子光，其包括掺杂增益光纤段，将泵浦光的能量转换为种子光的能量，再次放大种子光；
分光器，将来自泵浦光源的泵浦光分成两部分：第一泵浦光和第二泵浦光，所述第一泵浦光耦合到第一段增益光纤和第二段增益光纤，所述第二泵浦光耦合到第三段增益光纤。
23.根据权利要求22所述的激光系统，其特征在于，所述泵浦光源包括两个激光二极管和一个光组合器，所述光组合器将来自两个激光二极管的泵浦光合并成所述泵浦光。
24.根据权利要求22所述的激光系统，其特征在于，包括：
第一二向色反射镜，其置于泵浦光和种子光的光路中，将来自种子激光器的种子光反射到所述第一段增益光纤中，同时将从第一段增益光纤透射的泵浦光传输到所述第二段增益光纤中；
第二二向色反射镜，其置于泵浦光和种子光的光路中，将第一段增益光纤放大的种子光以不同上述的光路反射到第二段增益光纤，并在第二段增益光纤中放大。
25.根据权利要求22所述的激光系统，其特征在于，包括：
第一带通滤波器，位于第一段增益光纤和第二段增益光纤之间，以减少第一段增益光纤在放大种子光过程中产生的放大自发辐射噪声；
和/或者第二带通滤波器，位于第二段增益光纤和第三段增益光纤之间，以减少所述第二段增益光纤在放大种子光过程中产生的放大自发辐射噪声；
和/或者第三带通滤波器，与第三段增益光纤耦合，以减少所述第三段增益光纤在放大种子光过程中产生的放大自发辐射噪声。
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