CN2711951Y - 复合腔单纵模掺铒光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光纤激光器，特别是具有复合腔的单纵模掺铒激光器，属激光技术领域。主要由三部分构成：主谐振腔部分、外腔反馈部分和信号光的放大输出部分。采用紧凑型半导体激光器作泵浦源，在几个厘米长的高掺铒光纤两端熔接光纤Bragg光栅对儿构成主腔，一段带有另一个光纤Bragg光栅的单模传光光纤与主腔熔接构成外腔，外腔的光纤光栅对信号光产生反馈并选取单纵模。最后，剩余泵浦光继续泵浦一段低掺铒光纤，对信号进行放大，放大后的激光经单向导光器从低掺铒纤的另一端输出。该结构制作工艺简单，性价比高，可以实现稳定、无跳模的单纵模激光运转。可广泛用于高速光通信、高密集波分复用、相干检测系统及相位型光纤传感系统及光谱学等领域中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤激光器，特别是具有复合腔的单纵模掺铒激光器，属激光技术领域。
技术背景
窄线宽、单纵模光纤激光器在光纤通信、光传感及光谱学等领域有着巨大的应用价值。掺铒光纤激光器具有低阈值、低噪声、高信噪比、高温度稳定性和便于小型化等半导体激光器无可比拟的优点，特别是光纤中掺杂的铒离子激射波长范围几乎覆盖C+L通信波段(1520-1610nm)，利用铒光纤制成的单纵模光纤激光器，近年来成为高速光通信系统和高密集波分复用(DWDM)系统中极具吸引力的光源。单纵模掺铒光纤激光器通常为环形腔与线形腔结构。对于环形腔结构，因为所用掺铒光纤较长(大约几米)，纵模间隔小，容易导致多个模式落入增益谱内，常发生模式跳跃现象。并且环形腔结构还需要一些昂贵的元件，如环形器、隔离器等，大大降低了在实际应用中的性价比。对于线形腔结构，多为短腔分布Bragg反射(DBR)结构，因为窄带宽的光纤Bragg光栅(FBG)能够在空间烧孔效应(SHB)存在的条件下压窄线宽并选取单纵模。但是这一方法的腔长太短，泵浦效率太低而且输出激光的线宽往往比腔长很长的环形激光器的线宽还要宽。并且理论上存在缺陷：要想获得1550nm的单纵模激光输出，理论上腔长应短至1cm或者作为腔镜的光纤Bragg光栅反射带宽窄至0.01nm，这两项显然都是不实际的。
发明内容
本实用新型的目的是解决以上提出和讨论的问题，为掺铒光纤通信系统的研发与测试提供制作工艺简单、成本低、高性价比、输出功率稳定、无跳模的单纵模激光光源，使系统结构紧凑，全光纤化，能够长期稳定工作。
本实用新型的技术方案是：
这种复合腔单纵模掺铒光纤激光器，它包括主谐振腔a、外腔反馈b和信号光放大输出c三部分：
主谐振腔a依次由半导体激光器LD1、波分复用器WDM2、光纤光栅R13、高掺杂浓度的铒光纤4和光纤光栅R25熔接构成；其中半导体激光器LD是泵浦源，光纤光栅R1、高掺杂浓度的铒光纤和光纤光栅R2构成激光器谐振腔，泵浦光通过波分复用器WDM耦合进激光器谐振腔中，从主谐振腔a的端口①出射波长为1550nm的激光；
外腔反馈b由单模传光光纤6和光纤光栅R37构成；光纤光栅R3通过单模传光光纤6对主谐振腔a部分输出的窄线宽激光起到了光反馈并选取单纵模的作用，主谐振腔a部分的端口①与外腔反馈b部分端口②相熔接，从光纤光栅R3反射回来的部分信号光通过端口②进入主谐振腔a部分，从光纤光栅R3透射的信号光由端口③出射；
信号光放大输出c由普通掺杂浓度的铒光纤8、单向导光器9和8°角的输出端面10构成；该部分的端口④与外腔反馈b部分的端口③相熔接，普通掺杂浓度的铒纤对从端口③出射的信号光进行放大，放大了的信号光经单向导光器，从8°角的输出端面的右侧端口⑤出射，输出的单纵模激光接入光谱分析仪进行观测。
本实用新型的有益效果是：
解决了全光纤化掺铒光纤通信系统光源输出激光的窄线宽单纵模特性与相对较高的泵浦效率不可兼得的弊端，以及以往窄线宽激光器成本高、易跳模的问题，实现了单纵模、斜率效率达到4％的1548.4nm激光的输出，并且使装置全光纤化，结构紧凑，高性价比，能够长期稳定工作。
附图说明
图1.a、主谐振腔 b、外腔反馈部分 c、信号光的放大输出部分
图2.加入外腔未加放大时，输出功率和泵浦功率的关系
图3.激光器单纵模运转时内、外腔长度的关系曲线
图4.未加入外腔及放大时，主腔输出激光的光谱
图5.复合腔单纵模掺铒光纤激光器的输出光谱
实施具体方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式进行具体说明：
这种复合腔单纵模掺铒光纤激光器，它由三部分构成：主谐振腔a、外腔反馈部分b和信号光的放大输出部分c。
主谐振腔a依次由半导体激光器LD1、波分复用器WDM2、光纤光栅R13、高掺杂浓度的铒光纤4和光纤光栅R25熔接构成；其中半导体激光器LD是泵浦源，光纤光栅R1、高掺杂浓度的铒光纤和光纤光栅R2构成激光器谐振腔，泵浦光通过波分复用器WDM耦合进激光器谐振腔中，从主谐振腔a的端口①出射波长为1550nm的激光；
外腔反馈b由单模传光光纤6和光纤光栅R37构成；光纤光栅R3通过单模传光光纤6对主谐振腔a部分输出的窄线宽激光起到了光反馈并选取单纵模的作用，主谐振腔a部分的端口①与外腔反馈b部分端口②相熔接，从光纤光栅R3反射回来的部分信号光通过端口②进入主谐振腔a部分，从光纤光栅R3透射的信号光由端口③出射；
信号光放大输出c由普通掺杂浓度的铒光纤8、单向导光器9和8°角的输出端面10构成；该部分的端口④与外腔反馈b部分的端口③相熔接，普通掺杂浓度的铒纤对从端口③出射的信号光进行放大，放大了的信号光经单向导光器，从8°角的输出端面的右侧端口⑤出射，输出的单纵模激光接入光谱分析仪进行观测。
激光器的复合腔由主谐振腔a与外腔反馈b两部分构成。
半导体激光器LD的激光波长是980nm。
主谐振腔中的光纤光栅均为光纤布拉格光栅FBG，光纤光栅R13、R25的3dB反射带宽均为0.1nm，中心反射波长1550nm处反射率分别为99.9％、80％。
主谐振腔a中的高掺杂铒光纤4长12cm，掺杂浓度2740ppm，980nm处峰值吸收系数为14dB/m。
外腔反馈中的单模传光光纤6是普通单模光纤，长为10m；光纤光栅R37亦是光纤布拉格光栅FBG，其3dB反射带宽为0.1nm，中心反射波长1550nm处反射率为50％。
光纤光栅R25、R37分别固定在两个悬臂梁上，通过调节加在悬臂梁上的应力，使其弯曲，从而调整光纤光栅的中心反射波长，使三个FBG的中心反射波长达到完全匹配，实现稳定的单纵模的激光输出。
信号光放大输出c部分中，是利用剩余泵浦光对长为2m，980nm处峰值吸收系数为6dB/m的掺铒光纤8进行泵浦，从而对信号进行放大，放大了的信号光应经过单向导光器9从磨制成8°的端面10输出。
该装置中，光纤光栅R2、R3分别固定在两个悬臂梁上，通过调节加在悬臂梁上的应力，使其弯曲，从而调整光纤光栅的中心反射波长，使三个FBG的中心反射波长达到完全匹配，实现稳定的单纵模的激光输出。
按照图1把每个部分的组件分别进行熔接，保证每个熔接点的损耗小于0.02dB。
将主谐振腔a部分的端口①与外腔反馈部分b部分的端口②相熔接，就构成了复合腔部分。从端口③出射的激光与从端口①出射的激光相比，已是被压窄约1000倍左右的单纵模激光了。
由于该激光器的增益光纤很短，较高功率的泵浦光通过增益介质后仍有大量能量未被耗尽；而且激光器的斜率效率较低，直接输出的信号光太弱。为了充分吸收剩余泵浦光及实现对信号光的放大，我们将端口③与端口④相熔接，在原来激光器的外腔后面加入了2m掺杂浓度较低的铒光纤并采用8°角的输出端以防止端面反射，影响激光质量。输出的单纵模激光接入分辨率为0.1nm，型号是MS9001B1的光谱分析仪进行观测。
图2为加入外腔但未加放大时，输出功率随注入功率的变化曲线。由图可见，它并不完全是一条直线，在泵浦功率16mW时斜率效率最大，为2％，但输出功率太小，若继续增大泵浦功率，输出功率虽随之增大，但其代价是斜率效率的缓慢降低。在最大泵浦功率60mW时，输出0.83mW，斜率效率降至1.4％。由此可见，在设定激光器的泵浦功率时要兼顾输出功率与此时的斜率效率。我们将泵浦功率选定在50mW，这时输出功率0.76mW，斜率效率1.5％，阈值泵浦功率10mW。
图3为激光器单纵模运转时内、外腔长度的关系曲线。这种复合腔结构单频光纤激光器能够保证单纵模工作的增益光纤长度是由主、外腔的长度共同决定的：主腔的长度决定了纵模间隔，外腔的作用是将增益谱压窄至纵模间隔以下。外腔压窄后增益谱宽恰好等于纵模间隔，激光器处于由单模向多模转换的临界状态，这时得到图中曲线A。可以看出，主腔越短，纵模间隔越大，要把谱线压窄至纵模间隔以下需要的外腔越短，如：当主腔为1cm时，外腔只要1.3cm即可使谱线压窄至等于纵模间隔；当主腔增长，纵模间隔减小，需要的外腔就要变长，当增益光纤为7cm时，外腔至少要27cm，增益光纤12cm时，外腔至少66cm才能满足要求；外腔达到一定长度时，损耗恰好抵消增益使激光停止振荡，得到曲线B，如，主腔1cm时外腔最长10cm，若再长激光器就无法起振了；主腔3cm时，外腔最长91cm；激光器的阈值决定了曲线C，这里增益光纤的最小长度为2cm。因此，单纵模工作区间是三条曲线A、B、C围成的区域。
图4为未加入外腔及放大时，主谐振腔(a)部分输出激光的光谱图。入纤功率为50mW的泵浦光经过WDM耦合进谐振腔中，从主谐振腔部分的端口①出射波长为1548.4nm的激光，接入型号是MS9001B1的光谱分析仪。此时最大输出功率为672μW，输出激光线宽显示值为0.076nm，增益谱内仍有多个纵模。
图5.复合腔单纵模掺铒光纤激光器的输出光谱图。当入纤泵浦功率为50mW时，该激光器在1548.4nm获得了谱宽极窄(受光谱仪分辨率限制，线宽已不可分辨，测量值显示0.016nm)的稳定、无跳模的激光输出，最大光功率达1.92mW，斜率效率为4％。通过图5与图4的比较可知，外腔的引入大大压窄了输出激光的线宽，并使提高泵浦功率的利用效率成为可能(以往文献报道的窄线宽掺铒光纤激光器的斜率效率大都在1～2％左右)。
Claims (8)
1、一种复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：它包括主谐振腔(a)、外腔反馈(b)和信号光放大输出(c)三部分：
主谐振腔(a)依次由半导体激光器LD(1)、波分复用器WDM(2)、光纤光栅R1(3)、高掺杂浓度的铒光纤(4)和光纤光栅R2(5)熔接构成；其中半导体激光器LD是泵浦源，光纤光栅R1、高掺杂浓度的铒光纤和光纤光栅R2构成激光器谐振腔，泵浦光通过波分复用器WDM耦合进激光器谐振腔中，从主谐振腔(a)的端口①出射波长为1550nm的激光；
外腔反馈(b)由单模传光光纤(6)和光纤光栅R3(7)构成；光纤光栅R3通过单模传光光纤(6)对主谐振腔(a)部分输出的窄线宽激光起到了光反馈并选取单纵模的作用，主谐振腔(a)部分的端口①与外腔反馈(b)部分端口②相熔接，从光纤光栅R3反射回来的部分信号光通过端口②进入主谐振腔(a)部分，从光纤光栅R3透射的信号光由端口③出射；
信号光放大输出(c)由普通掺杂浓度的铒光纤(8)、单向导光器(9)和8°角的输出端面(10)构成；该部分的端口④与外腔反馈(b)部分的端口③相熔接，普通掺杂浓度的铒纤对从端口③出射的信号光进行放大，放大了的信号光经单向导光器，从8°角的输出端面的右侧端口⑤出射，输出的单纵模激光接入光谱分析仪进行观测。
2、根据权利要求1所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：激光器的复合腔由主谐振腔(a)与外腔反馈(b)两部分构成。
3、根据权利要求1所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：半导体激光器LD的激光波长是980nm。
4、根据权利要求3所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：主谐振腔中的光纤光栅均为光纤布拉格光栅FBG，光纤光栅R1(3)、R2(5)的3dB反射带宽均为0.1nm，中心反射波长1550nm处反射率分别为99.9％、80％。
5、根据权利要求2所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：主谐振腔(a)中的高掺杂铒光纤(4)长12cm，掺杂浓度2740ppm，980nm处峰值吸收系数为14dB/m。
6、根据权利要求2所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：外腔反馈中的单模传光光纤(6)是普通单模光纤，长为10m；光纤光栅R3(7)亦是光纤布拉格光栅(FBG)，其3dB反射带宽为0.1nm，中心反射波长1550nm处反射率为50％。
7、根据权利要求1所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：光纤光栅R2(5)、R3(7)分别固定在两个悬臂梁上，通过调节加在悬臂梁上的应力，使其弯曲，从而调整光纤光栅的中心反射波长，使三个FBG的中心反射波长达到完全匹配，实现稳定的单纵模的激光输出。
8、根据权利要求1所述的复合腔单纵模掺铒光纤激光器，其特征在于：信号光放大输出(c)部分中，是利用剩余泵浦光对长为2m，980nm处峰值吸收系数为6dB/m的掺铒光纤(8)进行泵浦，从而对信号进行放大，放大了的信号光应经过单向导光器(9)从磨制成8°的端面(10)输出。
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