CN100416948C - 一种窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种可用于产生1550nm波段激光输出的新型窄线宽单频光纤激光器。该激光器由电源、半导体激光泵浦源、波分复用器、复合型掺Er³⁺光纤谐振腔、耦合器、光隔离器和连接器构成。本发明采用中心波长为976nm的半导体激光泵浦复合型掺Er³⁺光纤谐振腔，产生波长为1550nm波段窄线宽单频激光，其中复合型掺Er³⁺光纤谐振腔由掺Er³⁺光纤、光纤环形镜、耦合光栅和输出光栅组成。本发明优点是：全光纤结构，谐振腔采用带有光纤环形镜的复合腔形式，结构紧凑，无需采用温度控制系统，单频特性好。本发明在光纤通信、光纤传感、激光雷达、激光测试和光谱分析等领域有广泛应用前景。

Description

一种窄线宽单频光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术和光纤技术领域。

背景技术

采用波长选择装置如F-P标准具、可调滤波器或Bragg光栅等可以限制激光增益谱内起振的纵模数，只让满足特定条件的少数几个纵模振荡，即获得窄线宽激光输出。如果激光谐振腔内只有一个纵模振荡，就成为了单频激光器，输出光具有很好的时间相干性。

掺Er³⁺光纤激光器是近年来出现的一种新型激光器件。与红外波段半导体激光器(LD)相比，掺Er³⁺光纤激光器有许多优点，如它可以在1 550nm波段产生较高功率激光输出，克服了LD在红外波段输出功率较低的缺陷；此外，掺Er³⁺光纤激光器与现有光纤器件完全相容，容易实现全光纤传感和全光通信系统，使用起来也比LD方便。

与掺Er³⁺玻璃或者晶体作为增益介质的固体激光器相比，掺Er³⁺光纤激光器也有许多优点，如光纤激光器结构更加紧凑；振荡光波被限制在纤芯内，光束质量好；可采用双包层结构进一步扩展输出功率等。

在各种掺Er³⁺光纤激光器中，窄线宽单频光纤激光器具有重要应用价值。这种器件可作为水听器、激光陀螺和自由空间光通信系统的理想光源，其光谱宽度、调谐范围等指标课余气体和固体窄线宽单频激光器媲美，而其元件可集成化的优势使其具有更好的长期稳定性。窄线宽光纤激光器已成为窄线宽激光器发展的一种重要技术途径。

目前实现光纤激光器单频窄线宽输出的方式主要有短腔法和环形腔法。其中短腔法一般采用长度为几厘米的高掺杂浓度掺Er³⁺光纤作为增益介质，窄线宽光纤光栅作为激光器腔镜，结构简单，但常用的硅酸盐光纤中Er³⁺离子掺杂浓度不能太高，否则会出现浓度淬灭现象，因此国外多采用磷酸盐玻璃光纤，成本很高；此外短腔法要求光纤光栅3dB带宽小于0.03nm，对光纤光栅的加工工艺提出了较高要求，实现难度较大。而采用传统的环形腔法可以实现单频输出，但激光输出效率较低；为提高输出功率，需增加掺杂光纤长度，从而增加激光器腔长，但会影响激光器的频率稳定性；此外，在环形结构中，为了使激光在腔内形成行波场，需要使用价格昂贵的光纤环形器，很难产品化。

发明内容

本发明目的在于提供一种窄线宽单频光纤激光器的技术方案，实现1550nm波段的窄线宽单频激光输出。

本发明提出一种采用复合型掺Er³⁺光纤谐振腔结构研制窄线宽单频光纤激光器的技术方案，其主要思想是采用了复合复合腔结构在保证激光器输出功率的同时获得稳定的窄线宽单频输出。本发明所用的元器件均为光纤领域商业化器件，成本较低；所用光纤光栅3dB线宽为0.07nm，加工比较容易；所有部件均采用光纤连接并熔接在一起，实现全光纤结构，性能稳定，可靠耐用，可以在特殊要求的场合下正常使用。

本发明研制的窄线宽单频光纤激光器如图1所示。由于Er³⁺离子增益谱很宽，未加入外腔时，选频元件是作为主腔镜的光纤环形镜(反射率为R₁)和耦合光栅(反射率为R₂，带宽为0.07nm)，激光器线宽由光纤光栅带宽决定。本发明中选用的光纤光栅3dB带宽为0.07nm，其对应于频域中带宽为 ${\mathrm{\Δv}}_0=c{\mathrm{\Δ\λ}}_B/{\mathrm{\λ}}_B^2,$ 其中c为光速，Δλ_B为反射带宽，λ_B为光栅布拉格波长。取中心波长为1553nm，则主腔中增益谱半腔全宽(FWHM)为8.7GHz。当主腔长为1m，光纤折射率取1.5时，纵模间隔Δv₁＝c/2nL为0.1GHz，增益谱内可能有87个纵模振荡，此时激光器处于多模振荡状态，不同模式之间相互竞争，占优势的模式起振。加入外腔反馈后，由于输出光栅(反射率为R₃)对激光的反馈作用，在外腔掺Er³⁺光纤中自写入一段很长的光纤光栅，对激光线宽进行压窄，起到选模作用；不同模式的腔损耗将出现差别，在外腔调制带宽范围以外的模式由于损耗过大而不能起振，只有落入其内的模式能够振荡。因此当反射谱线宽进一步压窄至等于或小于纵模间隔时，可得到单频激光输出。

光纤光栅外腔反馈对激光线宽的压窄作用体现在：激光器谱线宽度和腔长成反比，外腔的存在大幅度增加了激光器有效腔长，从而使线宽变窄。另外引入外腔反馈将增大受激辐射，从而抑制自发辐射，使激光线宽变窄。在只考虑单频运转情况下，复合型掺Er³⁺光纤谐振腔线宽压窄公式为

$\frac{{\mathrm{\Δv}}_0}{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{ext}}}={\{1+\left(\frac{r_3{t}_{\mathrm{ext}}}{r_2{t}_m}\right)[cos\left({\mathrm{\ωt}}_{\mathrm{ext}}\right)-\mathrm{\γ}\sin \left({\mathrm{\ωt}}_{\mathrm{ext}}\right)\left]\right\}}^2---\left(1\right)$

其中Δv_ext和Δv₀分别为有、无外腔反馈时激光器谱线宽度； $r_2=\sqrt{R_2}$ $r_3=\sqrt{R_3}$ 为光纤光栅对信号光的振幅反射系数；t_int＝2n_intL/c、t_ext＝2n_extL_out/c分别为激光在内、外腔往返一次所需时间；n_int、n_ext为激光增益介质及外腔掺Er³⁺光纤折射系数；ω为有外腔反馈时激光器实际激射频率；γ为光腔损耗。根据公式(1)，压窄后的增益谱宽半周期与纵模间隔相当。这表明加入外腔反馈提供了对于反射谱的调制，将主腔增益谱宽度进一步压窄至纵模间隔以下，保证了稳定的单频激光输出。

本发明提供的产生1550nm波段窄线宽单频光纤激光技术方案分两个步骤：

(1)利用带尾纤输出的976nmLD泵浦由光纤环形镜、掺Er³⁺光纤和耦合光栅熔接构成的激光主谐振腔产生1550nm波段光纤激光输出；

(2)利用在主腔外焊接一定长度的掺Er³⁺光纤和输出光栅构成复合腔，进一步压窄主腔输出的1550nm波段光纤激光线宽，最终实现窄线宽单频激光输出。

实现本发明方法的装置由电源、带单模尾纤输出的976nmLD、波分复用器、复合型掺Er³⁺光纤谐振腔、耦合器、光隔离器和连接器构成。

(一)1550nm光纤激光的产生

本发明装置中，利用带尾纤输出的976nmLD泵浦由光纤环形镜、掺Er³⁺光纤和耦合光栅焊接构成的主激光谐振腔产生1550nm波段光纤激光输出，电源为LD提供电能和必要温控以及保护。下面具体分析各部分技术特征：

(1)半导体激光泵浦源可采用光通信中广泛使用的单模尾纤输出LD(如输出波长976nmAlGaAsLD)，直接将尾纤与WDM焊接，将泵浦光耦合入谐振腔。

(2)WDM可采用光通信中标准元件。例如，使用2×1规格熔锥型WDM，该WDM有一个980nm波段输入端，连接980nm光纤；有一个1550nm波段输入端，连接1550nm光纤；一个1550nm波段输出端，连接1550nm光纤。

(3)激光主谐振腔由光纤环形镜、掺Er³⁺光纤和耦合光栅熔接构成。若采用光纤环形镜作为谐振腔全反射镜，则可采用将3dB耦合器同方向的两端熔接成Sagnac环的方式制作而成。耦合光栅作为激光主谐振腔输出镜，可以采用掩模法在光敏光纤上刻写光栅制作而成，其透过率大小由LD泵浦水平决定，例如对于100mW量级LD泵浦的掺Er³⁺光纤激光器，输出端耦合光栅对1550nm波段的透过率一般为10～30％为宜。

(二)激光输出线宽的压缩

上述方法产生的激光光束受到激光谐振腔的限制，一般包含有多个纵模。为了实现单频激光输出，本发明采用加入外腔的方法选择单纵模、压窄输出激光线宽。其技术特征分析如下：

(1)在主腔输出端耦合光栅一侧焊接一定长度的掺Er³⁺光纤，可以吸收剩余976nm泵浦光，实现功率放大，同时在其末端焊接一个中心波长与耦合光栅中心波长一致的输出光栅，同样可以采用紫外光照射掩模法加工制成，该光栅的透过率可以在50％～60％。当主腔输出1550nm波段激光通过满足上述关系的复合腔系统后，由于游标效应和掺杂光纤饱和吸收作用自写入光栅的共同作用，可以使线宽进一步压缩，得到单频输出。

(2)输出端焊接光隔离器，保证隔离泵浦光，使激光单向传输，使用连接器可以作为活动接口使光纤激光器输出端与其它设备方便的连接。

本发明优点有以下几项：

(1)本发明所设计的光纤激光器所用元件均为光通信标准器件，容易采购，成本较低，质量可靠，易于批量生产；

(2)本发明所设计的光纤激光器各元件之间通过光纤焊接在一起，采用全光纤结构，较之固体激光器而言，无需调试，性能稳定，简便灵活，整机体积小，重量轻，结构紧凑，可以在许多特殊要求的环境下使用；

(3)复合型掺Er³⁺光纤谐振腔结构使1550nm波段单频激光输出达到几十mW量级，较之1550nm波段LD而言，输出功率高，光束质量好，全光纤结构便于与系统集成，实用性强；

(4)本发明在光纤通信、高精度光纤传感、高精度激光雷达、激光干涉测试、光谱分析、激光种子源和相干探测等领域有着广泛应用。

附图说明

图1是本发明窄线宽单频光纤激光器整体结构示意图。如图1所示，本发明装置包括976nmLD泵浦耦合系统和复合型掺Er³⁺光纤谐振腔两部分。各部件名称如下：1散热片(热沉)，2半导体激光器(LD)，3LD尾纤，4LD温控线，5LD电源线，6LD测温线，7LD电源，8地线，9光纤Sagnac环，10耦合器，11波分复用器(WDM)，1 2主谐振腔掺Er³⁺光纤，13耦合光栅，14外腔掺Er³⁺光纤，15输出光栅，161550nm波段标准单模光纤，171550nm光隔离器，18连接器，19外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步说明。如图1所示，本发明装置由976nmLD泵浦耦合系统和复合型掺Er³⁺光纤谐振腔两部分组成。976nmLD泵浦耦合系统的作用是产生976nm激光并通过电源提供温控和保护，使其波长稳定在976nm处，再利用WDM11将泵浦光耦合进激光谐振腔，其泵浦源是LD2，LD电源7通过LD温控线4、LD电源线5和LD测温线6为LD2提供电源、温控和保护，为了实现LD输出波长与光纤掺杂稀土离子吸收波长的光谱匹配，LD2安装在热沉1上。LD2输出光束由LD尾纤3焊接到WDM11的泵浦光输入端，用于泵浦主谐振腔掺Er³⁺光纤12。光纤Sagnac环9由耦合器10的同方向两输入端熔接构成。将光纤Sagnac环9焊接到WDM11的信号光输入端，并将WDM11的信号光输出端与主谐振腔掺Er³⁺光纤12和耦合光栅13顺次熔接构成激光器主谐振腔，如主谐振腔掺Er³⁺光纤12为标准单模光纤，掺杂浓度为1660ppm，长度为1m，耦合光栅13的中心波长为1553nm，3dB带宽为0.07nm，反射率为80％，当LD2的输出功率高于光纤激光器阈值泵浦功率时激光器开始振荡并输出中心波长1553nm光纤激光。在主谐振腔外熔接外腔掺Er³⁺光纤1 4和输出光栅15，用以压窄激光输出线宽，实现单频激光输出，其中外腔掺Er³⁺光纤14与主谐振腔掺Er³⁺光纤12相同，长度为6m，输出光栅15反射率为50％，其它参数与耦合光栅13一致，之后熔接1550nm波段标准单模光纤16和1550nm光隔离器17以及连接器18，隔离泵浦光，使单频光纤激光单向传输，并方便的与其它设备连接。整个装置安装在一个铝制密封外壳19中，避免灰尘进入，防止损坏器件，光纤均盘绕在底板上，避免折断，并用热缩套管保护焊点不受破坏。

当满足以上条件时，本发明可输出1550nm通信波段单频光纤激光，经连接器18可作为接口与其它设备对接。当改变泵浦LD2的输入电流时，可以控制输出激光功率的大小。

Claims (1)

1. 一种窄线宽单频光纤激光器，其特征为：它由电源(7)、976nm波长半导体激光泵浦源(2)、波分复用器(11)、复合型掺Er³⁺光纤谐振腔、光隔离器(17)和连接器(18)构成，其中电源(7)除为半导体激光泵浦源(2)供电外，还具有温控和保护功能；波分复用器(11)将泵浦光耦合进入光纤激光器谐振腔；复合型掺Er³⁺光纤谐振腔由光纤环形镜(9)、主谐振腔掺Er³⁺光纤(12)、耦合光栅(13)和输出光栅(15)熔接而成，耦合光栅(13)与主谐振腔掺Er³⁺光纤(12)以及光纤环形镜一同构成主谐振腔；其中光纤环形镜(9)由耦合器(10)的同向两端焊接构成，作为激光谐振腔的全反端镜；主谐振腔掺Er³⁺光纤(12)作为增益介质，实现粒子数反转，获得激光增益；耦合光栅(13)作为主谐振腔的输出端镜；在主腔外焊接一段外腔掺Er³⁺光纤(14)，并在其输出端焊接输出光栅(15)，作为复合腔的外腔，可获得单频且稳定性好的1550nm波段激光输出；光隔离器(17)的作用除了滤去泵浦光外，还可防止输出端激光反射进入激光谐振腔影响激光器频率稳定性；连接器(18)作为活动接口使光纤激光器输出端与其它设备连接。

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