CN100420108C - 具有线性谐振腔的行波激光器 - Google Patents

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Abstract

在没有环形谐振腔结构的情况下用于制造如在环形激光器中的行波操作的线性谐振腔结构。可用于完成基于线性谐振腔结构的光纤激光器的全光纤构造。

Description

具有线性谐振腔的行波激光器
本申请要求2002年9月18日提交的美国临时申请No.60/411856的优先权，其全部公开内容通过参考并入此处以作为本申请的一部分。
技术领域
本申请涉及激光器，具体涉及单模激光器和光纤激光器。
背景技术
许多应用皆需要激光器的激光波长稳定在特定波长下。例如，在光波分复用器(WDM)系统中，不同光波分复用器信道的信号波长需要保持在依据波长标准(例如由国际电信联盟(ITU)建立的波分复用器波长)指定的波分复用器标准波长下。其它应用例如光谱测量也可使用稳定激光器来激发选定的原子或分子跃迁。
发明内容
本应用包括示例性线性激光器谐振腔结构，其可在没有实际的环形谐振腔的情况下提供通常在环形谐振腔中完成的行波操作。还描述了基于谐振腔结构的单波长光纤激光器的实施方案及用来调节此类激光器的激光波长的技术。在一个实施方案中，该线性激光器谐振腔可包括线性光学谐振腔，其具有第一和第二偏振敏感光学反射器(polarization sensitive optical reflector)以用来反射处于激光波长及偏振状态下的光并用来传输处于与激光波长不同的泵浦波长下的光。在线性光学谐振腔中提供激光增益部分以通过吸收泵浦光来在激光波长下产生光学增益。值得注意的是，第一和第二光学偏振旋转元件位于所述线性光学谐振腔中且分别位于激光增益部分的相对的两侧以使处于激光波长下的对传光束具有正交偏振。滤光片也被放置在线性光学谐振腔中来为处于激光波长下的光选择激光模以传输，且该滤光片对处于泵浦波长下的光而言是透明的。
基于以上结构，全光纤器件可被构造成具有线性光纤谐振腔。例如，光纤器件可包括具有第一光纤光栅的第一保偏(PM)光纤部分以反射处于激光波长下且其偏振被校准为沿保偏光纤部分的一条主轴方向的光，并传输处于与激光波长不同的泵浦波长下的光。掺杂光纤增益部分，例如，使用单模光纤，被用来通过吸收泵浦光在激光波长下产生光学增益。1/4波片被光学地耦合在第一保偏光纤部分和光学增益部分的第一侧面之间。第二保偏光纤部分被提供有第二光纤光栅以反射处于激光波长下且其偏振正交于第一光纤光栅的光，并传输处于泵浦波长下的光。3/4波片被光学耦合在第二保偏光纤部分和光学增益部分的第二侧面之间。此外，滤光片被光学耦合在第一和第二光纤光栅之间以产生处于激光波长下的光的峰值透射(peak transmission)，且其对处于泵浦波长下的光而言是透明的。掺杂光纤增益部分可由掺杂的石英光纤或其它掺杂的光纤制成。
基于此线性激光器谐振腔结构的光纤激光器可被稳定于特定激光波长下，且具有高边模抑制比(side mode suppression ratio)、窄线宽、散粒噪音限制的调幅噪音(shot noise limited AM noise)和高偏振消光比。此类光纤激光器由于空间烧孔的消除也可非常有效率，且可具有小型绝热包装(compact athernal package)及较低的制造成本。此外，此类光纤激光器在激光波长内是可调节的。
在一种实施方案中，器件具有线性光学谐振腔及谐振腔中的激光增益部分。线性光学谐振腔具有第一和第二光学反射器以反射处于激光波长下的光并传输处于与激光波长不同的泵浦波长下的光。第一反射器有选择地只反射在第一方向上线性偏振的光且所述第二反射器有选择地反射在第二方向上线性偏振的光。激光增益部分被用来通过吸收泵浦光而在激光波长下产生光学增益。该器件也包括位于线性光学谐振腔中的第一和第二光学偏振元件且它们分别位于激光增益部分的相对的两侧以使从所述第一和第二光学反射器被反射来的处于激光波长下的对传光束在第一和第二光学偏振元件之间具有正交偏振。此外，滤光片位于线性光学谐振腔中的第一和第二光学偏振元件之间以通过线性光学谐振腔有选择地传输处于被线性光学谐振腔支持的激光波长下的单模。
在另一种实施方案中，器件包括具有第一光纤光栅的第一保偏(PM)光纤、掺杂光纤增益部分、1/4波片，具有第二光纤光栅的第二保偏光纤、3/4波片、及位于由第一和第二光纤光栅形成的谐振腔中的滤光片。第一保偏光纤部分具有第一光纤光栅以反射处于激光波长下的光并传输处于与激光波长不同的泵浦波长下的光。掺杂光纤增益部分用于通过从第一偏振光纤部分吸收处于泵浦波长下的光来在激光波长下产生光学增益。1/4波片被光学耦合在第一保偏光纤部分和掺杂光纤增益部分的第一侧面之间且被定位以将来自第一光纤光栅的光转换成第一圆偏振光。第二保偏光纤部分具有第二光纤光栅以反射处于激光波长下的光并传输处于泵浦波长下的光。3/4波片被光学耦合在第二保偏光纤部分和掺杂光纤增益部分的第二侧面之间且被定位以将来自第二光纤光栅的光转换成与第一圆偏振光正交的第二圆偏振光。滤光片用于产生处于激光波长下的光的峰值透射且其对处于泵浦波长下的光而言是透明的。
在另一种实施方案中，提供了光纤线路，该光纤线路具有接收处于泵浦波长下的泵浦光的输入端和发出剩余泵浦光及处于比泵浦波长短的激光波长下的激光束的输出端。光纤线路包括串联的第一光纤激光器和第二光纤激光器以共用光纤线路中的泵浦光。第一激光器包括相互之间隔开的第一和第二光纤光栅以形成线性光纤光学谐振腔且每个光纤光栅被设计成反射处于激光波长下的沿线性偏振方向的光并传输处于泵浦波长下的光。第一激光器还包括在第一和所述第二光纤光栅之间的掺杂光纤增益部分以吸收泵浦光束并产生及放大激光束。第一光纤偏振元件被光学耦合在所述第一光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间且被设计成将从所述第一光纤光栅反射出的处于激光波长下的光转换成第一圆偏振光。第二光纤偏振元件被光学耦合在所述第二光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间且被设计成将从所述第二光纤光栅反射出的处于激光波长下的光转化成与所述第一圆偏振光的偏振正交的第二圆偏振光。此外，光纤带通滤光器被光学耦合在所述第一和所述第二光纤光栅之间。该光纤带通滤光器对泵浦光束而言是透明的且其选择处于激光波长下的某激光模来传输，同时滤去处于激光波长下的其它激光模。
依据一种实施方案的方法包括如下步骤：线性光学谐振腔形成于光纤绞股线(strand)中，其具有分别形成于互相之间隔开的第一和第二保偏光纤之中的第一和第二光纤布拉格反射器及位于两个光纤布拉格反射器之间的光纤增益部分。每个光纤布拉格反射器反射处于激光波长下的光且传输处于与激光波长不同的泵浦波长下的光。光纤增益部分吸收处于泵浦波长下的光以产生在激光波长下的光学增益。在线性光学谐振腔中提供了腔内滤光器以选择某单腔模(single cavitymode)来发出激光。然后，可控制线性光学谐振腔中的光偏振以使处于激光波长下的对传光束至少在光纤增益部分中具有正交偏振，并使所述腔内滤光器传输从所述第一和所述第二光纤布拉格反射器反射出的光。
下面将参考附图、具体实施例、和权利要求来对这些以及其它实施方案及相关方法进行更详细描述。
附图说明
图1显示线性激光器谐振腔结构的一个示例，该线性激光器谐振腔结构可支持类似于环形激光器谐振腔中的行波操作，在该环形激光器谐振腔中，对传光束102和103可以是所标示的右旋圆偏振的(RCP)也可以是左旋圆偏振的(LCP)。
图2显示基于图1中的线性谐振腔结构的示例性的可调激光器。
图3显示用于基于图1中的线性谐振腔结构的光纤激光器的绝热封装结构。
图4和5为基于图1中的线性谐振腔结构的光纤激光器的测量。
图6A显示示例性的激光器系统，其将图1中的激光器串联以共用同一光泵。
图6B显示基于图1中的结构的光纤激光器的示例，其包括下游光纤放大器，该光纤放大器由从光纤激光器发射的泵浦功率来光泵浦或抽运(optically pump)。
图7显示具有线性激光器谐振腔的行波光纤激光器的另一个示例。
图8、9和10显示图7中的激光器的示例性元件的光谱。
图11A和11B显示可用于图1中的1/4波片及3/4波片的定位。
图12A和12B显示可用于图1中的两个不同的1/4波片的定位。
具体实施方式
图1显示具有线性激光器谐振腔的示例性激光器100，其设计成可发射处于期望激光波长(λL)下的激光。两个反射器111和121，诸如光纤布拉格光栅，位于光程中且相互间隔开以形成作为线性激光器谐振腔的法布里-珀罗激光器谐振腔，其中处于激光波长(λL)下的光能在两个反射器之间被反射。反射器111和121可光学反射处于激光波长(λL)附近的波带且可光学传输其它波长。例如，反射器111和121或二者之一可传输处于泵浦波长(λP)下的光以用来光泵浦反射器111和121之间光程上的激光增益介质。反射器111和121中的一个，例如，反射器121，可部分传输处于激光波长(λL)附近的波带下的光以产生激光输出105。该示例中的反射器111可在激光波长(λL)下完全反射。或者，泵浦接收反射器111可在激光波长(λL)下部分传输且反射器121可在激光波长(λL)下完全反射以产生期望激光输出。
在一些不需要被传输泵浦光束的实施方案中，可在激光器100中形成额外的反射泵浦波长的反射器以将经增益部分传输的泵浦光反射回增益部分来增加泵浦效率及/或稳定泵浦波长。泵浦反射光纤布拉格光栅可用于完成这些。当反射器121为光纤绞股线中的光纤布拉格光栅时，泵浦反射光纤布拉格光栅可形成于同一光纤中，该泵浦反射光纤布拉格光栅或者与光栅反射器121空间重叠或与光栅反射器121分离。
激光器100的一部分被设计成使对传激光束具有正交偏振。关于这点，可在激光器谐振腔内安装偏振控制机构以确保对传光束的合适的正交偏振。在此处描述的示例中，两个作为该偏振控制机构的偏振元件位于两个相对端。在图1示例中，用于处于激光波长下的光的1/4波片140被放置在激光器谐振腔一端的内侧。用于处于激光波长下的光的3/4波片170被放置在激光器谐振腔另一端的内侧。激光增益部分150被放置在波片140和170之间的光程上以吸收泵浦光束101及产生激光波长(λL)下的光学增益。波片140和170的位置可以交换。如下面将要看到的，波片140和170被放置在激光器谐振腔内以至少消除与不期望的空间烧孔相关的驻波的形成并减轻与腔内滤光片的插入相关的复合谐振腔影响。
为了减轻复合谐振腔影响，第一和第二光学反射器111和121可在其工作中对偏振很敏感且可反射处于激光波长下的激光还可分别与波片140和170结合操作。在一个实施方案中，当反射器111和121由相同材料形成时，反射器111和121可被设计成反射具有正交偏振的激光。因此，第一光学反射器111可反射处于第一偏振下的激光，同时第二光学反射器121可反射处于第二，正交偏振下的同频激光。
由反射器111和121形成的线性谐振腔通常可发射多模激光。激光器100可在单腔模下工作。在这点上，腔内滤光片160，诸如单模法布里-珀罗滤光器或梳状滤波器，被放置于激光增益介质150和3/4波片170之间来产生激光波长下的窄带传输(narrow transmission)以只选择一种激光模进行发射。通常，滤光器160可被放置在谐振腔内的任何地方，例如，在增益部分150中。滤光器160可包括两个光纤布拉格光栅反射器161和162以在稍大于111和121反射频宽的频宽的波带下反射处于激光波长下的光并传输激光模频率下的光。在一些实施方案中，滤光器160可包括两个以上的布拉格光栅以使激光模频率下的传输光谱响应的顶部变平。平顶滤光片(flat top optical filter)可被用作滤光器160以减少激光和滤光器160的峰值透射之间的任何不匹配。
然而，该腔内滤光器160的存在可在激光器100中潜在地产生复合光学谐振腔。例如，反射器111和反射器161可作为由反射器111和160(例如，侧面161)反射的光的一个共振器。类似地，反射器160(例如，侧面162)和121可作为另一个共振器。已知此类多复合共振器可对激光器100的光学操作产生不利影响。在图1所示的示例中，谐振腔结构使用两个波片140和170及偏振敏感反射器111和121来消除复合谐振腔的不期望的影响，否则，这些不期望的影响可因由反射器111、121和滤光器160光栅中的光栅反射器而形成的复合谐振腔而出现。该影响是不期望的，因为模的匹配将因复合谐振腔而出现技术上的困难。此外，激光波长下的腔内光在反射器111和121之间循环(circulating)，以在互不干扰的情况下通过增益介质150的放大来在激光增益介质150中形成驻波。当其位置如图1所示或在另一种互换位置的结构中时，两个波片140和170工作以使处于激光波长下的对传光束的偏振状态在反射器111和121之间为正交。从而，也可消除对传光束之间的干涉及相关的不利的空间烧孔问题。因此，该线性激光器谐振腔可在没有传统环形谐振腔结构的情况下提供类似于环形激光器的行波操作。
偏振敏感反射器111和121可被设计成反射特定偏振方向上的线性偏振光，例如，通过使用保偏光纤中的光纤光栅反射器。在该设计结构下，图1中激光器100使用两个波片140和170以在谐振腔中波片140和170之间的部分上将从偏振敏感反射器111和121反射的线性偏振光转化成圆偏振光，这在某种程度上基本消除了由对传激光束的干涉而引起的空间烧孔问题以及由于腔内滤光器160的存在而引起的复合谐振腔的出现。
作为一个示例，假设偏振敏感反射器111只反射处于激光波长下的沿X方向线性偏振的光且偏振敏感反射器121只反射处于激光波长下的沿正交的Y方向线性偏振的光。此外，假设波片140将从反射器111反射的X偏振光转化成右旋圆偏振(RCP)光102且波片170将从反射器111反射的Y偏振光转化成右旋圆偏振(RCP)光103。因为光束102和103方向相对，所以它们的偏振方向互相正交。该光在通过波片140传输后马上变为沿Y方向线性偏振。因为反射器111只反射X偏振的光，所以从滤光器160反射的Y偏振光将穿过反射器111而不被反射。因此，反射器111和滤光器160不能形成光学共振器。类似地，反射器121和滤光器160也不能形成共振器。此外，波片140和170之间的对传光束为RCP光束，该光束不妨碍形成驻波。因此，激光器100不像其它一些具有线性谐振腔的激光器一样具有空间烧孔。
激光器100的谐振腔结构可通过许多方式实现。如所显示说明的，激光器100的一个特定实施方案为类似单模光纤激光器的全光纤结构。在光纤实施方案中，光纤被用于在激光器100的光程中形成多个组件。例如，反射器111、161、162、和121可为形成于各自光纤中的光纤布拉格光栅。激光增益介质150可为在用于激光振荡的增益光谱范围内具有期望光学跃迁的掺杂光纤部分。例如，稀土离子(例如，铒、镱等)或其它活泼离子中的原子跃迁可被用于产生从可见波长到远红外波长的激光。用于产生1.55微米光学信号的掺铒光纤放大器(EDFA)在光纤通信应用中很有用，因为通常使用的二氧化硅或石英光纤中的光纤损耗的最小值约在1.55微米。在另一个实施方案中，增益部分150也可以是掺杂的、非石英光纤，其包括使用磷酸盐、氟化物或铋作为主材料的掺杂光纤。此外，增益部分150也可以是半导体光学放大器。波片140和170也可由其主偏振轴适度定向且具有合适长度的两保偏光纤来形成。在激光器100中使用的不同光纤可被连接到一起，以便整个激光器100实质上是一条光纤。此类光纤激光器可被设计的较轻、紧凑、廉价以便生产，且可给高稳定单模单偏振的激光器运转提供窄线宽、高边模抑制及信噪比。此外，激光器100，无论是否在光纤实施方案中，可包括谐振腔控制单元以调节输出激光波长。
光纤激光器100可由从一侧耦合进激光器谐振腔的泵浦光束101来光泵浦(optically pump)，例如，通过所示的光纤光栅反射器111。或者，侧面泵浦结构可用于从侧面光泵浦增益部分150。合适的泵浦波长(λP)最好为掺杂区域150的增益光谱范围之外的波长且其一般短于激光波长(λL)。例如，Er+3、其它稀土离子、和其它合适的离子可被掺杂于各种主光纤材料中，诸如，石英、磷酸盐、氟化物、和铋光纤，以产生激光振荡，例如，当光泵浦在980nm或1480nm时，在1.55微米产生激光振荡。产生泵浦光束101的泵浦光源可包括发光二极管或激光二极管以产生处于一个或多个泵浦波长下的泵浦光，该泵浦光与至少一个在掺杂光纤增益介质150中用来产生处于激光波长下光子的光跃迁发生共振。由于光纤光栅反射器111、161、162、和121可只反射处于满足布拉格相位匹配条件的激光波长下的光且对其它波长下的光而言是透明的，因此处于增益介质150不吸收的λP下的泵浦光束101的剩余部分作为被传输的泵浦光束101A通过激光器100传输。该被传输的泵浦光束101A可通过光泵浦额外的光纤增益部分来用位于输出端的额外的光纤增益部分放大激光输出。被传输的泵浦光束101A也可用于泵浦基于相同结构的其它光纤激光，以便单泵浦光束101可由两个或更多光学串联的此类光纤激光器共用。在某些实施方案中，泵浦光束101A可被反射回光纤激光器以增加其效率和/或将泵浦波长稳定在最佳值。
光纤激光器100基于所使用的光纤的类型一般可被分成三部分：具有泵浦接收反射器111的输入保偏(PM)光纤部分110、具有掺杂光纤增益部分150和光纤法布里-珀罗滤光器160的单模光纤部分130、及具有反射器121的另一个保偏光纤部分120。如所示，在各自光纤连接点112和122，波片140和170可被分别连接在光纤部分110和130之间，和光纤部分130和120之间。可替换地，波片140可形成于保偏光纤110内且波片170可形成于保偏光纤120内。光纤光栅反射器111可通过例如用紫外曝光留下印记来形成于保偏光纤110内。光纤光栅反射器111可部分传输具有在激光波长下的约或接近于100％的反射率的光。保偏光纤的短绞股线，例如，在两个正交偏振中具有合适折射率的约1mm的一段，可以以主轴相对于光纤110中的保偏光纤轴成45°连接到保偏光纤110上以作为激光波长(例如，在1550nm)下的1/4波片140。
增益介质150可包括几厘米(cm)掺有大量铒原子或其它稀土物质的单模光纤。该光纤片段连接到保偏光纤上以形成波片140。石英光纤绞股线中具有光纤内共振器光栅的单模光纤的另一部分被用来形成一侧连接到光纤增益介质150的高细度滤光器160。
在3/4波片170的一个实施方案中，保偏光纤的部分(例如，约3mm)可以以45°连接到保偏光纤120以作为3/4波片170。通常，每个波片140和170的两个主偏振轴被调整为与邻近的保偏光纤(110或120)的两个主偏振轴成45°。例如，保偏光纤120中的光纤光栅121可具有接近于80％的反射率以产生激光输出105。
波片140和170可用于分别阻止在光栅111和121与滤光器160中地光栅161、162之间的光学谐振腔的形成。如上所述，波片140和170也可消除增益介质150中的驻波的形成，从而消除其中的空间烧孔。否则，空间烧孔可出现在该线性谐振腔中。因此，增益介质150中的光学增益可有效用于实现高激光输出功率和高信噪比。
值得注意的是，保偏光纤光栅111和121形成于具有光学双折射的保偏光纤中，因此可由于沿每个保偏光纤的主轴的折射率地稍微不同而产生双反射峰值。在一个实施方案中，例如当保偏光纤光栅111和121由相同保偏光纤材料制成时，光纤光栅111的高频率峰值可在频率上被调准(align)至光纤光栅121的低频率峰值和法布里-珀罗滤光器160的单透射峰值。在该结构下，光纤光栅发射器111和121为偏振敏感反射器，其中反射器111反射选定激光波长下的具有沿第一偏振方向偏振的激光且反射器121反射相同选定激光波长下的具有垂直于第一偏振的第二偏振的激光。当在期望泵浦波长下的泵浦光101泵浦时，例如，在980nm或1480nm时，光纤激光器100可在由滤光器160的透射峰值限定的频率下维持单模激光器工作，例如，在约1550nm。激光输出105在输出保偏光纤120上沿主轴线性偏振。
图4显示示例性光纤法布里-珀罗(FP)滤光器160中激光模的标准透射峰值。图5显示激光器100中示例性光纤光栅反射器111、121及滤光器160的不同峰值的相对调准，其分别由红、绿、和蓝线表示。滤光器160的透射峰值由数字500标出。用于光栅反射器111的反射光谱具有分别为有第一和第二正交偏振的相同频率光的峰值521和522。类似地，用于光栅反射器121的反射光谱具有分别为有第一和第二正交偏振的相同频率光的峰值511和512。处于光栅反射器121的第二偏振下的光的峰值512与处于光栅反射器111的第一偏振下的光的峰值521重叠。因此，对处于该频率的光而言，光栅111选择第二偏振下的光来反射，而光栅121选择第一偏振下的光来反射。滤光器160的透射峰值500被设定为与峰值512和521重叠以在该激光振荡下及在该激光频率下选择用于激光振荡的单模，该单模在光栅反射器111和121具有适合的偏振状态。
因此，在前面的光纤激光器100中，激光谐振腔选择处于由增益介质150产生的激光波长(λL)下的光以通过其偏振状态进行放大。详细分析显示，激光波长(λL)下的圆偏振光在图1所示的激光谐振腔中经历的损失最小(相关组件光谱在图5中详述)，因此谐振腔只选择激光波长(λL)下的圆偏振光来放大为激光输出。图1中的激光谐振腔的此选择可通过事实理解为每个反射器111或121因由光学双折射而在波长和偏振上都是有选择的。因此，当来自腔内区域的入射光沿保偏光纤的一个主偏振轴线性偏振且满足光纤光栅111或121的布拉格条件时，每个反射器111或121的反射率最高且相关光学损失最小。只要有具有波片140和170的上述谐振腔结构，则波片140和170之间的圆偏振光，或右旋或左旋圆偏振，皆满足此类要求。因此，在激光振荡建立后，激光器100中的偏振状态如下：激光输出为线性偏振的；波片140和170之间的光为圆偏振的；激光器100中的对传波具有互相正交的圆偏振；且腔内激光在反射器111和波片140之间及反射器121和波片170之间为线性偏振的。在该条件下，对传波之间没有干涉。因此，明显与其它线性谐振腔不同，腔内激光在图1的线性谐振腔中的反射器111和121之间在不需要实际的光学环的情况下进行循环。因此，具有线性谐振腔的激光器100可像环形激光器一样工作。
保偏光纤光栅111和121的光谱反射峰值之间的以上相关调准可避免出现来自光栅反射器111的两个反射峰值同时与来自光栅121的两个反射峰值分别对准(align)的情况。如果(1)滤光器160只选择一个峰值传输同时反射另一峰值；或(2)保偏光纤光栅111和121具有不同的双折射特性，则可不需要该条件。在情况(2)下，当保偏光纤光栅111和121具有不同双折射时，光纤光栅反射器111上的用于正交偏振的两个反射峰值之间的间距可与光纤光栅发射器121中的间距不同。在该条件下，只要光栅反射器111和121只具有一个共同的反射峰值时，就可消除由滤光器160的存在而产生的复合谐振腔影响。与图5所示的实施方案不同，光栅反射器111上的偏振和光栅反射器121上的偏振在重叠反射峰值上可以相同，也就是，沿X或Y方向，或不同(一个沿X方向且另一个沿Y方向)。然而，在完成后，每个偏振敏感反射器111和121被设计成与相应的波片(140或170)协作，以便激光波长下的反射光束将不会被反射器反射。
以上光纤激光器有许多优点。例如，激光器可做成每个组件皆由光纤组件制成的全光纤结构。激光器可在单频率模下工作，且输出激光频率可几乎与泵浦功率无关。如下面将要描述的，激光器运转频率可通过热补偿而被稳定在期望频率，例如，使用无源热补偿技术和负热膨胀封装材料。以上激光器的输出偏振可充分限定及与输出耦合光纤的主轴重叠。此外，窄光学频带滤光器例如法布里-珀罗滤光器或复合滤光器可被用于将激光频率限定在狭窄范围内及将激光频率稳定在期望激光频率诸如国际电信联盟(ITU)信道频率下。此外，由于空间烧孔的消除、可在此类激光器中实现高边模抑制及信噪比。
在其它实施方案中，光纤激光器100可被制成激光波长是可调的，如图2示例所示。可调光纤激光器200包括光纤激光器100和谐振腔控制单元210。单元210通过激励220与激光器100的激光谐振腔相互作用以调整输出105的激光频率。例如，单元210可以是热控制单元以控制激光器100的光纤谐振腔的温度，谐振腔的光程长度可通过改变每个光纤片段的折射率和每段光纤的长度来调节。另一个示例，单元210可以是施加力来改变光纤谐振腔的光程长度以调节激光波长的光纤展宽器(stretcher)或压缩器(compressor)。
图3进一步显示光纤激光器100可被密封于绝热结构中以在没有有效的热控制的情况下使激光器谐振腔不受温度变化的影响。在该结构中，光纤激光器100可被安装在靠近具有负热膨胀系数的温度补偿装置301的两个位置310和320上，以便光纤激光器100及装置301中的温度变化的影响互相补偿以减小对激光器谐振腔的总影响。温度补偿装置301可为陶瓷或其它合适材料。光纤激光器100可被在拉紧状态下安装在位置310和320之间。如果是不同成分的光纤，那么具有相应的热膨胀系数的不同的热特性的合适的材料可用于补偿激光器的不同片段。
图6A显示示例性串联光纤激光器600，其中可将两个或多个光纤激光器610和620在光纤绞股线中串联地连接以共用相同输入光泵浦光束101。两个激光器610和620可在不同激光波长λ1和λ2下工作，以便从激光器610输出的波长为λ1的激光输出611可以以波长为λ2传输过激光器620。激光器610的被传输的泵浦光束101A变为激光器620的输入泵浦光束。激光器620的剩余被传输的泵浦光束101B仍可被用于泵浦另一激光器。不同的激光器610和620可被分别锁定到不同的国际电信联盟光波分复用器格栅以用单泵浦光束产生光波分复用器信号。
作为另一种变形体，图6B显示位于激光器610的输出处的另外的掺杂光纤放大器630的绞股线以光学放大激光器610的激光输出611。掺铒光纤放大器可被用作图1中的激光器100中的输出光栅121之后的放大器630以提高输出功率。只要输入泵浦光束101足够强时，该额外的掺铒光纤放大器可由经激光器610传输的泵浦光束101A泵浦。在该结构中不需要其它用于额外的掺铒光纤放大器的光泵浦。
图7显示行波激光器的另一个实施方案700，该行波激光器具有用于产生可调激光输出的线性谐振腔。在该实施方案中，波片140和170被显示为形成于如在前面一种实施方案中描述的保偏光纤110和120中。与图1中激光器100不同，激光器700中的反射器710和720分别为取样光纤光栅及可调光纤光栅。取样光纤光栅反射器710产生一系列的均匀间隔的且分别居于国际电信联盟光波分复用器格栅中心的反射波带。可调光纤光栅720是可调节的以将其反射波带从一个光波分复用器信道变为另一个，以便激光器700被调节以发射处于不同光波分复用器波长下的激光。还与图1中的激光器100不同的是，光纤梳状滤波器730，其取代了由两个光纤光栅形成的单法布里-珀罗滤光器，被用于在光波分复用器格栅上产生一系列狭窄的、单独的透射峰值一次选择一个光波分复用器波长发射。激光器700与图1中激光器100类似的是，工作在不同激光波长下的基于图7中的结构的两个或多个激光器可被串联起来以共用相同如图6A所示的泵浦激光，以及下游光纤放大器可被添加到如图6B所示的激光输出处以放大基于通过经激光器传输的泵浦光的光泵浦而产生的激光输出。
在一个实施方案中，取样光纤光栅710通过使保偏光纤110中的具有不同空间周期的两个空间上重叠的空间图形而形成。光纤110中的取样光纤光栅710的第一空间图形的光栅周期小于第二空间图形的光栅周期，因此其作为基本布拉格反射光栅工作以产生单布拉格反射波带。第二空间图形与第一空间图形重叠，以便由两重叠空间图形产生的最终空间图形为第一空间调制和第二特殊空间调制的倍增(multiplication)。两空间图形之间的耦合在不同波长下以及用由第一空间图形确定的频宽产生了多个布拉格反射波带，也就是，信号布拉格反射波带在光谱域中均匀间隔的位置上被复制。对于光波分复用器应用，第二空间图形可被设计成将布拉格反射波带放置在国际电信联盟光波分复用器格栅。图8显示一个示例性取样光栅反射器的布拉格反射光谱。
梳状滤波器730可由多种技术形成。在一个实施方案中，梳状滤波器730可由光纤中的两个光纤光栅形成，其中的空间光栅图形在空间上相互移开。选择两光栅图形之间的空间移开的量以完成梳状滤波器730的相邻透射峰值的期望光谱分离。对于光波分复用器应用，透射峰值分别与国际电信联盟光波分复用器格栅或其部分(fraction)重叠。
梳状滤波器730的一个简易实施方案具有由小间隙分离的宽波带光纤布拉格光栅，这确定了自由光谱范围；该单间距光栅可不具备足够宽的频宽。具有较宽光谱宽的此类梳状滤波器的另一个实施方案有两个由间隙分离的啁啾光栅，这将限定该分布法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围。两个光栅也可互相之间部分重叠以扩大梳状滤波器的频宽。图9显示由该光纤光栅梳状滤波器生成的透射光谱，该光纤光栅梳状滤波器由两个啁啾率(chirp rate)为1nm/mm的两个啁啾光栅形成。两个光栅的每个的顶部上都写有1mm的间隙。这形成了具有固定于国际电信联盟标准的信道频率附近的100GHz信道分布的梳状滤波器。
在工作中，可调光纤光栅发射器720可被调节以具有其与梳状滤波器730的期望透射峰值及取样光栅反射器710的一个布拉格反射波带对准(align)的布拉格反射波带。在该条件下，激光器700选择了元件710、720、和730光谱上重叠的波长来发射激光。图10显元件710、720、和730此类光谱上的重叠的一个示例并显示由分布法布里-珀罗滤光器生成的梳状滤波器透射光谱(用红色表示)、由保偏光纤中的分裂而产生的取样反射器光谱(用蓝和绿实线表示)、及输出调节光栅的反射光谱(用蓝和绿虚线表示)。
光纤光栅反射器720的可调性可通过多种方式实现。在一个实施方案中，可控制光纤光栅发射器720的温度以调节布拉格反射波带的光谱位置并因而调节了激光器700的激光波长。在另一个实施方案中，光纤展宽器可与光纤光栅反射器720连接以通过延伸或压缩来改变光纤光栅反射器730的长度从而调节激光器波长。在又一个实施方案中，基本光纤可被设计成显示电光效应，以便可用外部的控制电场来调节光纤光栅。
值得注意的是，可调光纤光栅发射器720可包括产生不同布拉格反射波带的单光纤光栅或者两个或多个光纤光栅。可以限制单光栅反射器的光谱调节范围，因为光纤长度或光纤折射率的变化量已被限制。在后一种具有两个或多个光纤光栅的结构中，可实现相对于单光栅反射器的较宽的调节范围，因为可使用来自不同基本光栅的布拉格反射波带。
以上线性谐振腔结构及相关激光器也可通过形成于衬底上的波导诸如平面波导来实现，其中每个光纤布拉格光栅相应地由形成于各个波导部分中的等效光栅结构代替。此类波导可由多种波导材料制成。
通常，波片140和170为偏振旋转元件以使偏振旋转，以便波片140和170之间的对传激光束的偏振为正交。在以上示例中，使用了1/4波片140和3/4波片170。图11A显示基于反射器111和121的偏振方向的波片140和170的两个示例性相关方位。在每种情况下，波片140皆相对于偏振敏感反射器111的偏振方向定位，而波片170相对于偏振敏感反射器121的偏振方向定位。假设反射器111沿X1方向偏振且反射器121沿X2方向偏振，当从反射器111反射的激光入射到1/4波片140时，其沿X1方向线性偏振，且当从反射器121反射的激光入射到3/4波片170时，其沿X1方向线性偏振。偏振敏感反射器111和121的相对定位在这里没有限制。因此，通常X1可处于相对于X2的任意角度上。因此，波片140和170的相对定位也没有限制。在该结构下，1/4波片140具有一个相对于X1方向成45°的方位上的主轴(例如，如图11A中的快轴)，而3/4波片170具有一个相对于X2方向成45°的方位上的主轴(例如，如图11A中的快轴)。图11B显示当波片140和170为1/4波片时的可替换的相对定位。
在另一个实施方案中，3/4波片170可由第二个1/4波片代替以使波片之间的对传光束的偏振正交。图12A和12B显示两个用于该结构的相对定位。在图12A中，1/4波片140的快轴相对于光栅反射器111的X1方向成45°，而1/4波片170的快轴相对于光栅反射器121的X2方向成-45°(负45°)。图12B显示该结构下的另一种定位构造。如果X1和X2平行，第一1/4波片120的慢轴与替代图1中的3/4波片170的第二1/4波片的慢轴正交，且第一1/4波片120的一个主轴，例如，慢轴，相对于X方向成45°。
虽然本文只公开了几个实施方案和示例。但是，可以理解的是，在不脱离发明精神的情况下，可作出多种改变和改进，本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (42)

1. 一种器件，其包括：
线性光学谐振腔，其具有第一和第二光学反射器以反射处于激光波长下的光并传输处于与所述激光波长不同的泵浦波长下的光，其中所述第一光学反射器有选择性地只反射在第一方向上线性偏振的光且所述第二光学反射器有选择性地只反射在第二方向上线性偏振的光；
激光增益部分，其位于所述线性光学谐振腔中以通过吸收泵浦光来在所述激光波长下产生光学增益；
第一和第二光学偏振元件，其位于所述线性光学谐振腔中且分别位于所述激光增益部分的相对的两侧，以使处于激光波长下的从所述第一和第二光学反射器被反射来的对传光束在所述第一和第二光学偏振元件之间具有正交偏振；及
滤光片，其位于所述线性光学谐振腔中，在所述第一和第二光学偏振元件之间，以有选择地传输处于所述线性光学谐振腔支持的所述激光波长下的一个单模。
2. 根据权利要求1所述的器件，其中所述线性光学谐振腔为线性光纤谐振腔，且其中所述激光增益部分为掺杂光纤片段，且其中所述第一和第二光学反射器为光纤布拉格光栅。
3. 根据权利要求1所述的器件，其进一步包括泵浦反射光纤布拉格光栅，其被定位以将处于所述泵浦波长下的经过所述激光增益部分传输的光反射回所述激光增益部分。
4. 根据权利要求1所述的器件，其中所述第一光学偏振元件为1/4波片且所述第二光学偏振元件为3/4波片。
5. 根据权利要求4所述的器件，其中定位所述1/4波片以使其具有的主轴相对于所述第一方向成45°，且其中定位所述3/4波片以使其具有的相应的主轴相对于所述第二方向成45°。
6. 根据权利要求1所述的器件，其中所述第一和第二光学偏振元件中的每个皆为1/4波片。
7. 根据权利要求6所述的器件，其中定位所述第一光学偏振元件以使其具有的主轴相对于所述第一方向成45°，且其中所述第二光学偏振元件的相应的主轴相对于所述第二方向成-45°。
8. 根据权利要求1所述的器件，其中所述滤光片为法布里-珀罗滤光器。
9. 根据权利要求1所述的器件，其中所述滤光片包括在光纤中的两个布拉格光栅。
10. 根据权利要求1所述的器件，其中所述滤光片为光学带通滤光器，其具有平的光谱顶部传输响应。
11. 根据权利要求10所述的器件，其中所述滤光片包括在光纤中的两个以上的布拉格光栅。
12. 根据权利要求1所述的器件，进一步包括，激光控制机构，其与所述线性光学谐振腔连接，以响应一个控制信号，调整所述线性光学谐振腔的光程长度，并调节来自所述线性光学谐振腔的激光输出的波长。
13. 根据权利要求1所述的器件，其中所述第一方向与所述第二方向正交。
14. 根据权利要求1所述的器件，其中所述第一方向与所述第二方向平行。
15. 一种器件，其包括：
第一保偏光纤部分，其具有第一光纤光栅以反射处于激光波长下的光并传输处于与所述激光波长不同的泵浦波长下的光；
掺杂光纤增益部分，其用于通过吸收来自所述第一保偏光纤部分的处于所述泵浦波长下的光来在所述激光波长下产生光学增益；
1/4波片，其光学地耦合在所述第一保偏光纤部分和所述掺杂光纤增益部分的第一侧面之间且被定位以将来自所述第一光纤光栅的光转换成第一圆偏振光；
第二保偏光纤部分，其具有第二光纤光栅以反射处于所述激光波长下的光并传输处于所述泵浦波长下的光；
3/4波片，其光学地耦合在所述第二保偏光纤部分和所述掺杂光纤增益部分的第二侧面之间且被定位以将来自所述第二光纤光栅的光转换成与所述第一圆偏振光正交的第二圆偏振光；及
滤光片，其光学地耦合在所述第一和第二光纤光栅之间以产生处于所述激光波长下的光的峰值透射且其对处于所述泵浦波长下的光而言是透明的。
16. 根据权利要求15所述的器件，其中所述第一保偏光纤部分沿第一偏振方向偏振且所述第二保偏光纤部分沿与所述第一偏振方向正交的第二偏振方向偏振。
17. 根据权利要求15所述的器件，其中所述第一保偏光纤部分沿第一偏振方向偏振且所述第二保偏光纤部分沿与所述第一偏振方向平行的第二偏振方向偏振。
18. 根据权利要求15所述的器件，其中所述第一光纤光栅为取样光纤光栅以产生多个反射波带。
19. 根据权利要求18所述的器件，其中所述滤光片为具有多个透射峰值的梳状滤波器以选择一个所述反射波带来传输。
20. 根据权利要求19所述的器件，其中所述梳状滤波器包括在一个光纤中的空间上相互移开的两个光纤光栅。
21. 根据权利要求20所述的器件，其中所述两个光纤光栅为啁啾光栅。
22. 根据权利要求15所述的器件，其中所述1/4波片和所述3/4波片的每个均包括保偏光纤。
23. 根据权利要求15所述的器件，其中所述第一光纤光栅为可调谐光纤光栅。
24. 根据权利要求15所述的器件，进一步包括，温度补偿装置，其用来固定这些光纤部分的至少两个不同位置以无源补偿所述光纤部分中因温度变化而发生的改变。
25. 根据权利要求24所述的器件，其中所述温度补偿装置具有负热膨胀系数。
26. 根据权利要求15所述的器件，其中所述掺杂光纤增益部分包括掺杂的石英光纤。
27. 根据权利要求15所述的器件，其中所述掺杂光纤增益部分包括掺杂的磷酸盐光纤。
28. 根据权利要求15所述的器件，其中所述掺杂光纤增益部分包括掺杂的氟化物光纤。
29. 根据权利要求15所述的器件，其中所述掺杂光纤增益部分包括掺杂的铋光纤。
30. 根据权利要求15所述的器件，其中所述掺杂光纤增益部分包括半导体光学放大器。
31. 一种器件，包括光纤线路，其具有接收处于泵浦波长下的泵浦光束的输入端和发出剩余的该泵浦光束及处于比所述泵浦波长短的一激光波长下的激光束的输出端，所述光纤线路包括第一光纤激光器，所述第一光纤激光器包括：
第一和第二光纤光栅，其相互间隔开以形成线性光纤光学谐振腔且每个光纤光栅均被设计成反射处于所述一激光波长下的沿线性偏振方向的光并传输处于所述泵浦波长下的光；
掺杂光纤增益部分，其位于所述第一和第二光纤光栅之间以吸收所述泵浦光束并产生及放大所述激光束；
第一光纤偏振元件，其光学地耦合在所述第一光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间且被设计成将从所述第一光纤光栅反射出的处于所述一激光波长下的光转化成第一圆偏振光；
第二光纤偏振元件，其光学地耦合在所述第二光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间且被设计成将从所述第二光纤光栅反射出的处于所述一激光波长下的光转换成与所述第一圆偏振光的偏振正交的第二圆偏振光；及
光纤带通滤光器，其光学地耦合在所述第一和第二光纤光栅之间，所述光纤带通滤光器被设计成对所述泵浦光束而言是透明的，且其选择处于所述一激光波长下的一个激光模传输，同时滤去处于所述一激光波长下的其它激光模。
32. 根据权利要求31所述的器件，其中所述光纤线路进一步包括：第二光纤激光器以接收来自所述第一光纤激光器的处于所述泵浦波长下的输出泵浦光，并将部分所接收的泵浦光转换为处于与所述一激光波长不同的第二激光波长下的第二激光束，其中所述第二光纤激光器传输来自所述第一激光器的激光束，且光纤线路输出处于所述一激光波长和所述第二激光波长下的激光束。
33. 根据权利要求32所述的器件，其中所述第二光纤激光器包括：
第一和第二光纤光栅，其相互间隔开以形成线性光纤光学谐振腔且所述第二光纤激光器的每个光纤光栅均被设计成反射处于所述第二激光波长下的光并传输处于所述泵浦波长和所述一激光波长下的光；
掺杂光纤增益部分，其位于所述第一和第二光纤光栅之间以吸收所述泵浦光束并产生及放大处于所述第二激光波长下的所述第二激光束；
第一光纤偏振元件，其耦合在所述第一光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间；
第二光纤偏振元件，其耦合在所述第二光纤光栅和所述掺杂光纤增益部分之间，其中所述第一和第二光学偏振元件使处于所述第二激光波长下的对传光束具有的偏振相互正交；及
光纤带通滤光器，其光学地耦合在所述第一和第二光纤光栅之间，所述光纤带通滤光器被设计成对所述泵浦光束及处于所述一激光波长下的光而言是透明的且其选择处于所述第二激光波长下的一个激光模进行传输同时滤去处于所述第二激光波长下的其它激光模。
34. 根据权利要求31所述的器件，其中所述第一光纤偏振元件和所述第二光纤偏振元件的每个皆为1/4波片。
35. 根据权利要求31所述的器件，其中所述第一光纤偏振元件为1/4波片且所述第二光纤偏振元件为3/4波片。
36. 根据权利要求31所述的器件，进一步包括，位于所述光纤线路中的泵浦反射光纤光栅以将经所述掺杂光纤增益部分传来的处于所述泵浦波长下的光反射回所述掺杂光纤增益部分。
37. 根据权利要求31所述的器件，进一步包括，位于所述光纤线路中的掺杂光纤放大器以接收处于所述泵浦波长下的输出泵浦光及来自所述第一光纤激光器的所述激光束以放大所述激光束。
38. 一种方法，包括：
在光纤绞股线中形成第一线性光学谐振腔，所述第一线性光学谐振腔具有分别形成于互相之间隔开的第一和第二保偏光纤中的第一和第二光纤布拉格反射器及位于所述光纤布拉格反射器之间的光纤增益部分，其中每个光纤布拉格反射器反射处于一激光波长下的光且传输处于与所述一激光波长不同的泵浦波长下的光，且其中所述光纤增益部分吸收处于所述泵浦波长下的光以产生一个在所述一激光波长下的光学增益；
在所述第一线性光学谐振腔中提供腔内滤光器以选择一个单腔模来发出激光；及
控制所述第一线性光学谐振腔中的光偏振以产生处于所述一激光波长下的对传光束来至少在所述光纤增益部分中具有正交偏振并使所述腔内滤光器传输从所述第一和第二光纤布拉格反射器反射出的光。
39. 根据权利要求38所述的方法，其中所述光偏振的控制通过使用位于所述第一光纤布拉格反射器和所述光纤增益部分之间的1/4波片及位于所述光纤增益部分和所述第二光纤布拉格反射器之间的3/4波片来完成。
40. 根据权利要求38所述的方法，其中所述光偏振的控制通过使用位于所述第一光纤布拉格反射器和所述光纤增益部分之间的第一1/4波片及位于所述光纤增益部分和所述第二光纤布拉格反射器之间的第二1/4波片来完成。
41. 根据权利要求38所述的方法，进一步包括：
在所述光纤绞股线中形成第二线性光学谐振腔以接收来自所述第一线性光学谐振腔的光学输出，其中所述第二线性光学谐振腔形成有互相间隔开的第三和第四光纤布拉格反射器及位于所述光纤布拉格反射器之间的第二光纤增益部分，其中所述第二线性光学谐振腔的每个光纤布拉格反射器反射处于第二激光波长下的光且传输处于所述泵浦波长和所述一激光波长下的光，且其中所述第二光纤增益部分吸收处于所述泵浦波长下的光以产生处于所述第二激光波长下的光学增益；及
将处于所述泵浦波长下的单泵浦光束耦合到所述第一线性光学谐振腔以产生处于所述一激光波长下的激光束，同时使用剩余的所述单泵浦光束来在所述第二线性光学谐振腔中产生处于所述第二激光波长下的所述激光束。
42. 根据权利要求38所述的方法，进一步包括，形成额外的光纤增益部分以接收处于所述一激光波长下的激光及来自所述第一线性光学谐振腔的处于所述泵浦波长下的剩余泵浦光以放大被接收的激光。
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