CN101191975B - 功率稳定的半导体激光器谐波变频模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光器和谐波变频模块，在两者之间包含90度保偏(PM)光纤熔接接头，以提供温度不敏感的功率稳定性。本发明包括至少一个PM光纤传输轴的90度接头，其将快轴耦合到慢轴，以使光纤耦合的两个传输轴有大致相等的光程，这样能够在实际操作温度范围内近似消除输出振幅波动。

Description

功率稳定的半导体激光器谐波变频模块

对相关申请的交叉引用

本发明要求于2007年11月27日提交的60/867,212号美国专利申请的优先权，在此通过参考将其合并入本申请中。

技术领域

本申请涉及一种光纤激光器和谐波变频模块，在它们之间包括用来提供温度不敏感功率稳定性的90度保偏(PM)光纤熔接接头。

发明背景

在商业上，例如对于高密度光存储检索和生物医药应用，对稳定经济的从蓝光到绿光范围内包括UV到可见光谱的激光源的需求量很大。在此频率范围内的激光输出通过将较高频率半导体激光器耦合到非线性晶体谐波变频器得到。例如，二次谐波振荡(SHE)产生了二次谐波光束，二次谐波光束的频率是泵浦光束频率的两倍。

这些谐波变频器对于偏振和波长非常敏感。因此，对准和温度稳定对于可靠的运转很重要。

半导体激光器和谐波变频器之间提供光纤耦合将大大简化了在装配上的对准问题。此外，光纤激光器具有包含光纤布拉格光栅(FBG)的良好受控线宽，以将泵浦激光锁定在FBG波长处。在芯片的背面之间形成了腔，芯片具有高反射(HR)镀膜或近似HR(在优选实施例中有95％的反射镀膜，5％用于背面的光电二极管监测)和光栅，使得在该光栅谱包络下可运行很多模式。腔的长度越长，模式空间就越短。很多模式有助于平均方根(RMS)噪声的减小，包括竞争平均模式。因此，利用光纤激光器是获得具有所需波长选择性的较长腔的简单途径。

在激光二极管和谐波变频器之间的光链路是单模光纤，其包括激光腔、窄带光栅和连接至谐波变频器的光链路。利用PM光纤链路来保持从激光器传输到偏振敏感转换器的偏振输出的实验，表明了此结构不能提供连续稳定的输出振幅。

美国专利号5,966,391公开了利用稀有土掺杂PM光纤来提供增益，同时将单线性偏振耦合到谐波倍频器的非线性晶体。

美国专利号6,683,902公开了在半导体外腔激光器的腔内利用PM光纤的90度接头来减小腔内的相差，以减小横模竞争和稳定激光器功率。

已经认识到：PM光纤是温度敏感的，随着温度的变化会引起双折射的变化，即正交轴之间的折射率的差Δn发生变化。

在光纤传感器中，已经认识到：PM光纤的双折射的变化可以通过熔接两种长度的保偏光纤来进行温度补偿，这两种长度的保偏光纤相对于每个快轴成90度，以使温度效应不会在入射到快轴与慢轴的光之间引起另外的相位偏移。例如，在1988年9月27日授予Takao Hirose等人的美国专利号4,773,753中公开了一种光纤传感器，其包括双折射光纤的90度连接器，该90度连接器的材料或长度需经选择以消除温度相关相位变化，该光纤传感器用于测量温度和应变。

然而，现有技术未曾认识到：引起光纤激光器和谐波变频模块的输出功率波动的问题，也没有提出一种结构或方法以提供具有稳定输出的光纤激光器谐波变频装置。

因此，非常渴求一种具有稳定输出功率的光纤激光器和谐波变频模块。另一目标是提供一种具有减小的温度敏感的光纤激光器谐波变频模块。

发明内容

本发明已经分辨出在光纤激光器谐波变频模块的结构中导致输出功率波动的综合因素。在PM光纤光耦合中传输的光的温度相关相位变化是明显的，因为光纤激光器不具有理想的偏振消光比(PER)。两个最常见的引起PER劣化的原因是作用于PM光纤的应力和未将PM光纤对准到二极管和非线性晶体。由光栅周围的封装引起的应力也可能引起PER劣化。这种PER劣化导致两种线性偏振状态的被光耦合到PM光纤链路中。耦合到快轴和慢轴的光在到达时将有相位差。如果至少有两个PER劣化点，会引起每个轴上的偏振混合，从而引起干涉。随着温度改变干涉以及改变被耦合到谐波频率转换器的光的量，相对相差发生变化。最终导致谐波变频器输出的振幅波动。

本发明包含至少一个PM光纤传输轴的90度接头，其将快轴耦合到慢轴，以使光纤耦合的两个传输轴的光程大致相同，从而在实际操作温度范围内近似消除这种输出振幅波动。两种PM光纤偏振之间的相差的减小可减少某一温度范围内的功率振荡次数或倍频功率波动次数。

本发明不能阻止在两熔接PM光纤的输出处发生光干涉，但明显增大了温度间隔(差拍周期)，在整个温度间隔上泵浦光偏振分量在其最大和最小值之间产生多个谐波变频周期，从而使变频输出对温度的敏感度减小，这种减小相对于温度的变化较小，相当于一个差拍周期。在优选实施例中，根据本发明的结构可将整个实际操作范围内的功率波动的次数减小到1以下。优选操作范围是在大约5摄氏度(℃)到大约45摄氏度(℃)的范围，但这可被延长到大约75摄氏度的范围。

因此，本发明提供了一种光学谐波变频模块，其包括：

半导体光纤激光器，其产生大致线性偏振输出光；

非线性晶体波导装置，其用于将从所述半导体光纤激光器输出的、具有第一频率的光转换成具有第二频率的输出光；以及

光纤链路，其用于将从所述半导体光纤激光器输出的大致线性偏振光耦合到所述非线性晶体波导装置中，所述光纤链路包括具有正交的快轴和慢轴的双折射光纤，其中，所述光纤链路包括至少一个90度接头，所述至少一个90度接头将第一段双折射光纤的快轴熔接到第二段双折射光纤的慢轴，其中，沿所述光纤链路的快轴的光和发射到所述光纤链路的慢轴的光具有大致相等的光程，其中所述第一段双折射光纤的长度为L1，所述第二段双折射光纤的长度为L2。

本发明的实施例另一方面提供了一种光谐波变频模块，其中，光纤链路的第一段通过90度接头被耦合到第二段，以使L1近似等于L2。

另一实施例提供了一种光谐波变频模块，其中，光纤链路包括：第一段、第二段和第三段，通过第一90度接头将第一段光耦合到第二段，通过第二90度接头将第二段光耦合到第三段，以使大致上L2＝L1+L3，其中L3是第三段的长度。

优选的本发明提供了一种光谐波变频模块，其中，光纤链路包括两个主要偏振消光比(PER)劣化点和配置至少一个90度接头，以使在所述两个主要PER劣化点之间被发射入所述光纤链路快轴的光和被发射入所述光纤链路慢轴的光具有大致相等的光程。

本发明的优选实施例包括光谐波变频模块，其中非线性晶体波导装置包括二次谐波发生器(SHG)。

更具体的，本发明的方面提供了一种光谐波变频模块，其中，所述至少一个90度接头包括至少一个熔接接头。

本发明的另一方面提供了一种光谐波变频模块，其中，光纤链路包括其中刻写有所述光纤布拉格光栅(FBG)的光纤。

本发明的另一个优选实施例包括光谐波变频模块，其中，设置90度接头以使在所述谐波变频模块的最大输出和最小输出之间的温度间隔大于所选定的操作温度范围。

更具体的，本发明包括光谐波变频模块，所选定的操作温度范围小于75摄氏度。

本发明的另一方面提供了一种光谐波变频模块，包括：

半导体光纤激光器，其产生大致线性偏振输出光；

非线性晶体波导装置，其用来将从所述半导体光纤激光器输出、具有第一频率的光转换成具有第二频率的输出光；以及

光纤链路，其用来将从所述半导体光纤激光器输出的所述大致线性偏振光耦合到所述非线性晶体波导器件中，所述光链路包括具有正交的快轴和慢轴的双折射光纤，所述光纤链路包括第一段和第二段，第一段被光耦合到第二段，以使第一段的快轴耦合到第二段的慢轴，其中

$\frac{2\mathrm{\&pi;}\&times;L\&times;\mathrm{\&Delta;n}\left(T\right)}{\mathrm{\&lambda;}}<2\mathrm{\&pi;}$

L＝L1-L2，T是操作温度范围，λ是波长，以及Δn(T)是温度相关的PM光纤双折射率，以使在所选定的操作温度范围内，所述非线性晶体输出的功率振荡次数小于1。

本发明更具体地限定了一个上面描述的光谐波变频模块，其中，所选定的操作温度范围小于75摄氏度。

本发明的另一方面提供了一种如上面所描述的光谐波变频模块，其中，光纤链路包括：第一段、第二段和第三段，通过第一90度接头将第一段光耦合到第二段，通过第二90度接头将第二段光耦合到第三段，以使大致上L2＝L1+L3，其中

L’＝(L1+L3)-L2，以使在所选定的操作温度范围内，所述非线性晶体输出的功率振荡次数小于1。

附图说明

下文将结合附图对本发明进行详细的描述，本发明的更多的特征和优点将变得明显，其中：

图1示出了谐波变频模块；

图2A为根据本发明的光学PM光纤链路的示意图；

图2B为根据本发明的另一光学PM光纤链路的示意图；

图3A示出了PM光纤的横截面图；

图3B示出了配置90度光纤接头的两段PM光纤的横截面图；

图4示出了在谐波变频模块的PM光纤链路中输出功率波动与温度变化的关系图；以及

图5绘制出了在谐波变频模块内的、不同光纤长度和熔接方向的光纤链路中，快偏振轴和慢偏振轴之间的相差的余弦(cosine)与温度的关系图。

应该注意的是，所有附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。

具体实施方式

二次谐波产生(SHG)是一种由长波激光光源获得短波相干光的常用的技术。这是一个非线性过程，在此过程中，光束，又被称为泵浦光束，在二次谐波产生的情况下，与光非线性介质相互作用，生成二次谐波光束，二次谐波光束的频率是泵浦光束频率的两倍。也就是说，二次谐波的自由空间波长是泵浦自由空间波长的一半。对于二次谐波产生技术，任何不具有反演对称的材料均可以作为光非线性介质。通常使用的材料包括铌酸锂，掺MgO铌酸锂和KTP(KTiOPO₄)。二次谐波产生是一类方法里的一种，此类方法被统称为非线性混频或谐波频率转换，这类方法采用类似的脊形波导光结构根据输入光或泵浦光以产生或放大所需波长的相干光。其它例子包括和频产生(SFG)或三次谐波产生晶体。

实际上根据本发明的光链路可以为例如偏振片的任何取向敏感的偏振元件提供温度稳定性。

如图1中10所示的谐波变频模块。谐波变频模块10包括半导体光纤激光器12，该半导体光纤激光器包括半导体二极管14、光纤外腔16和光栅18(例如光纤布拉格光栅)。PM光纤的光耦合20将半导体光纤激光器12耦合到包括非线性晶体(没有显示)的谐波变频器24。光纤耦合20可以是从二极管14到谐波变频器24的单根PM光纤。输出光纤30耦合来自模块10的经转换的波长的输出光。

虽然PM光纤20试图保持光纤激光器12的偏振输出，但光纤激光器的输出实际上没有理想的偏振消光比(PER)。这是因为作用于PM光纤20的应力，特别是在耦合部分，或因为光纤16到激光芯片14的对准不理想，或是这些因素的组合。PM光纤20的横截面如图3A所示。这示出了康宁公司(Corning Incorporated)或藤仓公司(FujikuraLtd.)生产的熊猫(Panda)光纤，该光纤具有应力杆32，应力杆32导致了光纤20熟知的双折射，并限定了快轴34和慢轴36。有很多其它双折射光纤的设计，例如来自生产商FEC，Nufern，它们同样也包括快轴和慢轴。

要求高效的光耦合方案一般采用与接近光源(例如激光二极管)的衬底相连的透镜光纤，或在激光器和光纤之间小心放置多个体透镜。在这两种情况下，在距离光纤终端最小距离(～0.5mm)处光纤被连接。一般连接手段包括共晶焊和玻璃焊，共晶焊和玻璃焊均会在光纤和焊料中产生不对称应力。PM光纤引发的剩余应力可以改变光纤固有的双折射率，因此使PER劣化。

因为不理想的PER，光纤激光器12发射两个偏振，一个沿着PM光纤20的慢轴36传输，另一个沿着PM光纤20的快轴34传输。PM光纤沿任一个轴均等地传输两个正交线性偏振态，快轴和慢轴之间的相差ΔΦ是PM光纤的传播长度L、激光波长和PM光纤的双折射率的函数，如下式所示：

ΔΦ＝2π·L·Δn/λ

如果该结构沿着PM光纤模块包含至少两个具有PER劣化或未对准的位置(例如二极管到PM光纤节点和PM光纤到变频器节点)，沿PM光纤的每一轴传输的光在经过这两个PER未对准点以后，如果激光相干允许，将变成发生干涉的两个偏振态的光的混合。

因为非线性晶体只将一个偏振转换成更长的波长，以相反的偏振态到达的光将被抛弃。经转换的偏振取向，是水平的或垂直的，依赖于非线性晶体的切割。

变化的温度会引起PM光纤的双折射，在正交轴之间的折射率的差Δn，随着传输的正交偏振相差的变化而变化。变化的相差改变干涉，干涉反过来改变进入谐波变频器的正确偏振光的量，并导致输出功率的波动。

所解决的问题是相差温度效应，并因而是这类模块的功率温度效应，因为PM光纤的双折射是温度敏感的。980nm熊猫光纤的双折射温度效应可以用下式计算：

$\frac{1}{\mathrm{\&Delta;n}}\frac{\mathrm{d\&Delta;n}}{\mathrm{dT}}=0.6\&times;{10}^{-6}{C}^{-1}$

从二极管14到非线性晶体24的PM光纤链路20被测量。其中一部分构成了激光器16的外腔。但是，从该光纤耦合到下一个光纤耦合的光链路20必须被考虑，因为这些是最大PER劣化点。

如图2A所示，包括PM光纤20的第一段。PER劣化的第一应力点15位于耦合到激光二极管14的光纤位置。PER劣化的第二应力点23位于耦合到谐波变频器24的光纤位置。90度光接头用50表示，第二段被光熔接到第一段，同时光纤第二段的快轴34被耦合到光纤第一段的慢轴36。当光链路的第一段和第二段的光程相等时，可以得到最佳的温度稳定性。或者，只要光链路中的每一光路都保持相同的光程，采用两个或多个90度接头也可得到良好的温度稳定性。例如图2B中所示，L2＝L1+L3。

谐波变换模块被设计成在所选定的温度范围内工作，例如在50摄氏度的操作范围内工作。通过减少光链路20的两个轴之间的相差，在所选定的温度范围内，当温度从最大变化到最小，功率振荡的次数可以被减少到小于1。取决于温度范围和操作规范，接头可以使光程大致相等，并仍可提供所需的功率稳定功能。如果在最大和最小输出之间的温度间隔比操作温度范围要大，可以观察到稳定性能。在这种情况下，设置接头50或多个接头，以使在操作温度范围内功率振荡发生的次数小于1。

对于具体的模块设计，首先要确定主要的PER劣化点。如果使多个主要PER劣化点之间的光纤链路20的两轴的光程相等，那么可以得到最佳的功率稳定性。这依赖于模块设计。在光纤端对准到激光二极管14或非线性晶体装置24的地方，可能发生PER劣化。其它PER劣化的主要原因可以包括来自位于光纤架或密封的焊接的应力。因此，PER劣化点可以从在一个光纤端或另一个光纤端移动到光纤架的焊接点或与光纤端相距一小段距离的密封穿通件，结果该PER劣化点略微偏移最佳熔接接点。

图4示出了随着PM光纤温度的变化的SHG功率振荡的例子，在PM光纤光链路中没有90度接头。在此例中，利用在泵浦模块和SHG模块之间的一小段PM光纤上的热电冷却器(TEC)来控制温度。结果显示了大约30％的输出功率波动((最大功率-最小功率)/平均功率)；温度x-轴是TEC温度(10cmPM光纤的温度)，功率y-轴记录了不同光纤温度的输出功率。

图5显示了在不同光纤长度的980nm熊猫光纤的快偏振轴和慢偏振轴之间的相差的余弦与温度的关系图。在每一种情况下，50cm的光纤被耦合在980nm激光二极管和980nm倍频器之间。如实线100所示，采用不可旋转的标准接头，L1等于L2。第一段的快轴被熔接耦合到第二段的慢轴。这种结构显示了当温度从5摄氏度变化到60摄氏度时功率振荡了大约14次。通过对比，如用102表示的虚线，熔接光纤具有将第一段的快轴耦合到第二段的慢轴的90度旋转接头，并且在50cm链路中L1-L2＝4cm，功率振荡的次数被减小到接近1。在点划线104，也具有90度接头，在50cm链路中L1-L2＝1cm，功率振荡的次数被进一步减小到振荡周期的大约四分之一。

根据本发明的二次谐波频率模块结构所建议的波长范围包括：405nm，488nm，505nm，560nm，和590nm。

上面描述的本发明的实施例仅仅是示例性的。因此，本发明的范围仅由所附加的权利要求书来限定。

Claims (12)

1.一种光谐波变频模块，包括：

半导体光纤激光器，其产生大致线性偏振输出光；

非线性晶体波导装置，其用于将从所述半导体光纤激光器输出的、具有第一频率的光转换成具有第二频率的输出光；以及

保偏光纤链路，其用于将从所述半导体光纤激光器输出的大致线性偏振光耦合到所述非线性晶体波导装置中，所述保偏光纤链路包括具有正交的快轴和慢轴的双折射光纤，其中，所述保偏光纤链路包括至少一个90度接头，所述至少一个90度接头将第一段双折射光纤的快轴熔接到第二段双折射光纤的慢轴，其中，沿所述保偏光纤链路的快轴发射入所述非线性晶体波导装置的光和发射到所述保偏光纤链路的慢轴的光，具有相等的光程，其中所述第一段双折射光纤的长度为L1，所述第二段双折射光纤的长度为L2。

2.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述保偏光纤链路的第一段双折射光纤通过90度接头被耦合到第二段双折射光纤，以使L1等于L2。

3.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述保偏光纤链路还包括第三段双折射光纤，通过第一90度接头将第一段双折射光纤光耦合到第二段双折射光纤，通过第二90度接头将第二段双折射光纤光耦合到第三段双折射光纤，以使L2＝L1+L3，其中L3是所述第三段双折射光纤的长度。

4.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中所述保偏光纤链路包括两个主要偏振消光比PER劣化点和配置所述至少一个90度接头，以使在所述两个主要PER劣化点之间被发射入所述保偏光纤链路的快轴的光和被发射入所述保偏光纤链路的慢轴的光具有相等的光程。

5.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述非线性晶体波导装置包括二次谐波发生器SHG。

6.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述至少一个90度接头包含至少一个熔接接头。

7.如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述保偏光纤链路包括在其中刻写有布拉格光栅FBG的光纤。

8.如权利要求1所限定的光谐波变频模块，其中，设置所述至少一个90度接头以使在所述谐波变频模块的最大输出和最小输出之间的温度间隔大于所选定的操作温度范围。

9.如权利要求8所限定的光谐波变频模块，其中，所选定的操作温度范围小于75摄氏度。

10.一种光谐波变频模块，包括：

半导体光纤激光器，其产生大致线性偏振输出光；

非线性晶体波导装置，其用来将从所述半导体光纤激光器输出、具有第一频率的光转换成具有第二频率的输出光；以及

保偏光纤链路，其用来将从所述半导体光纤激光器输出的所述大致线性偏振光耦合到所述非线性晶体波导器件中，所述保偏光纤链路包括具有正交的快轴和慢轴的双折射光纤，所述保偏光纤链路还包括第一段双折射光纤和第二段双折射光纤，第一段双折射光纤被光耦合到第二段双折射光纤，以使第一段双折射光纤的快轴耦合到第二段双折射光纤的慢轴，其中

$\frac{2\mathrm{\&pi;}\&times;L\&times;\mathrm{\&Delta;n}\left(T\right)}{\mathrm{\&lambda;}}<2\mathrm{\&pi;}$

所述第一段双折射光纤的长度为L1，所述第二段双折射光纤的长度为L2，L＝L1-L2，T是操作温度范围，λ是波长，以及Δn(T)是温度相关的保偏光纤双折射率，以使在所选定的操作温度范围内，所述非线性晶体输出的功率振荡次数小于1。

11.如权利要求10所限定的光谐波变频模块，其中，所选定的操作温度范围小于75摄氏度。

12.一种光谐波变频模块，包括：

半导体光纤激光器，其产生大致线性偏振输出光；

非线性晶体波导装置，其用来将从所述半导体光纤激光器输出、具有第一频率的光转换成具有第二频率的输出光；以及

保偏光纤链路，其用来将从所述半导体光纤激光器输出的所述大致线性偏振光耦合到所述非线性晶体波导器件中，所述保偏光纤链路包括具有正交的快轴和慢轴的双折射光纤，所述保偏光纤链路包括第一段双折射光纤、第二段双折射光纤和第三段双折射光纤，通过第一90度接头将第一段双折射光纤光耦合到第二段双折射光纤，以使第一段双折射光纤的快轴耦合到第二段双折射光纤的慢轴，通过第二90度接头将第二段双折射光纤光耦合到第三段双折射光纤，其中

$\frac{2\mathrm{\&pi;}\&times;L^{,}\&times;\mathrm{\&Delta;n}\left(T\right)}{\mathrm{\&lambda;}}<2\mathrm{\&pi;}$

所述第一段双折射光纤的长度为L1，所述第二段双折射光纤的长度为L2，所述第三段双折射光纤的长度为L3，以使L2＝L1+L3，L’＝(L1+L3)-L2，T是操作温度范围，λ是波长，以及Δn(T)是温度相关的保偏光纤双折射率，以使在所选定的操作温度范围小于75摄氏度的范围内，所述非线性晶体输出的功率振荡次数小于1。

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