CN101997263B - 基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于并行反馈的超窄线宽激光器，包括掺铒光纤放大器、F-P腔滤波器、单模光传输介质、多模光传输介质、90∶10耦合器以及隔离器，其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F-P腔滤波器、隔离器、多模光传输介质、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述环形腔，耦合端作为光路输出端口。根据本发明的超窄线宽激光器，可以利用由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构来压缩线宽，而无需大幅度增长掺铒光纤长度，从而克服了现有窄线宽激光器结构复杂和成本昂贵的缺点，并且进一步大大压缩了线宽，实现了超窄线宽激光输出。

Description

基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器

本申请要求2010年8月13日提交的、名称为“基于并行反馈的超窄线宽环形腔光纤激光器”、申请号为201010253809.7的中国申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器。

背景技术

窄线宽激光器在水听器、激光陀螺、光控雷达相控阵天线等光相干探测领域具有广泛的应用。与其它介质激光器相比，光纤激光器具有增益区长、结构紧凑，能量密度高，抗电磁干扰强，温度膨胀系数小、且无需加散热等优点。尤其是外腔方式的光纤激光器，因为腔长较长，所以具有天然窄线宽优势。目前窄线宽光纤激光器的实现方式很多，例如采用光纤布拉格光栅FBG构成分布反馈DFB或着分布布拉格反射DBR的线型腔结构、单向运转的环形腔结构以及复合腔结构。图1示出了现有窄线宽光纤激光器的基本结构。如图1所示，现有窄线宽光纤激光器通常包括掺铒光纤、隔离器、耦合器、滤波器件和波分复用器。

现在，针对在腔中加入光纤布拉格光栅来实现超窄线宽光纤激光器的方法的研究也很广泛。然而，这种方法存在下述问题：

首先，利用光纤布拉格光栅实现超窄线宽对于光栅的要求非常高，不容易实现；

其次，这种方式的成本很高，而且光频率与光纤布拉格光栅有关，不能反映腔长的变化，因此不能用于光纤陀螺传感器中。

目前实现超窄线宽的主要方式是基于可饱和吸收体光窄带滤波器的光纤激光器，其线宽普遍在kHz量级。这种方法简单有效，是目前实现超窄线宽的主要方式。但是，这种方法很难实现双向出光，而且进一步压缩线宽要大幅度增长掺铒光纤长度，因此实现超窄线宽很困难。

发明内容

针对激光器当前正反馈结构仅为单向反馈回路进一步提高激光器性能很难的问题，通过对比单环和复合谐振腔，提出了并行多路反馈结构方案。具体是在单模光传输介质中插入多模光传输介质来设计基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器。

本发明的目的是提供一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器，该超窄线宽环形腔激光器可以用于光纤激光陀螺。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器，包括掺铒光纤放大器、F-P腔滤波器、单模光传输介质、多模光传输介质、90∶10耦合器以及隔离器，其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F-P腔滤波器、隔离器、多模光传输介质、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的直通端接入所述环形腔，耦合端作为光路输出端口。

此外，所述单模光传输介质和多模光传输介质分别是单模和多模光纤、光波导或光子晶体。

此外，在所述多模光传输介质包括多段光传输介质时，单模光传输介质和多模光传输介质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构。

此外，优选地，在光传输介质是光纤时，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm。此外，所述多模光纤的长度为5m。

此外，所述多模光纤可以包括多段多模光纤。优选地，所述多段多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm，且每段多模光纤的长度为5m。

有益效果

根据本发明提供的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器，可以利用由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构来压缩线宽，而无需大幅度增长掺铒光纤长度，从而克服了现有窄线宽激光器结构复杂和成本昂贵的缺点，并且进一步大大压缩了线宽，实现了超窄线宽激光输出，根据本发明的超窄线宽激光器的的线宽达到15Hz，其仿真结果甚至可以达到亚Hz量级。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1示出了现有技术的窄线宽光纤激光器的基本结构图；

图2示出了并行反馈结构示意图；

图3示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的最小结构；

图4示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的一个示例结构；

图5示出了图4中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的群指数；

图6示出了利用自拍法测量出的图4中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的线宽测量图；

图7示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的另一示例结构；

图8示出了利用自拍法测量出的图7中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的线宽测量图；

图9示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输结构的示意图；

图10示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输结构的示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在进行根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的实施例描述之前，首先解释几个概念。

(1)共腔结构。所谓共腔结构是指不同的谐振腔存在一段共同的谐振回路。通过理论推导可以证明：共腔结构可以使激光器有效实现锁模来稳定运行，并且具有非常好的抗干扰性能。

(2)并行反馈回路，是指在上面提出的共腔概念的基础上，使光纤激光器中的正反馈回路为多路并行，通过不同回路之间光的相干叠加作用，使得最后输出激光的波形有所改善。通过仿真和实验证明：采用多模光纤搭建的并行反馈激光器可以实现超窄线宽到Hz以下量级。而目前现有商用光纤激光器线宽都在kHz以上，而且价格昂贵。

下面对与根据本发明的并行反馈光纤激光器相关的工作原理进行详细说明。

1.并行反馈结构的谐振原理

图2示出了并行反馈结构的示意图。对于双耦合器的MZI结构谐振腔，在不考虑偏振态、熔接损耗和传输衰减且光源为单频的情况下，其谐振选频原理推导如下：

假设输入光强为

，其中E₂＝0。

长度为d的耦合器传输矩阵为

其中κ是耦合系数。当耦合器是3dB耦合器时，因此得到：

由此，得到等式(1)和等式(2)：

$\left[\begin{array}{c}{E}_3\\ E_4\end{array}\right]=M_C\·\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_1{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\end{array}\right]$ 等式(1)；

$\left[\begin{array}{c}{E}_7\\ E_8\end{array}\right]=M_C\·\left[\begin{array}{c}{E}_5\\ E_6\end{array}\right]=M_C\·\left[\begin{array}{c}{E}_3{e}^{-{\mathrm{j\βL}}_1}\\ E_4{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_2}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{E}_1{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_1}+E_1{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_2+\mathrm{j\π}}\\ E_1{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_1+j\frac{\mathrm{\π}}{2}}+E_1{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_2+j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\end{array}\right]$ 等式(2)，

其中

为传播常数，n为光纤折射率。

若要求E₈＝0，则需：

于是要求β(L₁-L₂)＝2kπ+π(k∈Z)。

由此，得到等式(3)：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\β}{L}_3}& 0\\ 0& e^{-\mathrm{j\β}{L}_3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_7\\ E_8\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{E}_1{e}^{-\mathrm{j\β}(L_1+L_3)}-E_1{e}^{-\mathrm{j\β}(L_2+L_3)}\\ 0\end{array}\right]$ 等式(3)。

谐振条件为：β(L₁+L₃)＝2mπ，β(L₂+L₃)＝2nπ+π，(m，n∈Z)。此时恰好也满足的限制条件β(L₁-L₂)＝2kπ+π(k∈Z)。

假设第一条谐振回路的长度为L_a＝L₁+L₃，第二条谐振回路的长度为L_b＝L₂+L₃，则对应的相位分别为：

由此，谐振条件可等效地表示为：

(m，n∈Z)。

因为

(i＝m，n)，谐振回路的长度之比为r＝L_a∶L_b＝2m∶(2n+1)，

所以FSR_复合＝2m×FSR_a＝(2n+1)×FSR_b。

在这种情况下，增大FSR_复合有两种方法：一是使谐振回路的长度之比r趋近于1；二是使其中一个谐振回路的长度非常短。在第一种方法中，由于复合谐振腔对外部干扰比较敏感，很难控制两个谐振回路的长度接近，也很不稳定。在第二种方法中，假设L_b＜＜L_a，则最后FSR_复合≈FSR_b。但是，缩小其中一个回路的长度是有极限的，工程上只能到10cm左右，这远远达不到要求。共腔方式则克服了以上两个方式的缺点：既能实现两个谐振回路的差很小，又能将两个谐振回路的差控制为稳定。而并行反馈方式实际就是共腔方式的升级，即多路共腔。

2.激光器线宽与群速度关系

半导体激光器的线宽为： $\mathrm{\Δ\υ}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_w{v}_g^2{\mathrm{hvn}}_{\mathrm{sp}}({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_m){\mathrm{\α}}_m(1+{\mathrm{\α}}^2)}{8\mathrm{\π}{P}_0}.$

其中：v_g是群速度；α是半导体激光器的特有参数，Γ_w为光限制因子；hv为光子能量；n_sp是自发辐射因子；α_i是腔内损耗(包括吸收、衍射、散射等)；α_m是谐振腔损耗；P₀是输出光功率。

可见，如果群速降低一个数量级，则线宽将会降低两个数量级。多模光传输介质(例如，多模光纤、多模光波导或多模光子晶体)由于传播的模式数较多，群速度随着模式的增加将会减小，这对于压窄激光器线宽有很大作用。基于此，提出利用在单模光传输介质中插入多模光传输介质形成并行反馈光传输结构来构建超窄线宽环形腔激光器。

3.多模光传输介质有效模式数量

现以Corning公司生产的62.5/125um的渐变折射率多模光纤为例来对此进行说明。数值孔径为NA＝0.200，相对折射率差Δ＝1％，则n(0)＝1.414，n₂＝1.400。

由此可知，当工作波长为1550nm，光纤内芯直径为62.5μm时，归一化频率为V＝25.34。则

模式总数为

若是渐变型折射率多模光纤，则有效传播模群为11个。若是阶跃型折射率多模光纤，

则有效传播模群数为15个。

当光纤内芯直径为100μm时，归一化频率为V＝40.53。则

模式总数若是渐变型折射率多模光纤，则有效传播模群为19个。若是阶跃型折射率多模光纤，

则有效传播模群数为24个。

假设在谐振腔中可以有效传播的模式个数为m，则将2段“单模光纤-多模光纤-单模光纤”结构级联起来时，所产生不同通路个数有m*m个。这样，将n段“单模光纤-多模光纤-单模光纤”结构级联起来时，独立的通路数为mⁿ个，会随着级联段数急剧增加。若将该级联结构环起来形成环形谐振腔，将产生mⁿ个独立谐振回路。若将该级联结构两端加上反射镜，即形成线腔激光器结构，将产生mⁿ*mⁿ＝m²ⁿ个独立谐振回路。当谐振腔中存在增益介质，形成激光器时，所产生激光需要同时满足所有谐振腔的限制条件，从而所获得的激光具有极窄的线宽。

4.群指数公式

群指数是与群速度相对应的。所谓慢光是指群速度较小的光，是在高色散器件和媒质中存在的一种反常物理现象。在光纤通信中使用的光是以光脉冲的形式来传播信息，而光脉冲的速度是光的群速度而不是光的相速度(3e+8m/s)。为了获得慢光，需要较高的群指数。

群指数和群速度之间的关系为：

其中n_g为群指数，ν_g为群速度，τ(ω)为延时，Φ为相位，L为总环长。

光在长度为l的介质中传播，所产生的相移为：

这样可以得到群指数和相位之间的关系为：

多模光传输介质(例如，多模光纤、多模光波导或多模光子晶体)由于能够传播多种模式，不同模式的有效折射率相差很小，不同模式之间相互干涉，通过对不同结构的仿真，最大的群指数达到了10的3次方量级，从而实现了选频和压线宽的作用。通过仿真，图4结构的群指数如图5所示，能够接近10的3次方数量级。在图5中出光频率比较多，这是因为仿真时没有考虑F-P腔的滤波作用。

下面结合附图对本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的实施例进行详细说明。

图3示出了基于并行反馈的超窄线宽环形腔光纤激光器300的最小结构。如图3所示，并行反馈光纤激光器300包括集成掺铒光纤放大器EDFA、F-P腔滤波器、光隔离器ISO、5段单模光传输介质、1段多模光纤、90∶10耦合器。其中，所述掺铒光纤放大器分别经由单模光纤与F-P腔滤波器、隔离器、1段多模光纤、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的90％的直通端接入所述环形腔，10％的耦合端作为光路输出端口。通过实验可知，当多模光纤的内芯直径越大时，压缩线宽的效果也越好。在图3的结构中，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm。所述多模光纤的长度为5m。这里要说明的是，多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它数值。

图4示出了根据本发明第一实施例的一个示例的基于并行反馈的超窄线宽环形腔光纤激光器400的结构的示意图。如图4所示，基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器400包括集成掺铒光纤放大器EDFA、F-P腔滤波器、光隔离器ISO、8段单模光纤、4段5m长的100/125μm的多模光纤、90∶10耦合器。其中，所述掺铒光纤放大器分别经由单模光纤与F-P腔滤波器、隔离器、4段多模光纤、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的90％的直通端接入所述环形腔，10％的耦合端作为光路输出端口。此外，5段单模光纤和4段多模光纤按照交替的方式构成由单模光纤和多模光纤构成的光传输介质结构。这里，所述多段多模光纤的长度可以相等或不等，优选为相等。多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它数值。

图7示出了根据本发明第一实施例的另一示例的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器700的结构的示意图。如图7所示，基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器700包括集成掺铒光纤放大器EDFA、F-P腔滤波器、光隔离器ISO、11段单模光纤、7段5m长的100/125μm的多模光纤、90∶10耦合器。其中，所述掺铒光纤放大器分别与F-P腔滤波器、隔离器、4段多模光纤、90∶10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且所述90∶10耦合器的90％的直通端接入所述环形腔，10％的耦合端作为光路输出端口。此外，8段单模光纤和7段多模光纤按照交替的方式构成由单模光纤和多模光纤构成的光传输介质结构。同样，所述多段多模光纤的长度可以相等或不等，优选为相等。多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它数值。

图5示出了图4中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的群指数。图6示出了利用如下所述的自拍法测量出的图4中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器400的结构的线宽测量图。

首先，连接如图4所示的光路，在该光路中连接有4段多模光纤。然后，将输出光路连接自拍法线宽测量装置，将自拍法线宽测量装置的输出端接PD光电转换装置，将电信号连接数字采集卡。

接着，打开掺铒光纤放大器EDFA电源、自拍法中使用的声光调制器AOM、数字采集卡电源及计算机。随后，调节掺铒光纤放大器EDFA功率旋钮，当泵浦光功率为11mW时，停止调整。此时，测量激光器的线宽。通过自拍法测量到的具有图4中的结构的光纤激光器的激光线宽如图6所示，其中3dB线宽为95Hz。在图6中，上半部分是线宽测量原始数据，下半部分为对应的滤波后图形，从滤波后图形中可以清晰看出线宽。

图8示出了利用如下所述的自拍法测量出的图7中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器700的结构的线宽测量图。

首先，连接如图7所示的光路，在该光路中连接有7段多模光纤。然后，将输出光路连接自拍法线宽测量装置，将自拍法线宽测量装置的输出端接PD光电转换装置，将电信号连接数字采集卡。

接着，打开掺铒光纤放大器EDFA电源、自拍法中使用的声光调制器AOM、数字采集卡电源及计算机。随后，调节掺铒光纤放大器EDFA功率旋钮，当泵浦光功率为21mW时，停止调整。将泵浦光功率设为21mW，这是因为串连多模光纤段数越多，损耗越大，需要补充的能量越高。此时，测量激光器的线宽。通过自拍法测量到的具有图7中的结构的光纤激光器的激光线宽如图8所示，其中3dB线宽为15Hz。在图8中，上半部分是线宽测量原始数据，下半部分为对应的滤波后图形，从滤波后图形中可以清晰看出线宽。

通过比较图6和图8中所测量出的线宽可以看出，串联的多模光纤段数越多，压缩线宽效果越好。

如上以利用光纤作为光传输介质构成并行反馈光传输结构为例，对根据本发明的实施例进行了描述。本领域技术人员应该明白的是，还可以采用光波导或者光子晶体作为光传输介质构成并行反馈光传输结构。

图9示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输介质结构的示意图。所述光波导可以包括介质薄膜波导、介质带状波导和介质圆波导。这里所说的介质圆波导实际上就是上述的光纤。

如同多模光纤一样，多模光波导也可以具有多个传导膜，从而可以传输多个传播模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。

图10示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输介质结构的示意图。

光子晶体是介电常数在光波长尺度上呈现周期性变化的一种人造晶体。折射率的周期性变化产生了光带隙结构，从而控制着光在光子晶体中的运动。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙。而周期的大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。

由于光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以能够自由控制光的行为。因此可以制备出单模光子晶体和多模光子晶体。同样，多模光子晶体中可以多个传导膜，从而可以传输多个传播模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。

如上参照图1到图10描述了根据本发明的实施例的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (5)

1.一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器，包括掺铒光纤放大器、F-P腔滤波器、单模光传输介质、多模光传输介质、90:10耦合器以及隔离器，

其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与F-P腔滤波器、隔离器、多模光传输介质、90:10耦合器串连，以形成一个环形腔，并且

所述90:10耦合器的直通端接入所述环形腔，耦合端作为光路输出端口，

其中，所述单模光传输介质包括多段单模光传输介质，以及所述多模光传输介质包括多段多模光传输介质，所述多段单模光传输介质和多段多模光传输介质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构，其中压缩线宽的效果随着串联的多模光传输介质的段数的增加而增加。

2.如权利要求1所述的超窄线宽环形腔激光器，其中，所述单模光传输介质和多模光传输介质分别是单模和多模光纤、光波导或光子晶体。

3.如权利要求2所述的超窄线宽环形腔激光器，其中，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm。

4.如权利要求2所述的超窄线宽环形腔激光器，其中，所述多模光纤的每段的长度为5m。

5.如权利要求1所述的超窄线宽环形腔激光器，其中，所述单模和多模光传输介质是单模光纤和多模光纤，所述多段多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为100μm，且每段多模光纤的长度为5m。

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