CN102005697B - 基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一个反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。

Description

基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更加具体地，涉及一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器。

背景技术

激光器是发射激光的装置，其应用已遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。光纤激光器采用掺稀土元素光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，造成掺杂粒子能级的粒子束反转，当加入适当的正反馈回路时，便产生激光输出。光纤激光器是激光领域的新技术，与其它介质激光器相比，它具有长增益区、结构紧凑，能量密度高，抗电磁干扰强，温度膨胀系数小，无需额外散热装置等优点。

激光器通常都是由三部分组成的，即激光工作介质、泵浦源、光学谐振腔。其中光学谐振腔构成了激光器的反馈回路，保证激光器可以得到稳定持续、有一定功率、高质量的激光输出。光纤激光器谐振腔的腔型通常可分为环形腔结构和线形腔结构两类。

窄线宽光纤激光器的实现方式有多种，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、单向环形腔结构以及复合腔结构。但是，用光纤布拉格光栅实现超窄线宽对光栅要求非常高，不易实现。另外一种方法是基于可饱和吸收体光窄带滤波器的光纤激光器，线宽普遍在kHz量级。这种方法简单有效，是目前实现窄线宽的主要方式。但是，这种方法进一步压缩线宽需要大幅度增长参铒光纤长度，导致实现超窄线宽很困难。

目前现有商用光纤激光器线宽都在kHz以上，而且价格昂贵。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔光纤线腔激光器，利用该超窄线宽激光器，可以通过在谐振腔中加入一段或多段多模光纤来，可以压窄激光器所输出的激光的线宽，从而实现超窄线宽激光输出。

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线腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一个反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。

此外，优选地，在所述DFB激光器和所述90:10耦合器之间还设置有掺铒光纤放大器。

此外，由所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的。

此外，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为62.5μm，长度为15m。所述单模光纤的长度为30m。

此外，所述反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括掺铒光纤放大器、第一和第二反射单元、90:10耦合器以及多段单模光纤和多模光纤，其中，第一反射单元与所述掺铒光纤放大器、所述掺铒光纤放大器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与第二反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。

此外，由所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的。

此外，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为62.5μm，长度为15m。所述单模光纤的长度为30m。

此外，所述第一和第二反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。

有益效果

根据本发明提供的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，可以利用多模光纤来压缩线宽，从而可以实现超窄线宽激光输出。此外，根据本发明的超窄线宽激光器的结构简单、成本低、体积小、重量轻且集成方便。

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是一个最简单的并行反馈光纤线腔激光器的示图；

图2是“单模光纤——多模光纤——单模光纤”结构的示图；

图3是渐变熔接的“单模光纤——多模光纤——单模光纤”结构的示图；

图4是根据本发明第一实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示意图；

图5是根据本发明第二实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示意图；

图6是根据本发明第三实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示意图；

图7是光路中接入多模光纤的多段级联结构示意图；

图8示出了三种可用的光纤反射镜结构；

图9是利用延时自外差法(DSHI)测量到的图4激光器线宽测量图；

图10是利用损耗补偿的循环延迟自外差法(LC-RDSHI)测量到的图5激光器线宽测量图；和

图11是利用延时自外差法(DSHI)测量到的图6激光器线宽测量图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施例

在进行根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的实施例描述之前，首先对术语“并行反馈回路”进行简要说明。

在本发明中，术语“并行反馈回路”指的是光纤激光器中的正反馈回路为多路并行的一种反馈回路。利用并行反馈回路，通过不同回路之间光的相干叠加作用，可以使得最后输出激光的光谱特性有所改善。

图1示出了一个基本的并行反馈的光纤线腔激光器的谐振腔结构。谐振腔中使用两个耦合器C1，C2搭建了一个马赫曾德尔(MZ)结构。在此谐振腔结构中，共有四个不同的闭合谐振回路，用上标“+”表示光向右传播，用上标“-”表示光向左传播，四个谐振回路可以分别表示为：

L1＝La⁺+Lc⁺+Lb⁺+Lb^-+Lc^-+La^-；

L2＝La⁺+Lc⁺+Lb⁺+Lb^-+Ld^-+La^-；

L3＝La⁺+Ld⁺+Lb⁺+Lb^-+Lc^-+La^-；

L4＝La⁺+Ld⁺+Lb⁺+Lb^-+Ld^-+La^-。

若该谐振腔结构中存在增益介质，由维纳效应可知，所产生激光波长应买足所有谐振回路的谐振条件，即

$f=\frac{{\mathrm{cq}}_1}{{\mathrm{nL}}_1}=\frac{{\mathrm{cq}}_2}{{\mathrm{nL}}_2}=\frac{{\mathrm{cq}}_3}{{\mathrm{nL}}_3}=\frac{{\mathrm{cq}}_4}{{\mathrm{nL}}_4},$ 等式(1)

其中c为激光波长，n为光纤折射率，q₁～q₄是任意正整数。对于每个谐振回路，两个相邻的谐振频率的间隔即自由光谱区间FSR，满足条件

${\mathrm{FSR}}_i=\frac{c}{{\mathrm{nL}}_i},$ 其中i＝1，2，3，4，等式(2)

定义所有腔长的最大公约长度为l，有L_i＝χ_il，其中小χ_i为正整数。对于每个谐振回路有

${\mathrm{FSR}}_i=\frac{c}{n{\mathrm{\χ}}_{i}l},$ $f_i=\frac{{\mathrm{cq}}_i}{n{\mathrm{\χ}}_{i}l},$ 其中i＝1，2，3，4，

整个谐振腔产生激光的激射频率要求存在一个正整数k，满足

$\frac{q_1}{{\mathrm{\χ}}_1}=\frac{q_2}{{\mathrm{\χ}}_2}=\frac{q_3}{{\mathrm{\χ}}_3}=\frac{q_4}{{\mathrm{\χ}}_4}=k,$ 等式(3)

由此可以得到整个谐振腔结构的激射频率和FSR，即并行反馈的最终效果

$f_k=\frac{{\mathrm{cq}}_1}{{\mathrm{nL}}_1}=\frac{{\mathrm{cq}}_2}{{\mathrm{nL}}_2}=\frac{{\mathrm{cq}}_3}{{\mathrm{nL}}_3}=\frac{{\mathrm{cq}}_4}{{\mathrm{nL}}_4}=\frac{\mathrm{ck}}{\mathrm{nl}},$ k为正整数，等式(4)

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{\mathrm{nl}},$ 等式(5)

如果腔长差距比较小，腔的数目越多，所有腔长的最大公约长度越小，相应的FSR会越大。大的FSR提高了激光器的稳定性，并方便选出单纵模。

并行反馈回路存在许多实现方式，一种简单高效的构造方法是使用多模光纤(MMF)。多模光纤中独立存在的多个横模具有不同的传播常数，因而相当于多个不同的光路。在单模光纤所构建的激光器谐振腔中，通过合适的方法加入一段或多段多模光纤，可以得到数目可观的独立谐振光路数。使用多模光纤实现的多路并行反馈具有并行光路多，光路之间的光程差稳定等特点，可以大幅度压窄激光器输出激光的光谱线宽。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具有实现Hz以下超窄线宽的能力。

图2示出了一个基本的“单模光纤——多模光纤——单模光纤”的结构单元。在图2中示出的结构中，单模光纤中只能存在基模这一个横模。当基模进入多模光纤后，会激发出多模光纤中允许存在的多个横模，而群速度不同的多个横模等效于多个光路。多模光纤中的多个横模在重新进入单模光纤时，以多模干涉(MMI)的方式相干叠加，绝大多数模式中的能量重新耦合回到基模而进入单模光纤传播，从而实现多路并行的正反馈回路。

图3示出了通过熔融拉锥的方法对多模光纤和单模光纤进行渐变连接而形成的另一“单模光纤——多模光纤——单模光纤”的结构单元。如图3所示，使用这种工艺可以使多模光纤和单模光纤的接头处损耗大大降低。一个完整“单模光纤——多模光纤——单模光纤”结构的典型损耗值在0.5dB左右，而更好的制作工艺可以将这个损耗值降低到零附近。

多模光纤按照折射率分布类型，可以分为渐变型折射率多模光纤和阶跃型折射率多模光纤，它们所能传播的模式总数分别为M≈V²/4和M≈V²/2。其中V是光纤的归一化频率

$V=\frac{2\mathrm{\πa}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{NA}=\frac{2\mathrm{\πa}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sqrt{n_1^2-n_2^2}=\frac{2\mathrm{\πa}}{{\mathrm{\λ}}_0}{n}_1\sqrt{2\mathrm{\Δ}},$ 等式(6)

若是渐变型折射率多模光纤，有效传播模群数为

$p_{\max }=\frac{V}{2},$ 等式(7)

若是阶跃型折射率多模光纤，有效传播模群数为

$p_{\max }=\frac{2V}{\mathrm{\π}},$ 等式(8)

式中a是光线半径，λ₀为中心工作频率，NA是数值孔径，n₁和n₂分别是纤芯和包层的折射率。据此计算得，当多模光纤的内芯直径为62.5μm时，归一化频率V＝25.34，模式总数M≈V²/4＝160.47。若是渐变型折射率多模光纤，有效传播模群为11个。若是阶跃型折射率多模光纤，有效传播模群数为15个。当多模光纤的内芯直径为100μm时，归一化频率V＝40.53，模式总数M≈V²/4＝410.68。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。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图4示出了根据本发明第一实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器300的结构示意图。

如图4所示，超窄线宽线腔激光器300包括DFB激光器310、90:10耦合器320、一个反射单元330、多段单模光纤340和多模光纤350，其中所述DFB激光器310与所述90:10耦合器320以及所述90:10耦合器320与所述反射单元330分别通过由单模光纤340和多模光纤350构成的光纤结构耦合。

所述DFB激光器(没有内置隔离器)用于产生激光，所产生激光的固有线宽在MHz量级。所述90:10耦合器被用于将谐振腔中产生的激光耦合输出。DFB激光器、定向耦合器、反射单元之间依序通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合形成谐振腔。所使用器件都是单模光纤器件。

此外，由所述由单模光纤340和多模光纤350构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的。优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为62.5μm，长度为15m。所述单模光纤的长度为30m。图7是光路中接入多模光纤的多段级联结构示意图。这里要说明的是，在由单模光纤340和多模光纤350构成的光纤结构中可以使用一段或多段多模光纤。根据实验可知，串联的多模光纤段数越多，压缩线宽效果越好。

在本例中，使用法拉第旋镜作为反射单元，用以形成DFB激光器的外腔。但是，在替换实例中，所述反射单元可以是光纤布拉格光栅或Sagnac环。图8示出了三种可用的光纤反射镜结构。

在超窄线宽线腔激光器300工作时，从DFB激光器310发出的激光经过由单模光纤340和多模光纤350构成的光纤结构传输到90:10耦合器320的直通输入端，然后通过90:10耦合器320并且从它的直通输出端输出，而后经由由单模光纤340和多模光纤350构成的光纤结构传输到反射单元330，经过反射单元330反射后的光按照相反的方向再次进入90:10耦合器320和反射单元330之间的由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构中，并且与原先方向上传输的激光进行干涉后，从90:10耦合器的耦合输出端输出。在这种情况下，由于多模光纤可以形成多个谐振回路，从而可以实现非常窄的线宽。

图5示出了根据本发明第二实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器400的结构示意图，其是图4中示出的结构的改进。与图4相比，图5中的结构仅仅在DFB激光器310和90:10耦合器320之间增加了一个EDFA 460，用以提高激光器输出功率，并进一步压窄输出激光线宽。图5中示出的其它部件与图4中的完全相同，并且图5中的超窄线宽线腔激光器400的工作过程也与图4中的超窄线宽激光器300基本完全相同，在此省略对其的详细描述。

图6示出了根据本发明第三实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器500的结构示意图。

如图6所示，所述超窄线宽线腔激光器500包括掺铒光纤放大器510、第一反射单元520、第二反射单元530、90:10耦合器540、多段单模光纤550和多模光纤560。其中，第一反射单元与所述掺铒光纤放大器、所述掺铒光纤放大器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与第二反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。所述第一和第二反射单元设置在两端，与掺铒光纤放大器510、90:10耦合器520通过单模光纤和多模光纤连接形成谐振腔。

所述掺铒光纤放大器510用作增益介质来产生激光。所述第一和第二反射单元用以形成激光器的谐振腔，在本例中，使用两个法拉第旋镜作为第一和第二反射单元。但是，在替换实例中，可以使用光纤布拉格光栅或Sagnac环作为第一和第二反射单元。

所述90:10耦合器540用于将谐振腔中产生的激光耦合输出。此外，所使用器件都是单模光纤器件。由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的。优选地，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为62.5μm，长度为15m。所述单模光纤的长度为30m。

图9、图10和图11分别示出通过延时自外差法(DSHI)或损耗补偿的循环延迟自外差法(LC-RDSHI)对图4、图5和图6中示出的超窄线宽线腔激光器的输出进行测试的测试结果。两种方法在低频测得谱宽都是光频谱宽的两倍，实验中使用数字采集卡对光电检测信号进行采集并频谱分析。所有结构中均采用了两段内芯直径为62.5μm、长度为5m的多模光纤。图9、图10和图11中的上图是数字采集卡检测得到的功率谱密度，下图是上图中信号经过平滑滤波和局部放大的结果，所读出谱宽的一半即激光线宽。如图9所示，图4中示出的超窄线宽线腔激光器300所输出的激光线宽为1.25KHz。如图10所示，图5中示出的超窄线宽线腔激光器400所输出的激光线宽为430Hz。如图11所示，图6中示出的超窄线宽线腔激光器500所输出的激光线宽为125Hz。而商业化的DFB激光器线宽普遍在MHz以上。由此可见，利用本发明的超窄线宽线腔激光器，可以输出线宽更窄的激光。

这里要说明的是，在图4到图6中，虽然示出为在DFB激光器和耦合器之间以及在耦合器和反射单元之间都是通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。但是，本领域技术可以明白的是，可以仅仅在DFB激光器和耦合器之间或在耦合器和反射单元之间中之一间通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合，其余元件则通过单模光纤耦合。

如上参照图2到图11描述了根据本发明的实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器。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线腔激光器，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 (7)

1.一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一个反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合，

其中，所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的，以及所述并行反馈是指光纤激光器中的正反馈回路为多路并行。

2.一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括掺铒光纤放大器、第一和第二反射单元、90:10耦合器以及多段单模光纤和多模光纤，其中，第一反射单元与所述掺铒光纤放大器、所述掺铒光纤放大器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与第二反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合，

其中，所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤-多模光纤-单模光纤的方式构成的，以及所述并行反馈是指光纤激光器中的正反馈回路为多路并行。

3.如权利要求1所述的超窄线宽线腔激光器，其中，在所述DFB激光器和所述90:10耦合器之间还设置有掺铒光纤放大器。

4.如权利要求1或2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述多模光纤的外芯直径为125μm，内芯直径为62.5μm，长度为15m。

5.如权利要求1或2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述单模光纤的长度为30m。

6.如权利要求1所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。

7.如权利要求2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述第一和第二反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。

Images