CN102361210A - 一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，目的是在环形腔布里渊掺铒光纤激光腔内实现稳定的单频布里渊激光输出。它由一个窄线宽泵浦激光器、一个环形器、一个可进行双向放大的掺铒光纤放大器，一段单模光纤、一个窄带光滤波器和一个光纤耦合器组成。将可进行双向放大的掺铒光纤激光器置于单模光纤之前，将布里渊泵浦光注入单模光纤之前进行预放大，提高布里渊泵浦功率，进而在较短光纤中实现较高的布里渊增益；另一方面，该掺铒光纤放大器还可用于放大后向散射光，补偿激光器腔损，实现较高功率的布里渊激光输出。本发明解决了短单模光纤和高布里渊增益的矛盾，实现了稳定的单频布里渊掺铒光纤激光输出，发展了一种新型混合增益型的超窄线宽光纤激光器。

Description

一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器。

背景技术

超窄线宽光纤激光器以其特有的低相位噪声特性成为目前光纤激光器的一个重要发展方向，广泛应用于分布式光纤传感和干涉型光纤传感系统中，以降低噪声，提高检测灵敏度。根据增益介质不同，超窄线宽光纤激光器主要分为受激散射光纤激光器和掺杂光纤激光器两类。而布里渊光纤激光器(BFL)利用光纤中的非线性布里渊增益，线宽可以达到kHz以下甚至亚Hz量级，在布里渊光纤陀螺、光纤传感、波分复用及相干光通信系统中有着重要的应用。但是普通单模光纤的布里渊增益系数较小(～10^-11m/W)，需要精确控制谐振腔长与泵浦光频率匹配，才能获得有效的布里渊激光运转。窄线宽掺杂光纤激光器中，掺铒光纤激光器(EDFL)以其激射波长在光纤低损耗窗口1.55um波段、与光纤通信及光纤传感系统完全兼容等优点而倍受关注，被认为是长距离、大容量的超高速光纤通信、孤子通信系统以及远程大规模干涉型光纤传感系统的理想光源。但是掺铒光纤的增益谱较宽(从1520nm到1560nm约40nm)，需要合理设计激光器腔结构，通过复杂的线宽压缩技术实现激光器的单纵模运转。

在以上两类激光器基础上发展的混合增益型布里渊掺铒光纤激光器(BEFL)，是将掺铒光纤放大器(EDFA)置于布里渊光纤激光腔内，利用单模光纤中的窄带布里渊增益(20MHz左右)提供一个线宽较窄、与泵浦光信号具有准确布里渊频移(单模光纤中1550nm波长处约11GHz)的Stokes光，EDFA增益主要用于补偿腔损并放大Stokes光能量，最终实现窄线宽(～kHz)、高功率(～10mW)的布里渊激光输出。该激光器无需控制泵浦波长与激光器腔长匹配，不必进行线宽压缩，结构简单，易于实现，是一种新型高效的窄线宽光源。稳定的单频BEFL不仅能为干涉型光纤传感系统、相干光通信等提供低噪声的高相干光源，还可应用于布里渊光纤陀螺、微波发生器、单边带调制等。

由于可以方便地级联受激布里渊散射产生多级Stokes线，多波长BEFL取得了巨大的成功，例如专利“基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器”(专利公开号CN101908709A)、专利“自激发多波长布里渊掺铒光纤激光器”(专利公开号CN101257177)等。但是稳定的单频BEFL却难以实现。这是因为混合增益——掺铒光纤增益和布里渊增益——表现出的均匀展宽特性，使得单波长BEFL输出激光运转在单纵模状态，若构成激光器谐振腔的单模光纤太长(数百米)，纵模间隔较小(～kHz)，使得布里渊增益谱(线宽约20MHz)内存在多个激光模式，则单波长BEFL输出存在随机跳模，无法实现稳定的单频BEFL输出。文献“单纵模布里渊掺铒光纤激光器的实验研究”(光学学报，2008，28(9)：1740)通过光纤光栅滤波器、窄带宽的布里渊增益选模作用以及采用多环形腔增加谐振腔的模式间隔三者共同作用实现了多环形腔布里渊掺铒光纤激光器的单模输出，该激光器结构复杂，调节控制不便。

要想实现稳定的单频BEFL输出，莫过于缩短腔长也即采用长度在10米之内的单模光纤，增大纵模间隔(～10MHz)，使得布里渊增益谱内只存在一个激光模式。但短光纤中的布里渊增益较小，容易激发掺铒光纤激光模式，与BEFL激光模式存在竞争，无法形成稳定的BEFL激光输出

发明内容

为解决上述短单模光纤和高布里渊增益的矛盾，本发明提供一种基于布里渊泵浦预放大技术的单频BEFL，旨在提高短光纤的布里渊增益，实现稳定的单频BEFL输出。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，包括窄线宽泵浦激光器、三端口的环形器、可进行双向放大的掺铒光纤放大器、单模光纤、窄带光滤波器和耦合方式为2×2的光纤耦合器，所述的窄线宽泵浦激光器通过光纤连接至环形器的环形器第一端口，环形器的环形器第二端口依次连接掺铒光纤放大器和单模光纤后再连接至光纤耦合器的耦合器第三端口，环形器的环形器第三端口通过窄带光滤波器连接至光纤耦合器的耦合器第一端口，光纤耦合器的耦合器第四端口输出激光。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的单模光纤的布里渊增益谱宽为窄线宽泵浦激光器的线宽10倍以上。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的窄线宽泵浦激光器为半导体激光器或光纤激光器，窄线宽泵浦激光器的波长位于C波段。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的掺铒光纤放大器包括长度大于0米且小于10米的掺铒光纤和连接掺铒光纤的泵浦源。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的掺铒光纤放大器所使用的掺铒光纤还可为铒镱共掺光纤或铒铋共掺光纤。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的掺铒光纤放大器的泵浦方式为采用单一泵浦源的前向泵浦或后向泵浦，或者为采用两个泵浦源的双向泵浦。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的泵浦源为980nm的半导体激光器或1480nm的半导体激光器。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的窄带光滤波器的中心波长与窄线宽泵浦激光器的波长一致。其带宽应以能够覆盖单模光纤中的后向布里渊散射光波长为准，且越窄越好。

所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，所述的光纤耦合器为2×2的耦合方式，其分束比应根据实际应用确定。

所述的单模光纤，其特征参数，如折射率、长度等，可根据应用实际选定。

本发明的技术效果在于，通过采用可进行双向放大的EDFA，并改变EDFA的位置，使EDFA不仅用于布里渊散射光放大，而且通过直接放大布里渊泵浦光来提高了布里渊增益，故极大地提高了EDFA的利用效率，有效地解决了短单模光纤和高布里渊增益的矛盾。同时由于EDFA可直接放大布里渊泵浦光，故本发明仅需不到10米的单模光纤即可实现，不仅可降低光纤使用成本，也大大降低了激光器的腔损，进而极大的增加了BEFL的输出光功率。且本发明结构紧凑、简单，便于封装集成，易于小型化。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中1为窄线宽泵浦激光器，2为环形器，3为掺铒光纤放大器，4为单模光纤，5为窄带光滤波器，6为光纤耦合器，21为环形器第一端口，22为环形器第二端口，23为环形器第三端口，61为耦合器第一端口，62为耦合器第二端口，63为耦合器第三端口，64为耦合器第四端口。

具体实施方式

参见图1，本发明由窄线宽泵浦激光器1、三端口的环形器2、可进行双向放大的掺铒光纤放大器3、单模光纤4、窄带光滤波器5和耦合方式为2×2的光纤耦合器6组成。窄线宽泵浦激光器1的输出光注入环形器2的环形器第一端口21，再经环形器第二端口22注入掺铒光纤放大器3放大后作为布里渊泵浦光注入单模光纤4，在单模光纤4中激发的后向散射光包含与布里渊泵浦光同频的Rayleigh散射光，以及发生移频的布里渊散射光中频率上移的Anti-Stokes光和频率下移的Stokes光。后向散射光经掺铒光纤放大器3放大后，经由环形器2的环形器第二端口22输入到环形器第三端口23，再经窄带光滤波器5滤除掺铒光纤放大器3放大引入的自发辐射噪声，然后经光纤耦合器6的耦合器第一端口61分别输出到耦合器第三端口63和耦合器第四端口64，其中经由耦合器第三端口63的输出光再次进入环形腔顺时针循环，经历布里渊增益和EDFA增益的Stokes光形成激光振荡，最终输出的BEFL激光经由光纤耦合器6的耦合器第四端口输出。光纤耦合器6的耦合器第二端口62输出残余的布里渊泵浦光，耦合器第二端口62可应用于抑制载波。

该布里渊泵浦预放大技术的思想是：

激光器谐振腔内的单模光纤4提供的布里渊增益决定着输出激光的频率也即模式。单模光纤中的布里渊增益可表示为：

$G=\exp \left(g_B\frac{P_0}{A_{\mathrm{eff}}}{L}_{\mathrm{eff}}\right)---\left(1\right)$

其中exp表示e指数，也即自然数的指数，G为布里渊增益，g_B为单模光纤4的布里渊增益系数，P₀为注入单模光纤4的布里渊泵浦光功率，A_eff为单模光纤4纤芯的有效截面积，L_eff是光纤的有效长度，L_eff＝[1-exp(-αL)]/α，L是单模光纤4的长度，α是光纤衰减系数。不同种类普通单模光纤的参数如g_B、A_eff等相差不大，因此通过选择具有较大g_B和较小A_eff的单模光纤不是一种获得高布里渊增益的有效方法。选定单模光纤，也即确定g_B和A_eff之后，要得到较高的布里渊增益G，有两种方法：1)提高布里渊泵浦光功率P₀；2)增加单模光纤长度L。其中增加单模光纤长度意味着增加激光器谐振腔长，减小纵模间隔，增加了布里渊增益谱内存在的激光模式数量，这违背了本发明的初衷。因此，本发明通过提高布里渊泵浦光功率P₀，在仅为数米长的较短的光纤中，实现较高的布里渊增益，进而在短环形腔中实现稳定的BEFL输出。

具体地，本发明单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的工作机理是：

与一般BEFL将掺铒光纤放大器3置于窄带滤波器5和光纤耦合器6的耦合器第一端口61之间不同，本发明将可进行双向放大的掺铒光纤放大器3置于环形器2的环形器第二端口22和单模光纤4之间，在布里渊泵浦光进入单模光纤4之前先经掺铒光纤放大器3放大，也即增大P₀，使得P₀在单模光纤4中激发更大的后向散射光，提高布里渊增益G，进而在较短的光纤中获得较高的布里渊增益。后向散射光包含与布里渊泵浦光同频的Rayleigh散射光，以及发生移频的布里渊散射光中频率上移的Anti-Stokes光和频率下移的Stokes光。当后向散射光沿顺时针方向在激光谐振腔内传输，与布里渊泵浦光相遇在单模光纤4中，其中频率下移的Stokes光和频率上移的Anti-Stokes光与布里渊泵浦光的频率差值满足单模光纤4的布里渊频移，Stokes光经历受激布里渊放大，Anti-Stokes光经历受激布里渊损耗，Rayleigh散射光则只经历了单模光纤4的损耗；然后再次经掺铒光纤放大器3放大后沿顺时针方向在激光腔内振荡，如此循环往复：Stokes光经历单模光纤4的布里渊增益放大和掺铒光纤放大器3增益放大最终形成激光振荡；Rayleigh散射光同时经历掺铒光纤放大器3放大和谐振腔损，增益与损耗相当，最终的结果是Rayleigh光基本保持不变；Anti-Stokes光经历单模光纤4的布里渊损耗和谐振腔损，虽然经历了掺铒光纤放大器3的放大，但是损耗大于增益，最终的结果是Anti-Stokes光被完全抑制。因此，光纤耦合器6的耦合器第四端口64输出光中包含单频的BEFL激光和微弱的Rayleigh散射光。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型，如将腔内的掺铒光纤用铒镱共掺光纤或铒铋共掺光纤代替等。

Claims (8)

1.一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，包括窄线宽泵浦激光器、三端口的环形器、可进行双向放大的掺铒光纤放大器、单模光纤、窄带光滤波器和耦合方式为2×2的光纤耦合器，所述的窄线宽泵浦激光器通过光纤连接至环形器的环形器第一端口，环形器的环形器第二端口依次连接掺铒光纤放大器和单模光纤后再连接至光纤耦合器的耦合器第三端口，环形器的环形器第三端口通过窄带光滤波器连接至光纤耦合器的耦合器第一端口，光纤耦合器的耦合器第四端口输出激光。

2.根据权利要求1所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤的布里渊增益谱宽为窄线宽泵浦激光器的线宽10倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的窄线宽泵浦激光器为半导体激光器或光纤激光器，窄线宽泵浦激光器的波长位于C波段。

4.根据权利要求1所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤放大器包括长度大于0米且小于10米的掺铒光纤和连接掺铒光纤的泵浦源。

5.根据权利要求4所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤放大器所使用的掺铒光纤还可为铒镱共掺光纤或铒铋共掺光纤。

6.根据权利要求4所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤放大器的泵浦方式为采用单一泵浦源的前向泵浦或后向泵浦，或者为采用两个泵浦源的双向泵浦。

7.根据权利要求4所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源为980nm的半导体激光器或1480nm的半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的一种单频超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的窄带光滤波器的中心波长与窄线宽泵浦激光器的波长一致。

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