CN102361211A

CN102361211A - 基于微腔控制反馈效应的光纤激光器

Info

Publication number: CN102361211A
Application number: CN 201110301890
Authority: CN
Inventors: 张建中; 赵衍双; 李保勇; 刘亚南; 孙伟民
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明的目的在于提供基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，包括泵浦光源、波分复用器、光纤激光器、光隔离器、发馈控制部分、1×2光纤耦合器、光检测器，泵浦光源通过波分复用器连接光纤激光器，光纤激光器连接反馈控制部分，反馈控制部分连接光隔离器，光纤激光器还通过1×2光纤耦合器连接光检测器；所述的反馈控制部分包括第一倾角光纤、第二倾角光纤、球形微腔，球形微腔位于第一倾角光纤和第二倾角光纤之间。本发明反馈激光的强度和相位是由倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数控制的，不仅结构简单方便，体积紧凑，而且反馈激光强度和相位的可调范围很大，因此该激光器具有输出激光可调范围大的优点。

Description

基于微腔控制反馈效应的光纤激光器

技术领域

本发明涉及的是一种调谐激光的激光器。

背景技术

光学微谐振腔是指尺寸在5-500μm级的光学介电微球谐振器，通常使用的介电材料是二氧化硅等光学玻璃。光线在微球内表面可以连续全内反射，从而约束在球内并沿球的大圆绕行，形成所谓回音壁模式(Whispering GalleryModes，简称WGM模式)。1989年，Branginsky等人首次使用熔融二氧化硅介质的微球，通过棱镜的近场耦合，在微球内直接激发了WGM模式，推动了球形微腔研究与应用的发展。之后耦合理论得到了较大发展，并且产生了各种耦合器件，包括侧抛光纤(fiber half-block)，倾角光纤(hybrid fiber-prism)、带状抗谐振反射光波导(pedestal antiresonant reflecting waveguides)和熔锥光纤(tapered fiber)。在此基础上，球形微腔在许多领域得到应用。2001年Juha-Pekka Laine，Charles Tapalian，Bret Little，Hermann Hausd等人在论文“Acceleration sensor based on hige-Q optical microsphere resonatorand pedestal antiresonant reflecting waveguide coupler”中使用新型波导SPARROW与微球耦合，实现了高灵敏度加速度探测器。

为了控制反馈激光的强度和相位，人们提出了许多方法，其中传统的方式主要有：通过控制反射面反射率的大小，控制反馈激光的强度；通过控制反馈激光传输的长度，控制反馈激光的相位。1999年10月，Atsushi Uchida，Takahiro Sato，Takeshi Ogawa，and Fumihiko Kannari等人在论文“Characteristics of Transients Among Periodic Attractors Controlled byHigh-Frequency Injection in a Chaotic Laser Diode”中使用反射镜调节反馈激光的强度和相位。这种方法的缺点在于，对反馈激光的光路校准困难，造成操作不够简便，紧凑性差。这里我们将介绍一种使用球形微腔控制反馈激光的方法，利用两根倾角光纤分别作为球形微腔激发的耦合输入、输出设备，通过调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或改变球形微腔的折射率，控制倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数，实现对反馈激光强度和相位的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供产生和控制连续激光、脉冲激光以及混沌激光的基于微腔控制反馈效应的光纤激光器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，其特征是：包括泵浦光源、波分复用器、光纤激光器、光隔离器、发馈控制部分、1×2光纤耦合器、光检测器，泵浦光源通过波分复用器连接光纤激光器，光纤激光器连接反馈控制部分，反馈控制部分连接光隔离器，光纤激光器还通过1×2光纤耦合器连接光检测器；所述的反馈控制部分包括第一倾角光纤、第二倾角光纤、球形微腔，球形微腔位于第一倾角光纤和第二倾角光纤之间。

本发明还可以包括：

1、所述的第一倾角光纤与第二倾角光纤与球形微腔之间的距离可调。

2、所述的光纤激光器为DBR/DFB光纤激光器。

3、所述的光纤激光器包括掺杂光纤和熔接掺杂光纤两端的两个Bragg波长相同的光纤光栅。

本发明的优势在于：本发明提供的一种基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，由于该光纤激光器反馈激光的强度和相位是由倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数控制的，不仅结构简单方便，体积紧凑，而且反馈激光强度和相位的可调范围很大，因此该激光器具有输出激光可调范围大的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的反馈激光控制部分结构示意图；

图3为本发明的DBR光纤激光器结构示意图；

图4为输出连续激光的时域谱图；

图5为输出脉冲激光时域谱和频域谱；

图6为输出混沌激光时域谱和频域谱。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明所述的基于微腔控制反馈效应的光纤激光器包括泵浦光源、1×2光纤耦合器、波分复用器、DBR/DFB光纤激光器、倾角光纤、球形微腔、光隔离器、光检测器等部分。其特征在于利用控制光反馈的方式实现激光的可调谐，产生和控制连续激光、脉冲激光以及混沌激光。泵浦光通过波分复用器进入DBR/DFB光纤激光器激发激光，利用光隔离器使激光在环形光路中沿逆时针方向传输，激光通过倾角光纤耦合进入到球形微腔并通过球形微腔耦合进入到另外一端倾角光纤，反馈到DBR/DFB光纤激光器并影响该激光器的激光输出，最终输出激光通过1×2光纤耦合器进入光检测器。

通过调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或改变球形微腔的折射率，控制倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数，使得反馈激光的强度和相位发生变化，进而影响DBR/DFB光纤激光器的激光输出，实现输出激光的可调谐，产生和控制连续激光、脉冲激光以及混沌激光。

DBR/DFB光纤激光器的输出激光经倾角光纤-球形微腔-倾角光纤后由环形光路反馈回DBR/DFB光纤激光器。

图1中选用的光纤激光器为DBR/DFB光纤激光器。这里是以DBR光纤激光器为例，如图3所示。DBR光纤激光器由两个Bragg波长相同的光纤光栅3a、3c熔接在掺杂光纤3b两端构成，两个光纤光栅作为反射镜，中间的掺杂光纤作为增益介质，当泵浦光进入谐振腔后，将掺杂离子从下能级抽运到上能级，形成粒子数反转，受激辐射超过自发辐射，再经过光纤光栅的选频，产生布拉格波长附近的激光。

如图2所示，图2为本发明中反馈激光控制部分结构示意图。该部分包括两根倾角光纤5a、5c和一个球形微腔5b组成，倾角光纤5a、5c采用标准单模光纤(G652)。球形微腔使用的材料为二氧化硅。

如图1所示，图1为本发明基于微腔控制反馈效应的光纤激光器结构示意图。泵浦光1通过波分复用器2进入DBR/DFB光纤激光器3激发激光，利用光隔离4器使激光在环形光路中沿逆时针方向传输，激光通过倾角光纤5a传输进入到球形微腔5b并通过球形微腔5b耦合进入到另外一端倾角光纤5c，通过调节倾角光纤5a、5c与球形微腔5b之间的距离，控制倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数，使得反馈到DBR/DFB光纤激光器3中的激光强度和相位发生变化，影响该激光器的激光输出，最终输出激光通过1×2光纤耦合器6进入光检测器7进行检测，实现了输出激光的可调谐，产生和控制了连续激光、脉冲激光以及混沌激光。

通过调节球形微腔5b的折射率，控制球形微腔5b与倾角光纤5a、5c之间的耦合系数，使得反馈激光的强度和相位发生变化，从而影响DBR/DFB光纤激光器3的激光输出，实现输出激光的可调谐，产生和控制连续激光、脉冲激光以及混沌激光。

本发明实现激光可调谐和混沌激光的产生和控制的过程和原理是：泵浦光通过波分复用器进入DBR/DFB光纤激光器激发激光，利用光隔离器使激光在环形光路中沿逆时针方向传输，激光通过倾角光纤与球形微腔的相互耦合，通过光路反馈到DBR/DFB光纤激光器并影响该激光器的激光输出，通过调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或球形微腔的折射率，控制倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数，使反馈激光的强度和相位连续变化，实现输出激光可调谐，产生和控制连续激光、脉冲激光以及混沌激光。

为了使耦合效率达到最大，倾角光纤与球形微腔之间的角度应满足

Ф＝arcsin(n_sphere/n_fiber)

式中n_spphere为回音壁模式方位角传播方向上的有效折射率，n_fiber为光纤中波导的有效折射率。

1999年加州理工学院利用两根倾角光纤分别作为球形微腔激发的耦合输入、输出设备并分析了全反射所需的角度匹配关系和微球腔与光纤相位匹配关系，以及耦合效率受光纤倾角和微球半径之间的匹配关系的影响。实验证明单根倾角光纤的耦合效率60％，两根倾角光纤的耦合效率为23.5％。

系统共振时输出功率特性的表达式为

{(\frac{E_{out}}{E_{in}})}^{2} = {(\frac{{2 t}^{2}}{k_{0} n_{s}} Q)}^{2}

其中Q为耦合系统的品质因数：n_s为球形微腔的折射率，α为衰减系数，t为实振幅耦合系数，L＝2πa，a为球形微腔的半径，k₀为真空中的波矢。

从以上的公式可以得知，通过调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或球形微腔的折射率，控制倾角光纤与球形微腔之间的耦合系数，使得反馈激光的强度和相位连续变化，通过实验验证了该方案的可行性，调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或球形微腔的折射率，观察到该激光器输出连续激光如图4示，图4中的上图所示为输出连续激光的时域谱图，下图为输出连续激光的频域谱图。继续调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或球形微腔的折射率，可以观察到输出脉冲激光时域谱和频域谱如图5示，输出混沌激光时域谱和频域谱如图6示。因此通过调节倾角光纤与球形微腔之间的距离或球形微腔的折射率，实现了输出激光的可调谐，产生和控制了连续激光、脉冲激光以及混沌激光。

Claims

1.基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，其特征是：包括泵浦光源、波分复用器、光纤激光器、光隔离器、发馈控制部分、1×2光纤耦合器、光检测器，泵浦光源通过波分复用器连接光纤激光器，光纤激光器连接反馈控制部分，反馈控制部分连接光隔离器，光纤激光器还通过1×2光纤耦合器连接光检测器；所述的反馈控制部分包括第一倾角光纤、第二倾角光纤、球形微腔，球形微腔位于第一倾角光纤和第二倾角光纤之间。

2.根据权利要求1所述的基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，其特征是：所述的第一倾角光纤与第二倾角光纤与球形微腔之间的距离可调。

3.根据权利要求1或2所述的基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，其特征是：所述的光纤激光器为DBR/DFB光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的基于微腔控制反馈效应的光纤激光器，其特征是：所述的光纤激光器包括掺杂光纤和熔接掺杂光纤两端的两个Bragg波长相同的光纤光栅。