CN102496843A - 单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器。该光纤激光器包括：一具有N×N的端口的星形耦合器；一光纤有源子腔，其两端分别与星形耦合器其中一个分路的两端连接，形成闭合回路；N-1个光纤无源子腔，每一个光纤无源子腔的两端分别与星形耦合器剩余分路的其中一个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有增益放大单元、选模单元，以及一1×2耦合器；1×2耦合器的输入端和其中一个输出端分别接入其所在闭合回路，另外一个输出端作为光纤激光器的输出端；一种子激光器，其输出端通过种子激光器耦合单元与所述光纤有源子腔连接。本发明结构简单紧凑，调节灵活，能够实现单纵模、窄线宽、高稳定输出。

Description

单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，属于激光技术领域。

背景技术

单频窄线宽光纤激光器具有高时间相干性和低相位噪声特性，在超高精度长距离光纤传感系统、高速光通信系统、相干光通信、激光雷达、微波光子学等民用和军用领域具有广泛的应用。

实现激光器的单纵模输出的关键在于通过模式选择与稳定技术获得激光器的单纵模运转和抑制多模振荡和跳模现象，尤其是对于具有高功率连续波输出光纤激光器，长时间运行的稳定性决定了激光器性能优劣。目前采用的实现单纵模选择的滤波技术主要包括激光腔结构和腔内光纤滤波器选模的方法。前者包括环形腔或者线性腔；后者按照滤波效应分类包括：基于光衍射效应的光纤布拉格光栅滤波器；基于干涉效应的法布里-法布里－珀罗滤波器、多层介质膜滤波器和马赫-曾德干涉滤波器等。滤波器选模能够获得的中心波长滤波光谱宽度普遍大于0.01nm，具有GHz以上频谱宽度，并且激光输出模式取决于腔内光纤器件与滤波器的稳定性，易受环境因素影响。如何在获得达到kHz窄线宽的单纵模输出的同时确保光纤激光器的运行稳定性成为制约光纤激光器性能提升的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，能够实现单纵模、窄线宽、高稳定输出。

本发明的单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，包括：

一星形耦合器，具有N×N的端口，N为大于1的整数；

一光纤有源子腔，其两端分别与所述星形耦合器的其中一个分路的两端连接，形成闭合回路；

N-1个光纤无源子腔，每一个光纤无源子腔的两端分别与所述星形耦合器剩余分路的其中一个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有增益放大单元、选模单元，以及一1×2耦合器；所述1×2耦合器的输入端和其中一个输出端分别接入其所在闭合回路，另外一个输出端作为光纤激光器的输出端；

一种子激光器，其输出端通过种子激光器耦合单元与所述光纤有源子腔连接。

进一步地，除连接有1×2耦合器的光纤无源子腔外，其余的N-2个光纤无源子腔中至少还有一个连接有增益放大单元、选模单元。优选地，所述增益放大单元包含多级放大结构。

优选地，所述种子激光器耦合单元包括光隔离器和光纤环形器；光隔离器的输入端与种子激光器的输出端连接，输出端与光纤环形器的一个端口连接；光纤环形器的另外两个端口分别与分别与所述光纤有源子腔连接。

所述种子激光器优选波长与功率可调谐激光器。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、  采用子腔并联结构，增加了整个激光器谐振腔模式选择的精细度，提高了激光

器输出效率，改善了输出光模式噪声特性。 可以在不同子腔内进行滤波与稳定性控制，增加了激光器输出的稳定性；

2、  有源腔内注入的种子源锁定了激光器输出波长，压缩了激光器频谱宽度，提高

了激光器输出相干性；

3、采用将MHz种子源激光器注入光纤子腔的方法与并联子腔共同作用，压缩了激

光器频谱宽度，提高了激光器输出相干性；

3、  单个子腔内采用多级光放大结构，增加了激光器腔内增益，提高了激光器输出

功率；

5、采用全光纤腔结构，耦合损耗小，结构紧凑，输出效率高，对外界环境干扰免疫力高。

附图说明

图1为本发明单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器的结构原理示意图；

图2为具体实施方式中所述实施例的结构示意图；

图3为种子注入工作频率锁定区域与种子激光器和无源子腔激光波长之间的失谐量的关系示意图；

图4为用光谱仪测得的激光器单纵模连续波输出光谱图；

图5为对种子激光器采用脉冲外调制光方式实现的激光器脉冲输出时域图；

图6为利用延时自外差法测得的本发明激光器连续波单频输出；

图7为本发明光纤激光器长期运行稳定性测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是利用耦合器将一个光纤有源子腔与一个或多个光纤无源子腔并联，从而形成子腔并联的谐振回路，然后通过种子激光器向光纤有源子腔中注入种子光源，从而改善激光输出特性。下面先对本发明的发明原理进行简要说明。

光在多个光纤子腔通过耦合器并联的结构中传输时，不同的光纤子腔内的光可以通过耦合器进行相干叠加作用，从而改善了整个激光腔结构输出光谱特性。N个光纤子腔中的每个子腔形成一个激光器的谐振子回路，且置有增益放大单元，由游标（Vernier）效应可知，所产生的激光波长应满足所有的谐振回路的频率振荡条件，即：

    （1）

其中n为光纤折射率，m_i为任意正整数，c为激光波长，L_i为第i个子腔的长度

由腔长决定的单个光纤子腔的激光谐振频率间隔，即所谓的自由光谱范围（Free spectrum resolution ,FSR）的表达式为：

     

对于N个子腔并联的情况，所有腔长的最大公约长度为L，并且

，其中j为正整数,对应的FSR为：

  

通过增加光纤子腔的并联个数N以及减短任意单个光纤子腔的长度可以增加激光器的FSR，从而增加激光腔内模式间隔，提高激光器输出的模式稳定性，有利于实现单纵模选模。此外，在无源子腔内置入增益单元可以解决Vernier效应中模式滤波响应带通峰值与边模抑制比之间的矛盾，并且提高激光器的输出功率。

本发明的光纤激光器的基本结构如图1所示，可由一个光纤有源子腔和一个或多个光纤无源子腔并联构成。为便于说明，下面仅以最简单的一个光纤有源子腔和一个光纤无源子腔并联为例，来对本发明的技术方案进行详细说明。

该实施例中的光纤激光器，如图2所示，包括：半导体泵浦1；泵浦耦合器2；增益光纤3，用于为子腔提供光功率一级放大；光隔离器4，用于防止后级放大光路的反射光；增益光纤5，用于为子腔提供光功率二级放大；泵浦耦合器6；半导体泵浦7；1×2光耦合器8，其一个输出端用作整个激光器的输出；光隔离器9，用于控制子腔内激光单向传输；2×2光耦合器10；偏振控制器11，用于控制激光腔内偏振态；光滤波器12，用于无源光纤子腔的粗选模；种子激光器13；光隔离器14；光纤环形器15。

半导体泵浦1的输出端与泵浦耦合器2的短波长输入端连接，泵浦耦合器2的输出端依次通过增益光纤3、光隔离器4、增益光纤5与泵浦耦合器6的长波长输入端连接，泵浦耦合器6的短波长输入端与半导体泵浦7的输入端连接，泵浦耦合器6的输出端依次通过光耦合器8的输入端、光隔离器9、2×2耦合器10、偏振控制器11、光滤波器12与泵浦耦合器2的长波长输入端连接，光耦合器8的一个输出端作为激光器输出端；种子激光器13的输出端通过光隔离器14与光纤环形器15的输入端相连；光纤环形器15的另一个输入端和输出端与2×2耦合器10的输入端和输出端分别相连。激光腔通过2×2耦合器形成两个环腔并联的结构，其中一个子腔为光纤有源子腔，用于注入种子光；另外一个子腔为光纤无源子腔，用于为整个激光器提供增益、粗选模以及激光器的耦合输出。

其中半导体泵浦1优选单模980nm半导体泵浦，半导体泵浦7优选多模半导体泵浦，增益光纤3优选单模掺铒光纤，增益光纤5优选双包层掺稀土光纤，种子激光器13优选波长与功率可调谐DFB激光器。

通过单点有源注入方法实现激光器的频率锁定与线宽压缩过程如下：

种子激光通过光纤环形器进入有源光纤子腔内，其功率与波长可调节，通过如图2中的2×2耦合器与无源子腔内激光进行互作用。无源子腔内激光强度取决于两级增益的总和，其典型值为30-40 dB。种子光源的波长与无源激光子腔激光波长分为非失谐和失谐两种情况，前者是通过无源子腔内的粗选模单元，即滤波器单元，中心波长位于种子激光器附近，使得有源腔与无源腔内谐振波长基本相同，后者则是向腔内注入波长不同于无源激光子腔的种子激光。种子激光器进入有源子腔内，通过耦合器与其他子腔内的激光进行互作用。对典型光注入（OIL）速率方程求稳态解可以得到：

    

其中

为注入激光与腔内无注入激光的频率差值，

为二者互作用的耦合系数，

为二者的光强比值，

为无注入时腔内谐振相位因子，当注入激光与腔内无注入激光的谐振波长相同时，

为0。由该式表征的激光器的种子注入工作频率锁定区域与种子激光器和无源子腔激光波长之间的失谐量的关系如图3所示，其中注入强度为种子激光器功率与无源腔内激光功率的比值，以dB为单位，频率失谐量取为种子激光频率的归一化，正数范围表示种子激光器大于无源激光输出频率，负数相反。当无源腔内增益较大，而种子激光功率较小时，得到激光器的频率锁定运行需要将种子激光器的波长与无源激光输出波长调节为一致，这可以通过无源光纤子腔的选模单元实现。

本发明的光纤激光器在光纤无源子腔中接入选模单元，例如薄膜滤波器、法布里-珀罗和光纤光栅等滤波器，除了实现无源光纤子腔的粗选模，还用于避免种子激光器与无源子腔内激光的频率失谐，使得激光器运行与锁定区域，从而得到频率锁定的位于种子激光器波长附近的激光输出。

图4为用光谱仪测得的本发明激光器单纵模连续波输出光谱图；图5为对种子激光器采用脉冲外调制光方式实现的激光器脉冲输出时域图，其中脉冲的宽度与重复频率取决于对种子激光器采用的脉冲调制方式；图6为利用延时自外差法测得的本发明激光器连续波单频输出，采用的MHz线宽的DFB激光器为种子源激光器时获得的激光器线宽为21kHz；本发明激光器的长期运行稳定性测试结果如图7所示，其2小时运行期间，激光输出功率与波长变化为0.1dB和0.01nm，在保证窄线宽输出的同时，确保了激光器运行的稳定性。

Claims (9)

1.一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括：

一星形耦合器，具有N×N的端口，N为大于1的整数；

一光纤有源子腔，其两端分别与所述星形耦合器的其中一个分路的两端连接，形成闭合回路；

N-1个光纤无源子腔，每一个光纤无源子腔的两端分别与所述星形耦合器剩余分路的其中一个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有增益放大单元、选模单元，以及一1×2耦合器；所述1×2耦合器的输入端和其中一个输出端分别接入其所在闭合回路，另外一个输出端作为光纤激光器的输出端；

一种子激光器，其输出端通过种子激光器耦合单元与所述光纤有源子腔连接。

2.如权利要求1所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，除连接有1×2耦合器的光纤无源子腔外，其余的N-2个光纤无源子腔中至少还有一个连接有增益放大单元、选模单元。

3.如权利要求1或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述增益放大单元包含多级放大结构。

4.如权利要求3所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述增益放大单元包括第一泵浦、第二泵浦、第一增益光纤、第二增益光纤、第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、光隔离器；第一泵浦的输出端与第一泵浦耦合器的短波长输入端连接，第一泵浦耦合器的输出端依次通过第一增益光纤、光隔离器、第二增益光纤与第二泵浦耦合器的长波长输入端连接，第二泵浦耦合器的短波长输入端与第二泵浦的输入端连接，第二泵浦耦合器的输出端通过所述星形耦合器与第一泵浦耦合器的长波长输入端连接。

5.如权利要求4所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，

所述第一泵浦为单模980nm半导体泵浦，所述第二泵浦为多模半导体泵浦。

6.如权利要求4所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，

所述第一增益光纤为单模掺铒光纤，所述第二增益光纤为双包层掺稀土光纤。

7.如权利要求1或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述种子激光器耦合单元包括光隔离器和光纤环形器；光隔离器的输入端与种子激光器的输出端连接，输出端与光纤环形器的一个端口连接；光纤环形器的另外两个端口分别与分别与所述光纤有源子腔连接。

8.如权利要求1或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述种子激光器为波长与功率可调谐激光器。

9.如权利要求1或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述选模单元为薄膜滤波器、法布里-珀罗滤波器或光纤光栅滤波器。

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