CN102570256B - 单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法及布里渊激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易于实施的，以及能够输出稳定的单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光产生方法及布里渊激光器。该方法在使用一个光学无源谐振腔和一个置于光学无源谐振腔外部的掺饵光纤放大器构成的布里渊激光器，通过将光学谐振腔中产生的布里渊斯托克斯光再反馈回掺铒光纤放大器进而获得单纵模、多波长、宽带可调谐布里渊激光。该布里渊激光器包括置于光学无源谐振腔外部的掺饵光纤放大器，通过光纤耦合器与掺饵光纤放大器相连接的可调谐激光器，连接于掺饵光纤放大器输出端的光学无源谐振腔，同时所述光学无源谐振腔经光纤耦合器与掺饵光纤放大器的输入端相连接。

Description

单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法及布里渊激光器

技术领域

本发明涉及的是光纤激光器技术领域，具体是一种单纵模、多波长、宽带可调谐布里渊激光的发生方法及其布里渊激光器。

背景技术

布里渊激光器以其具有的退噪声，线宽窄化及高稳定性质获得了广范的应用；比如说在测量，传感，微波产生，光通信等领域都有基础性作用。

以往的布里渊激光器基本上是在有源腔的条件下产生的，激光光束质量受到限制。比如说较长（腔长超过20米）的有源腔的布里渊激光器难以产生单纵模；而较短腔长（腔长小于20米）的有源腔布里渊激光器可以产生单纵模输出，但由于有源腔中自发辐射的影响激光信噪比降低。更主要的是有源腔光纤布里渊激光器只有二到三个纳米的波长可调范围，这严重限制了它的广泛应用。

根据文献调研，S.W.Harun等在2009年一月报道了一篇简便的基于有源腔的制造布里渊激光器的文献。 W.Guang等在2009年十月报道了一篇功率高达一瓦，单纵模输出高性能光纤布里渊激光器。然而，有源腔的缺点是其输出激光中中心波长受到腔内自由振荡腔模的限制，而且，这些较高质量的布里渊激光器只能单个波长输出。如果想获得多波长高质量的布里渊激光器就要使用级联的方法。上海交通大学刘等人在2011年8月的一篇文献中报道了无源腔级联的方法的相关结果，并用无源腔级联得到的多级布里渊拍频获得了高质量的微波信号。然而，使用级联腔的方法毕竟是一项系统比较庞大的工作。如果想获得多级布里渊光（比如说超过5级），这时候系统将会变的体积庞大且价格昂贵。级联方法获得的多波长布里渊激光器显然不利于集成化和产业化。

多波长布里渊激光器在简单腔中产生的方法很早就有报道。比如，G.J.Cowle等早在1996年就提出了在有源腔中加入反S型结构提供反馈的方法获得了五级的布里渊光输出。而宋跃江等在2005年的文献中介绍的自注入布里渊激光器中更产生了上百级的布里渊光。然而，以往多波长布里渊激光器只能在很长的腔长中产生（一般是百米量级以上），而且常常借助在腔内增益介质提供的增益来克服布里渊效应的阈值。长腔导致的多纵模及增益介质导致的低信噪比使这类多波长激光器很少获得实用。

因此，使用新方法和相应结构的布里渊激光器获得多波长、单个纵模的布里渊激光是当前研究布里渊激光器的一个热点，能在获得多波长、单纵模布里渊光的前提下，使激光器的输出波长可以在几十个纳米的范围内可以调节更使该激光器的实用价值获得提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单纵模多波长带可调谐布里渊激光发生方法及布里渊激光器。该方法简单，易于实施；该布里渊激光器结构简单，成本低廉，输出激光稳定，单纵模，线宽窄，波长数量多和宽带可调谐；且能够较方便地移植到其他任意波长（段）产生相应的高阶布里渊光。

本发明的单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法是使用包括一个光学无源谐振腔和一个置于所述光学无源谐振腔外部、其输出端通过环形器与所述光学无源谐振腔相连接的掺杂光纤放大器，同时将所述光学无源谐振腔与掺杂光纤放大器的输入端通过相应的光耦器件相连接构成一以掺杂光纤放大器与无源腔分开、腔内只实现布里渊激光振荡、布里渊泵浦光放大机制放在腔外的、具有反馈回路的布里渊激光器，将利用来自光源信号经掺杂光纤放大器放大输出到达光学无源谐振腔的泵浦光发生受激布里渊散射效应获得的斯托克斯光返馈回掺杂光纤放大器的输入端，进而获得布里渊多波长激光。

使布里渊激光器的自由频谱宽度与布里渊增益谱谱宽相适应，通过改变调谐光源的波长实现多波长的宽带可调谐；并且，通过改变调谐光源的波段以及与此波段相适应的掺杂光纤放大器，以在任意波段产生相应的多波长布里渊激光。

采用包括环形器的第2和第3端口，耦合器，以及单模光纤SM28构成的无源布里渊激光谐振腔，并且采用宽带的TLS作为泵浦光调谐以实现宽带可调谐多波长的输出，在谐振腔外采用反馈，放大机制由相应的耦合器的相应的端口出射的布里渊斯托克斯光经该耦合器的另一相应端口反馈进掺杂光纤放大器进行放大，再次进入谐振腔作为下一阶斯托克斯光的泵浦；只要超过布里渊阈值就会产生下一阶布里渊激光；通过选择谐振腔的腔长即单模光纤的长度，其产生的自由光谱范围FSR与布里渊增益谱相仿，即实现各级布里渊激光都是单纵模；由于任何波段的泵浦光都可以产生布里渊散射，只要改变构成本发明的布里渊激光器的相关波段的器件，即可在对应的波段上获得相应波段的多波长布里渊激光。

本发明的布里渊激光器，包括一个光学谐振腔、和一个掺杂光纤放大器、以及相应的可调谐光源，所述光学谐振腔为一置于所述掺杂光纤放大器外部的光学无源谐振腔，所述可调谐光源经一光纤耦合器与所述掺杂光纤放大器的输入端相连接，所述掺杂光纤放大器与光学无源谐振腔相连接，所述光学无源谐振腔同时通过相应的光纤环形器和/或光纤耦合器连接于掺杂光纤放大器的输入端。

所述光学无源谐振腔包括单模光纤，所述可调谐激光源与第一三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或一双端口端的一个端口相连接，第一三端口或四端口光纤耦合器的单端口或另一双端口端的一个端口与所述掺杂光纤放大器输入端相连接，掺杂光纤放大器的输出端与一光纤环形器的第一端口相连接，所述光纤环形器的第二和第三端口分别对应与所述单模光纤的一端、和第二三端口或四端口光纤耦合器的单端口或一双端口端的一个端口相连接，所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端、或另一双端口端的一个端口与所述第一三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或另一双端口端的另一个端口相连接。

所述单模光纤其另一端与所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或另一双端口端的另一端口相连接、或通过一光纤偏振控制器与所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或另一双端口端的另一端口相连接。

所述第一四端口光纤耦合器另一双端口端的另一个端口与一光谱仪相连接，所述第二四端口光纤耦合器一双端口端的另一端口与一光电探测器相连接，所述光电探测器输出端与一频谙仪相连接。

所述第二三端口或四端口光纤耦合器传输至掺杂光纤放大器输入端的斯托克斯光功率为其输入功率的5-30%。

所述单模光纤6的长度为10.3米、其自由频谱宽度（FSR）为19.8MHz、与布里渊增益谱的谱宽相当。

所述可调谐光源为可调谐激光器，所述掺杂光纤放大器为掺饵光纤放大器。

本发明充分利用布里渊增益谱窄带的特征，利用10米左右长的光纤作为谐振腔的长度就可以实现布里渊单纵模激光的输出；

利用布里渊激光与泵浦光相比具有线宽窄化和退噪声的特征，从而可获得高质量低噪声的布里渊激光；

采用掺杂光纤放大器与布里渊激光腔分离，受激布里渊光发生在无源腔内，布里渊泵浦光及其放大装置放在无源谐振腔外。掺杂光纤放大器只是提供均匀增益将前级布里渊斯托克斯光（Stokes）反馈放大作为下一级布里渊斯托克斯光的泵浦，多次循环反复产生多级布里渊激光。由于宽带均匀增益介质（掺杂光纤）与布里渊增益的非均匀增益介质（无源腔中的光纤）分开从而提高了各级布里渊激光的质量；

由于使用无源腔，没有自由振荡腔频的存在也即不受自由腔频的限制；只要通过调节泵浦光的波长就可获得不同波段布里渊多波长激光输出，实现了宽带可调谐的功能。

附图说明

图1为本发明布里渊激光器结构示意图。

图2(a)和图2(b)分别为布里渊激光器的TLS调制到1550nm附近和1570nm附近从50:50第一光纤耦合器的port4端口输出的多波长光谱图。图3（a）和图3（b）为分别使用两种分辨率测量装置采用延迟线自拍法从布里渊激光器的5:95的第二四端光纤耦合器的5％的输出端（即port3端口）测量得到的一阶斯托克斯（Stokes）的线宽（5kHz）图。图4为探测到的布里渊激光器的布里渊泵浦与一阶斯托克斯的光谱图。

具有实施方式

现通过实施例并结合附图对发明作进一步说明：

本发明的单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法是只使用一个光学无源谐振腔和一个置于所述光学无源谐振腔（或光学谐振腔）外部、其输出端与所述无源谐振腔通过环形器相连接的掺饵光纤放大器，采用掺饵光纤放大器与光学无源谐振腔分开，无源谐振腔内只实现布里渊激光振荡，布里渊泵浦光放大机制放在谐振腔外，掺饵光纤放大器的输入端经光纤耦合器连接可调谐激光器（光源），并同时通过相应的光纤耦合器将所述光学无源谐振腔与掺饵光纤放大器的输入端相连接，构成一反馈式的布里渊激光器；

将利用来自可调谐激光器并经掺饵光纤放大器放大输出到达光学无源谐振腔的泵浦光发生受激布里渊散射效应获得的斯托克斯光全部或部分循环返馈回掺饵光纤放大器的输入端，进而获得布里渊多波长激光。

无源谐振腔内只要适当选择光纤长度（如10米左右）与布里渊增益带宽（如20M左右）相仿就可获得单纵模布里渊激光，光学无源谐振腔内出射的布里渊斯托克斯光反馈回掺饵光纤放大器，放大后作为光学无源谐振腔内下一级布里渊斯托克斯光的泵浦光，循环反复以此产生布里渊多波长激光。

另外，本方法还可通过改变调谐激光器（TLS）的波长实现多波长的宽带可调谐。

并且，可通过改变可调谐激光器（TLS）的波段以及与此波段相适应的掺饵光纤放大器，以在任意波段产生相应的多波长布里渊激光。

本发明的布里渊激光器如图1所示，光学无源谐振腔包括单模光纤6、第二四端口光纤耦合器7的Port4端口和Port1端口、以及光纤环形器5的端口2和端口3等构成；可调谐激光器1与第一四端口光纤耦合器2的双端口端的Port1端口相连接，第一四端口光纤耦合器2的另一双端口端的Port3端口与掺饵光纤放大器4输入端相连接，掺饵光纤放大器4的输出端与光纤环形器5的第1端口相连接，光纤环形器5的第2和第3端口分别对应与单模光纤6的一端和第二四端口光纤耦合器7的一双端口端的Port1端口相连接，第二四端口光纤耦合器7的另一双端口端的Port3端口与第一四端口光纤耦合器2的另一双端口端的Port2端口相连接，第二四端口光纤耦合器7的另一双端口端的Port4端口与单模光纤6的另一端相连接，第一四端口光纤耦合器2的另一双端口端的Port4端口与光谱仪3相连接。

其中可调谐激光器（TLS）1作为泵浦信号源，该泵浦信号经第一四端口光纤耦合器2的Port1端口进入并自其Port3端口输出到达掺饵光纤放大器4的输入端，由掺饵光纤放大器4进行功率放大，放大后的泵浦光从光纤环形器5第1端口入、再自光纤环形器5的第2端口注入单模光纤6；一旦掺饵光纤放大器4放大后的泵浦光功率超过单模光纤6的布里渊阈值，其发生受激布里渊散射效应产生的反向运行的布里渊斯托克斯光就能在谐振腔内形成振荡，即产生一个比泵浦光频率下移一阶布里渊斯托克斯光，此阶布里渊斯托克斯光经第二四端口光纤耦合器7的5％的输出端（即port3端口）输出反馈回第一四端口光纤耦合器2的Port2端口，又经掺饵光纤放大器4放大后送入到光学无源谐振腔作为下一阶布里渊斯托克斯光的泵浦光以产生下一阶布里渊斯托克斯光，循环反复就可获得多阶布里渊多波长激光。

由于泵浦每一阶布里渊斯托克斯光都需要一定的阈值功率，因此得到的多波长布里渊斯托克斯光阶数受限于掺杂光纤放大器的最大输出功率。布里渊泵浦光以及相应的斯托克斯光的传输方向如图1中的箭头所示。

通过改变可调谐激光器（TLS）的波长实现多波长的宽带可调谐；并且，可通过改变可调谐激光器（TLS）的波段以及与此波段相适应的掺杂光纤放大器，以在任意波段产生相应的多波长布里渊激光。

本实施例能获得七阶布里渊斯托克斯光，每阶布里渊斯托克斯光频率关系为：

f_N= f₀- NV_B （1）

其中f₀为布里渊泵浦光信号光的频率，V_B为单模光纤的布里渊频移，N为布里渊斯托克斯光的阶数，为正整数。更高阶的斯托克斯光的频率依次递减，其中：

V_B=2nV_A/λ_p （2）

式(2)中λ_p为布里渊泵浦信号光的波长（即TSL的波长）, V_A为声子声速，n为光纤折射率。

本实施例中单模光纤（SMF28）六的长度均为10.3米，即谐振腔的长度为10米左右；其自由频谱宽度（FSR）为19.3MHz与布里渊增益谱的谱宽（20MHz）相仿；因此腔内出射的布里渊激光均为单纵模，如图3（a）或图3（b）所示，我们在30MHz扫描范围内没有观察到多纵模，模式相当稳定无跳模现象，并且我们用延迟线自拍法测量得到的线宽小于5kHz；测量的结果受限于我们的测量方法与使用的仪器分辨率；将来换更精确的方法测量应该会得到更窄的线宽。

本实施例第一四端口光纤耦合器2的耦合比为50/50，第二四端口光纤耦器7的耦合比5/95（亦可为10/90）；布里渊激光器工作时，将可调谐激光器1的输出信号光功率调到最大（10mW），经掺铒光纤放大器4放大后功率为106mW时，达到单模光纤6（光学谐振腔）的布里渊阈值,获得的第一级布里渊激光再经掺铒光纤放大器4放大后达到第二级布里渊阈值,根据这一原理，最后获得多阶布里渊激光输出，所得光谱图如图2（a）、（b）所示，光谱仪的分辨率是0.02nm。

因布里渊谐振腔是无源的，不受有源腔的自由腔频的限制，因此可实现宽范围波长调谐； 本实施例中多波长布里渊激光的调谐范围为20nm，此调谐范围受限于掺杂光纤放大器的波长放大范围，若用更优的宽带掺杂光纤放大器将获得更大调谐范围。

由于布里渊谐振腔是无源的，它产生的布里渊激光与泵浦光相比有明显的线宽窄化和噪声减弱效应，因而提高了各级布里渊激光的质量，这对多波长布里渊激光的应用极有好处。我们测量了一阶布里渊光与泵浦光的光谱图如图4所示，由图4表明布里渊激光对于泵浦光有很强的退噪声特点，信噪比提高了约20dB。

本发明的多波长布里渊光纤激光器并不限于本实施例中的波段，而提供了一个在任意波长（波段）产生相应高阶布里渊激光的方案；即在其它波段都是成立的。由于布里渊频移是固定的,布里渊激光的频率受泵浦光频率的控制(即上述实施例中TLS的频率)，只要调整泵浦光源波段，同时替换相应波段的掺杂光纤放大器就能构成相应波段的多波长布里渊激光器。比如说工作在1064nm这个波段，只要将TLS泵浦源以及光纤放大器替换成1064nm波段，在整个实施方案中实验方法没有任何改变，只是所的相关光器件的工作波长作了改变。由于各种不同波段的光源和光纤光放大器的不断涌现，有理由认为本发明的结构会在其他的波段上获得应用。

Claims (10)

1.一种单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法，使用包括一个光学无源谐振腔和一个置于所述光学无源谐振腔外部、其输出端通过光纤环形器与所述光学无源谐振腔相连接的掺杂光纤放大器，同时将所述光学无源谐振腔与掺杂光纤放大器的输入端通过相应的光耦器件相连接构成一以掺杂光纤放大器与光学无源谐振腔分开、腔内只实现布里渊激光振荡、布里渊泵浦光放大机制放在腔外的、具有反馈回路的布里渊激光器，所述光耦器件包括相应的光纤耦合器，其特征是所述光学无源谐振腔其单模光纤自其两端分别连接于所述光纤环形器的一端口与一相应的光纤耦合器的一端口之间，该相应的光纤耦合器经另一光纤耦合器连接于所述掺杂光纤放大器的输入端，所述光学无源谐振腔的与光纤环形器相连接的一端出射的相应一阶Stokes光、通过相应的光纤耦合器输出至掺杂光纤放大器后再次送入所述光学无源谐振腔作为其下一阶Stokes光的泵浦光，如此反复循环在同一光学无源谐振腔和掺杂光纤放大器构成布里渊激光器输出获得包含奇数阶和偶数阶的多阶布里渊多波长激光。

2.根据权利要求1所述单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法，其特征是使布里渊激光器的自由频谱宽度与布里渊增益谱谱宽相适应，通过改变调谐光源的波长实现多波长的宽带可调谐；并且，通过改变调谐光源的波段以及与此波段相适应的掺杂光纤放大器，以在任意波段产生相应的多波长布里渊激光。

3.根据权利要求1所述的单纵模多波长宽带可调谐布里渊激光发生方法，其特征是采用包括光纤环形器的第2和第3端口，相应的光纤耦合器，以及单模光纤SM28构成的光学无源谐振腔，并且采用宽带的TLS作为泵浦光调谐以实现宽带可调谐多波长的输出，在光学谐振腔外采用反馈，放大机制由相应的光纤耦合器的另一端口出射的布里渊斯托克斯光经另一光纤耦合器的相应端口反馈进掺杂光纤放大器进行放大，再次进入光学谐振腔作为下一阶斯托克斯光的泵浦；只要超过布里渊阈值就会产生下一阶布里渊激光；通过选择光学谐振腔的腔长即单模光纤的长度，其产生的自由光谱范围FSR与布里渊增益谱相仿，即实现各级布里渊激光都是单纵模；由于任何波段的泵浦光都可以产生布里渊散射，只要改变构成的布里渊激光器的相关波段的器件，即可在对应的波段上获得相应波段的多波长布里渊激光。

4.一种布里渊激光器，包括一个光学谐振腔、和一个掺杂光纤放大器、以及相应的可调谐光源，所述光学谐振腔为一置于所述掺杂光纤放大器外部的光学无源谐振腔，所述可调谐光源经第一光纤耦合器与所述掺杂光纤放大器的输入端相连接，所述掺杂光纤放大器与光学无源谐振腔相连接，所述光学无源谐振腔同时通过第一光纤耦合器与第二光纤耦合器和光纤环形器连接于掺杂光纤放大器的输入端，即所述光学无源谐振腔其单模光纤自其两端分别连接于第二光纤耦合器的相应一端口与所述光纤环形器的相应一端口，该第二光纤耦合器的另一端通过第一光纤耦合器连接于所述掺杂光纤放大器的输入端，其特征是所述光学无源谐振腔的与光纤环形器相连接的一端出射的相应一阶Stokes光、通过第二光纤耦合器输出至掺杂光纤放大器后再次送入所述光学无源谐振腔作为其下一阶Stokes光的泵浦光，如此反复循环在同一光学无源谐振腔和掺杂光纤放大器构成布里渊激光器输出获得包含奇数阶和偶数阶的多阶布里渊多波长激光。

5.根据权利要求4所述布里渊激光器，其特征是所述光学无源谐振腔包括单模光纤，所述可调谐光源与第一三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或一双端口端的一个端口相连接，第一三端口或四端口光纤耦合器的单端口或另一双端口端的一个端口与所述掺杂光纤放大器输入端相连接，掺杂光纤放大器的输出端与一光纤环形器的第一端口相连接，所述光纤环形器的第二和第三端口分别对应与所述单模光纤的一端、和第二三端口或四端口光纤耦合器的单端口或一双端口端的一个端口相连接，所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端、或另一双端口端的一个端口与所述第一三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或一双端口端的另一个端口相连接。

6.根据权利要求5所述布里渊激光器，其特征是所述单模光纤其另一端与所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或另一双端口端的另一端口相连接、或通过一光纤偏振控制器与所述第二三端口或四端口光纤耦合器的双端口端或另一双端口端的另一端口相连接。

7.根据权利要求5所述布里渊激光器，其特征是所述第一四端口光纤耦合器另一双端口端的另一个端口与一光谱仪相连接，所述第二四端口光纤耦合器一双端口端的另一端口与一光电探测器相连接，所述光电探测器输出端与一频谱仪相连接。

8.根据权利要求5或6所述布里渊激光器，其特征是所述第二三端口或四端口光纤耦合器传输至掺杂光纤放大器输入端的斯托克斯光功率为其输入功率的5-30%。

9.根据权利要求5所述布里渊激光器，其特征是所述单模光纤的长度为10.3米、其自由频谱宽度（FSR）为19.8MHz、与布里渊增益谱的谱宽相当。

10.根据权利要求4或5所述布里渊激光器，其特征是所述可调谐光源为可调谐激光器，所述掺杂光纤放大器为掺铒光纤放大器。