CN103337778A

CN103337778A - 频率调制单频光纤激光器

Info

Publication number: CN103337778A
Application number: CN2013102552045A
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 杨中民; 李�灿; 冯洲明; 张勤远; 姜中宏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明提供了一种频率调制单频光纤激光器，所述激光器包括新型稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤、窄带布拉格光纤光栅、二色镜或宽带布拉格光纤光栅、单模半导体泵浦光源、波分复用器、光纤隔离器以及PZT压电陶瓷，本发明的激光短腔结构，采用PZT压电陶瓷来调制短磷酸盐玻璃光纤激光谐振腔的单纵模频率，可以实现同时具备良好单频性能的频率调制光纤激光输出，其频率调制范围高达1GHz。该发明可应用于激光测距、多普勒激光测速雷达等超高精度和超远距离探测领域。

Description

频率调制单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及单纵模（或称单频）光纤激光器，具体涉及频率调制单频光纤激光器。

背景技术

单纵模（或称单频）光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征为激光光谱线宽非常窄，最高可达到10^-8nm，比现有最好窄线宽DFB激光器的线宽还要窄两个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。窄的线宽可以保证激光具有非常好的相干特性，其相干长度可达数百公里。窄线宽光纤激光器之所以受到重视，是因为其在激光测距、光纤传感及通信领域有着及其广泛的应用。如目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10米，测量距离（军用）也只有10-20公里。如果利用频率调制单频激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。

目前研究频率调制单频光纤激光器，只能在短直腔结构上采用PZT压电陶瓷进行内调制，当采用稀土离子掺杂的石英光纤作为激光介质时，最大只能输出几mW单频激光，一般需要通过激光放大。而采用多组分玻璃光纤作为单频激光的增益介质，则可实现输出功率达几百mW、线宽小于2 KHz的单频光纤激光，而且激光腔长更短，更易于实现大的频率调制范围，同时短的谐振腔长能保证调频过程中不会出现跳模、模式竞争等现象。如采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤构成短F-P腔，实现了输出功率20mW，频率调制范围达到27 MHz/V[IEEE Photon. Technol. Lett., 2005, 17: 1827]。另外，目前的内调制方案都是采用PZT压电陶瓷对包括布拉格光栅在内的整个激光腔进行调制，这样会使光栅的折射率周期性结构发生改变，使得频率调制过程变得更加复杂，而且还会出现跳模、模式竞争等现象。若只针对增益光纤进行调制，则其调制范围随所施加电压呈线性变化，而且更易在调制过程中保持单频运转。

结合稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤的高增益特性，以及短直F-P腔及窄带布拉格光纤光栅的选频特性，为实现高功率窄线宽的单频光纤激光输出提供了保障。同时，通过设计制作腔内固定PZT压电陶瓷及相应激光腔封装的工艺，可最终实现宽频率调制范围的高功率、窄线宽单频光纤激光。

发明内容

本发明的目的是提供一种频率调制单频光纤激光器，其利用稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤的高增益特性，利用短F-P腔结构，以及窄线宽光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，可实现高功率窄线宽的单频激光输出。同时，利用PZT压电陶瓷随加载电压变化而收缩的特性，将其固定于谐振腔上而对腔长进行调制，最终可实现宽频率调制范围的高功率、窄线宽单频光纤激光输出。本发明的目的通过如下技术方案实现。

本发明的具体技术解决方案是：

一种频率调制单频光纤激光器，其特征在于包括单模半导体激光泵浦源、波分复用器、窄带布拉格光纤光栅、稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤、宽带布拉格光纤光栅、光纤隔离器、PZT压电陶瓷和主动温度控制的热沉；各部件的结构关系是：波分复用器的公共端与窄带布拉格光纤光栅的一端连接，窄带布拉格光纤光栅的另一端经稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤与宽带光纤布拉格光栅的一端连接，波分复用器的信号端与光纤隔离器连接，稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤、窄带布拉格光纤光栅以及宽带光纤布拉格光栅固定封装在自动温度控制的热沉中， PZT压电陶瓷固定在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤上；单模半导体激光泵浦源的泵浦方式采用如下三种方式之一：

方式一、单模半导体激光泵浦源与波分复用器的泵浦输入端连接，所述宽带光纤布拉格光栅的另一端被研磨抛光成斜面以防止端面反射，单模半导体激光泵浦源经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅进行前向泵浦；

方式二、单模半导体激光泵浦源直接接入宽带布拉格光纤光栅的另一端进行后向泵浦，此时波分复用器的泵浦输入端被研磨抛光成斜面以防止端面反射；

方式三、同时采用方式一的前向泵浦和方式二的后向泵浦进行双向泵浦，单模半导体激光泵浦源同时与波分复用器的泵浦输入端和宽带布拉格光纤光栅的另一端连接。

上述频率调制单频光纤激光器中，所述稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体,所述发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³,且在纤芯中是均匀掺杂。由于稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤的高增益特性，可在厘米级的短光纤上实现几百mW的功率输出，而PZT压电陶瓷对短激光腔长的调制可实现大的频率调制范围，且其调制范围随所施加电压呈线性变化。同时，激光腔长短使激光纵模间距增大，可实现单一纵模的激光运转，且更易于实现大的频率调制范围而调频过程中不会出现跳模、模式竞争等现象。

上述频率调制单频光纤激光器，所述稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤和窄带布拉格光纤光栅以及宽带光纤布拉格光栅之间是通过研磨抛光其相应光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合。

上述频率调制单频光纤激光器，所述宽带光纤布拉格光栅可用二色镜代替。

上述频率调制单频光纤激光器，所述二色镜为在介质镜表面镀上薄膜形成或为直接在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤未与窄带布拉格光纤光栅连接的一侧端面经研磨抛光后镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

上述频率调制单频光纤激光器，所述PZT压电陶瓷直接用光纤胶固定在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤侧面进行频率调制。

上述频率调制单频光纤激光器中，施加于所述PZT压电陶瓷上的射频信号可为正弦波，锯齿波或三角波。

上述频率调制单频光纤激光器中，窄带布拉格光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB 反射谱宽小于0.1 nm，中心波长反射率为10-95%；宽带布拉格光纤光栅的3dB 反射谱宽大于0.1 nm，且其对激光信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

上述频率调制单频光纤激光器中，所述自动温度控制的热沉由半导体制冷器TEC实现。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：厘米量级的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤作为激光介质，有窄带布拉格光纤光栅和宽带布拉格光纤光栅或二色镜构成短直F-P腔的前后腔镜，在泵浦光源的连续激励下，磷酸盐光纤的高掺杂稀土粒子发生反转产生受激发射光，通过在激光腔内多次来回震荡放大，最终产生激光输出。由于激光器的谐振频率与腔长成对应关系，故可通过固定在增益光纤上的PZT压电陶瓷随施加于其上的射频信号而使激光腔长伸长或缩短，从而使谐振频率得到调制，且其调制范围随所施加电压呈线性变化。由于激光腔长只有厘米量级，则PZT压电陶瓷对短激光腔长的调制可实现大的频率调制范围。同时，由激光的腔模原理可知，腔内的纵模间隔可达1~10 GHz，只要窄带光纤光栅反射谱足够窄，如3 dB反射谱小于0.08 nm，即可实现在腔长为2 cm的激光腔内只存在一个单纵模，实现无跳模及模式竞争的稳定的单纵模（单频）输出，且更易于实现大的频率调制范围而调频过程中不会出现跳模、模式竞争等现象。

附图说明

图1 为本发明实施例频率调制单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为泵浦光经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅的前向泵浦。

图2为本发明实施例频率调制单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为泵浦光直接耦合进宽带布拉格光纤光栅的后向泵浦。

图3为本发明实施例频率调制单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为前述两种方式同时双向泵浦。

图中：1—单模半导体激光泵浦源（LD），2—波分复用器（WDM），3—窄带布拉格光纤光栅，4—稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，5—宽带布拉格光纤光栅，6—光纤隔离器，7—PZT压电陶瓷，8—自动温度控制的热沉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例

图1-3为本发明实施例1的频率调制单频光纤激光器原理示意图，采用高增益的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4作为激光器的增益介质，由窄带布拉格光纤光栅3和宽带布拉格光纤光栅5或二色镜组成短F-P腔结构的前后腔镜，窄带布拉格光纤光栅3的中心反射波长位于激光介质的增益谱内，并且位于后腔镜的高反射谱内，反射率大于90%。泵浦光采用单模LD 前向泵浦方式由波分复用器2 的泵浦端耦合（图1）、或直接由单模LD耦合进宽带布拉格光纤光栅5（图2）、或者前两种方式同时使用的双向泵浦耦合（图3）输入到激光腔中的增益光纤中，磷酸盐光纤的高掺杂稀土粒子发生反转产生受激发射光，通过在激光腔内多次来回震荡放大，最终产生激光输出。其中，高增益稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4作为光纤激光器的增益介质，长度可根据激光器激光输出功率大小及窄带布拉格光纤光栅3的反射谱宽来选择，一般为0.5~10 cm。高增益稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤纤芯掺杂高浓度的发光离子（镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体），稀土离子的掺杂浓度要大于1×10¹⁹ions/cm³，纤芯直径可以为1~10 μm，光纤的纤芯折射率为N₁，内外包层的折射率分布为N₂和N₃，且满足波导关系： N₁>N₂>N₃，且在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化；光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂。稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4是通过钻孔法、管棒法制作预制棒，并在光纤拉制塔中拉制而成的。由于稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率大于100mW时，所需稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤的长度仅为2cm，因而，使用窄带布拉格光纤光栅3和宽带布拉格光纤光栅5或二色镜组成短F-P腔结构，可使有效激光腔长小于3cm，从而，可以保证在窄带布拉格光纤光栅3的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模模式，且无跳模及模式竞争现象

泵浦源的耦合方式可根据激光腔结构来设计。泵浦源采用单模半导体激光泵浦源1，如图1所示，通过波分复用器2耦合进窄带布拉格光纤光栅3，进而与稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4中的纤芯实现耦合，从而前向泵浦纤芯中稀土离子，以使粒子数反转达到不断放大振荡光信号的目的，最终实现激光输出，此时宽带光纤布拉格光栅5的另一端被研磨抛光成斜面以防止端面反射。单模半导体激光泵浦源1直接通过宽带布拉格光纤光栅5耦合进稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4的纤芯中，以使粒子数反转达到不断放大振荡光信号的目的，最终实现激光输出，此时波分复用器2的泵浦端口被研磨抛光成斜面以防止端面反射，如图2所示。泵浦方式采用双向泵浦，如图3所示，泵浦耦合方式则是参照前向、后向泵浦方式。

激光器的输出频率由固定于腔内稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤4上的PZT压电陶瓷7来进行调制。由于激光器的谐振频率与腔长成对应关系，故可通过固定在增益光纤上的PZT压电陶瓷7随施加于其上的射频信号而使激光腔长伸长或缩短，从而使谐振频率得到调制。由于本发明的激光腔长度可以只有厘米量级，则PZT压电陶瓷7对短激光腔长的调制可实现大的频率调制范围，且其调制范围随所施加电压呈线性变化。同时，由激光的腔模原理可知，腔内的纵模间隔可达数GHz，只要窄带光纤光栅反射谱足够窄，如3 dB反射谱小于0.08 nm，即可实现在腔长为2 cm的激光腔内只存在一个单纵模，实现无跳模及模式竞争的稳定的单纵模（单频）输出，且更易于实现大的频率调制范围而调频过程中不会出现跳模、模式竞争等现象。PZT压电陶瓷7由外部提供一定频率与电压的射频信号，具体由PZT压电陶瓷7的实际参数决定。施加于所述PZT压电陶瓷7上的射频信号可为正弦波，锯齿波或三角波。

Claims

1.一种频率调制单频光纤激光器，其特征在于包括单模半导体激光泵浦源（1）、波分复用器（2）、窄带布拉格光纤光栅（3）、稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）、宽带布拉格光纤光栅（5）、光纤隔离器（6）、PZT压电陶瓷（7）和主动温度控制的热沉（8）；各部件的结构关系是：波分复用器（2）的公共端与窄带布拉格光纤光栅（3）的一端连接，窄带布拉格光纤光栅（3）的另一端经稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）与宽带光纤布拉格光栅（5）的一端连接，波分复用器（2）的信号端与光纤隔离器（6）连接，稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）、窄带布拉格光纤光栅（3）以及宽带光纤布拉格光栅（5）固定封装在自动温度控制的热沉（8）中， PZT压电陶瓷（7）固定在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）上；单模半导体激光泵浦源（1）的泵浦方式采用如下三种方式之一：

方式一、单模半导体激光泵浦源（1）与波分复用器（2）的泵浦输入端连接，所述宽带光纤布拉格光栅（5）的另一端被研磨抛光成斜面以防止端面反射，单模半导体激光泵浦源（1）经由波分复用器（2）耦合进窄带布拉格光纤光栅（3）进行前向泵浦；

方式二、单模半导体激光泵浦源（1）直接接入宽带布拉格光纤光栅（5）的另一端进行后向泵浦，此时波分复用器（2）的泵浦输入端被研磨抛光成斜面以防止端面反射；

方式三、同时采用方式一的前向泵浦和方式二的后向泵浦进行双向泵浦，单模半导体激光泵浦源（1）同时与波分复用器（2）的泵浦输入端和宽带布拉格光纤光栅（5）的另一端连接。

2.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于：所述稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）的纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体,所述发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³,且在纤芯中是均匀掺杂。

3.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）和窄带布拉格光纤光栅(3)以及宽带光纤布拉格光栅（5）之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。

4.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述宽带光纤布拉格光栅（5）用二色镜代替。

5.如权利要求4所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述二色镜为在介质镜表面镀上薄膜形成或为直接在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）未与窄带布拉格光纤光栅(3)连接的一侧端面经研磨抛光后镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

6.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述PZT压电陶瓷（7）直接用光纤胶固定在稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤（4）侧面进行频率调制。

7.如权利要求6所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于施加于所述PZT压电陶瓷（7）上的射频信号为正弦波、锯齿波或三角波。

8.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述窄带布拉格光纤光栅（3）的中心反射波长为激光输出波长，3dB 反射谱宽小于0.1 nm，中心波长反射率为10-95%；宽带布拉格光纤光栅（5）的3dB 反射谱宽大于0.1 nm，且其对激光信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

9.如权利要求1所述的频率调制单频光纤激光器，其特征在于所述自动温度控制的热沉（8）由半导体制冷器TEC实现。