CN103346464A

CN103346464A - 一种复合腔分布反馈式光纤激光器

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Publication number: CN103346464A
Application number: CN2013102973716A
Authority: CN
Inventors: 王昌; 倪家升; 赵燕杰; 祁海峰; 宋志强; 张晓磊; 刘真梅
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-10-09

Abstract

一种复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是它包括泵浦光源、WDM、第一光纤光栅掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅构成的复合腔光纤激光器；其中由第一光纤光栅和第二光纤光栅这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅联合构成的一个复合腔作为复合腔光纤激光器的谐振腔；泵浦光源与WDM的980端相连，WDM的1550端和光纤环型器的入射端相连，WDM公共端依次与第一光纤光栅、掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅串联；所述复合腔光纤激光器所产生的激光波长与光纤π相移光栅中心窗口波长一致；第一光纤光栅，第二光纤光栅和光纤π相移光栅两端均分别被固定在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上。

Description

一种复合腔分布反馈式光纤激光器

技术领域

本发明专利涉及一种复合腔光纤激光器技术，使用三个光纤光栅构成激光复合谐振腔实现窄线宽、低噪声、高功率的激光输出，采用光栅滤波提高激光信噪比。

背景技术

光纤激光器被广泛关注，特别是稳定单频、窄线宽、低强度噪声等特性，使其在国防、科技、工业等领域应用前景广阔。近几年单纵模、窄线宽光纤激光器被应用到传感领域，取得了一系列的重大成果，例如采用分布反馈式光纤激光器作为传感元件研制成的光纤激光水听器被用于石油物探、海洋观测以及军事等。光纤激光器尺寸小、柔韧性好、可远程传输、散热性能好等优势是其他激光器无可比拟的技术优势。

光纤激光器目前常见的有分布反馈式光纤激光器（DFB FL）和分布布拉格光栅光纤激光器（DBR FL）两种。

DFB FL是在一段掺杂光纤上刻写相移光栅实现的，其器件尺寸小，能够单模稳定输出，线宽窄，强度噪声低。但是其缺点是由于器件尺寸受到相移光栅长度的限制，谐振腔很短，造成了出光功率低，一般在mW或者uW量级。近几年也有国内外研究者采用铒镱共掺光纤或者高掺杂光纤来实现输出功率的提高，但是高掺杂浓度容易造成浓度淬灭，引起弛豫振荡，从而大大影响了激光器的线宽和强度噪声水平。也有研究采用DFB FL作为种子光源，采用光纤放大器实现光功率的放大，但是激光在被放大后，其线宽也将随之加宽，并会伴有自发辐射（ASE）背景噪声引入。

DBR FL是利用一对匹配（光谱与波长相同）的光纤光栅作为反射镜，焊接或者直接刻写在一段掺杂光纤两端，形成谐振腔，由于这种结构的激光器掺杂光纤（谐振腔）比较长，因此可以输出较高功率的激光，它的弱点是单频特性差，容易跳模或者多模工作。谐振腔变长后使得该结构的纵模间隔变窄，当纵模间隔低于谐振腔两端匹配的光纤布拉格光栅带宽后，容易产生多模运转。

发明内容

本发明主要目的是设计一种复合腔光纤激光器，该激光器产生的激光输出功率较高、线宽窄、噪声低、单纵模运转。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是它包括泵浦光源、WDM、第一光纤光栅掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅构成的复合腔光纤激光器；

其中由第一光纤光栅和第二光纤光栅这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅联合构成的一个复合腔作为复合腔光纤激光器的谐振腔；

泵浦光源与WDM的980端相连，WDM的1550端和光纤环型器的入射端相连， WDM公共端依次与第一光纤光栅、掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅串联；所述复合腔光纤激光器所产生的激光波长与光纤π相移光栅中心窗口波长一致；

第一光纤光栅，第二光纤光栅和光纤π相移光栅两端均分别被固定在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上。

本方案的具体特点还有，第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器均与PZT控制器电连接，PZT控制器分别通过控制施加在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致，PZT控制器产生一个模拟电压信号控制压电微位移器的伸缩量。

环型器的公共端和第三光纤光栅相连，第三光纤光栅固定在第三压电微位移器上，第三压电微位移器与PZT控制器电连接，PZT控制器通过控制施加在第三压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致。

光纤π相移光栅是在光纤上刻写一段光栅，在光栅中间位置产生一个相位为π的相移，从而使得光栅谱中间打开一个非常窄的窗口，如图2所示。

复合腔光纤激光器谐振腔是由第一光纤光栅和第二光纤光栅这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅联合构成的一个复合腔，第一光纤光栅与第二光纤光栅在激光系统中作为反射镜使用，使得激光系统具备稳定的谐振腔，掺铒光纤用于提供足够的增益，使得系统能够达到粒子数翻转，从而达到产生激光的条件，光纤π相移光栅在该激光系统中主要用于滤波限模作用，压制其他波长纵模，只允许相移光栅窗口波长处形成稳定的单模激光。

所述光纤光栅两端通过胶固方式被固定在压电微位移器（PZT）上，在PZT控制器控制下，PZT给予光纤光栅以及光纤π相移光栅应力，引起光栅波长的变化，从而实现了对产生激光波长的稳定与控制。

所述的WDM、光纤光栅、光纤环型器等均为普通商用的光纤传感及光通信器件。

本发明的有益效果是：复合腔光纤激光器输出的光经过光纤环型器以及第三光纤光栅进行滤波，降低了掺铒光纤产生的自发辐射光谱背景。与传统DBR光纤激光器不同的是，本发明涉及的激光腔内插入了光纤π相移光栅，该器件起到了选模滤波器的效果，当光纤激光器腔长较长时，其相应的纵模间隔也变小，容易产生多模，而插入光纤π相移光栅后，除了中心相移光栅窗口波长的纵模外，其他模式都被抑制和损耗掉，进而增强了激光的单频特性，使得激光输出更加稳定可靠。本发明利用第三个光纤光栅的窄带滤波特性对输出激光进行了进一步的降噪处理，去除了残余的ASE背景光谱，提高了系统信噪比。通过压电微位移器（PZT）拉伸来控制三个光纤光栅以及光纤π相移光栅，实现了输出激光波长的控制，同时，可以通过压电微位移器（PZT）控制光纤光栅波长，实现激光波长微调与扫描。本发明实现的光纤激光器，能够产生稳定的激光，并且激光线宽低于10kHz，如图3所示，相对强度噪声低于-90dB/Hz，如图4所示，激光的信噪比超过了70dB，如图6所示，各项指标均达到较高层次。

附图说明

图1是系统结构框图；图2是光纤π相移光栅反射谱；图3是激光线宽谱图；图4是DBR光纤激光器相对强度噪声谱；图5是本发明设计的复合腔光纤激光器相对强度噪声谱；图6是DBR光纤激光器激光光谱信噪比图；图7是本发明设计的复合腔光纤激光器激光光谱信噪比图；

图中：1-泵浦光源；2-波分复用器（WDM）；3-掺铒光纤；4-光纤环型器；5-第三光纤光栅；6-第一光纤光栅；7-压电微位移器（PZT）控制器；8-光纤π相移光栅；9-第二光纤光栅；10-第一压电微位移器；11-第二压电微位移器；12-第三压电微位移器；13-第四压电微位移器；14-光纤环型器输入端；15-光纤环型器公共端；16-光纤环型器输出端。

具体实施方式

如图1所示,一种复合腔分布反馈式光纤激光器，泵浦光源1、WDM2、第一光纤光栅6，掺铒光纤3、光纤π相移光栅8以及第二光纤光栅9构成的复合腔光纤激光器；由第一光纤光栅6和第二光纤光栅9这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅8联合构成的一个复合腔作为复合腔光纤激光器的谐振腔；

泵浦光源1与WDM2的980端相连，WDM2的1550端和光纤环型器4的入射端相连， WDM2公共端依次与第一光纤光栅6、掺铒光纤3、光纤π相移光栅8以及第二光纤光栅9串联；所述复合腔光纤激光器所产生的激光波长与光纤π相移光栅8中心窗口波长一致，第一光纤光栅6两端固定在第一压电微位移器10伸缩表面上，第二光纤光栅9两端固定在第二压电微位移器11伸缩表面上，第三光纤光栅5两端固定在第三压电微位移器12伸缩表面上，光纤π相移光栅8两端固定在第四压电微位移器13上。第一压电微位移器10，第二压电微位移器11，第三压电微位移器12和第四压电微位移器13均与PZT控制器7电连接，PZT控制器7分别通过控制施加在第一压电微位移器10，第二压电微位移器11，第三压电微位移器12和第四压电微位移器13上的电压来控制施加在光纤光栅上的拉力，从而控制整个激光器系统的出光波长。所涉及的第一光纤光栅6、第二光纤光栅9、第三光纤光栅5以及光纤π相移光栅8中心波长均相同或相近，分别通过控制第一压电微位移器10，第二压电微位移器11，第三压电微位移器12和第四压电微位移器13施加在光纤光栅上的拉力来调整第一光纤光栅6、第二光纤光栅9、第三光纤光栅5以及光纤π相移光栅8中心波长保持一致。压电微位移器（PZT）被PZT控制器7控制，当PZT控制器7给PZT施加一个电压时，PZT将会随之伸缩，从而施加在光纤光栅上的拉力也随之改变，可以通过这种方式实现对每一个光栅的波长微调控制，从而令三个光纤光栅以及光纤π相移光栅波长达到匹配。此外，还可以通过光栅的波长控制与微调，实现激光波长的控制与微调，实现波长扫描之类的控制效果。

PZT控制器与压电微位移器（PZT）连接，本实施例采用了哈尔滨芯明天科技有限公司生产的XP-633.1SL压电微位移器， PZT控制器采用哈尔滨芯明天科技有限公司生产的XE-500压电陶瓷控制系统。

光纤环型器4的公共端15和第三光纤光栅5相连，复合腔光纤激光器输出的光经过光纤环型器4以及第三光纤光栅5进行滤波，降低了掺铒光纤产生的自发辐射光谱背景。

光纤π相移光栅8是在光纤上刻写一段光栅，在光栅中间位置产生一个相位为π的相移，从而使得光栅谱中间打开一个非常窄的窗口，如图2所示。

复合腔光纤激光器的谐振腔是由第一光纤光栅6和第二光纤光栅9这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅联8合构成的一个复合腔，第一光纤光栅6与第二光纤光栅9在激光系统中作为反射镜使用，使得激光系统具备稳定的谐振腔，掺铒光纤3用于提供足够的增益，使得系统能够达到粒子数翻转，从而达到产生激光的条件，光纤π相移光栅8在该激光系统中主要用于滤波限模作用，压制其他波长纵模，只允许相移光栅窗口波长处形成稳定的单模激光。

泵浦光源1选择波长为980nm的通讯常用半导体激光器。泵浦光源1通过WDM2入射到由第一光纤光栅6、第二光纤光栅9以及光纤π相移光栅8三个光栅以及串联其中的掺铒光纤3共同构成了激光器的谐振腔，在谐振腔内掺铒光纤3吸收泵浦光能量，由于激光谐振腔的存在，使得腔内受激辐射产生激光，由于光纤光栅带宽限制以及光纤π相移光栅中间窗口的选波作用，使得激光波长只能是与光纤π相移光栅窗口波长一致，单频输出。复合腔光纤激光器产生的激光由谐振腔两端输出，反向光（朝向WDM方向传输）通过WDM2的1550端口输出，进入光纤环型器4到达第三光纤光栅5，被第三光纤光栅5反射后再通过光纤环型器4输出。

所述的掺铒光纤3可以用其它掺杂介质的光纤代替，如掺镱、铥或铒镱掺光纤等。所述的WDM、光纤光栅、环型器等均为普通商用的光纤传感及光通信器件。

Claims

1.一种复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是它包括泵浦光源、WDM、第一光纤光栅掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅构成的复合腔光纤激光器；

2.根据权利要求1所述的复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器均与PZT控制器电连接，PZT控制器分别通过控制施加在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致，PZT控制器产生一个模拟电压信号控制压电微位移器的伸缩量。

3.根据权利要求2所述的复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是环型器的公共端和第三光纤光栅相连，第三光纤光栅固定在第三压电微位移器上，第三压电微位移器与PZT控制器电连接，PZT控制器通过控制施加在第三压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致。

4.根据权利要求1所述的复合腔分布反馈式光纤激光器，其特征是光纤π相移光栅是在光纤上刻写一段光栅，在光栅中间位置产生一个相位为π的相移，从而使得光栅谱中间打开一个非常窄的窗口。