CN103368045A - 基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器，由泵浦光源、高反射率的光纤布拉格光栅、有源增益光纤、输出光隔离器和光纤环结构的慢光元件组成。本发明产生的单频激光具有几十Hz甚至更窄的激光线宽，是全光纤的紧密结构，性能稳定，强度噪声和频率噪声较低。

Description

基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及窄线宽激光，特别是一种基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器。

背景技术

高光谱纯度是激光的一个基本特性。基于激光的极窄光谱线宽，国内外发展了一系列具有重要意义和经济价值的仪器装备。在光学干涉测量中，窄线宽意味着高的干涉对比度，大的相干长度和工作距离。在激光光谱技术中，窄线宽是提高监测精度和灵敏度的基本保证。在多种光纤传感器中，线宽大小决定了传感器的灵敏度。比如在光纤水听器中，窄线宽低噪声的光源是传感系统的核心。在冷原子物理中，窄线宽激光是实现原子冷却、原子囚禁和凝聚的基本工具。在相干光通信方面，窄线宽光源大大提高了光信息传输的容量和速度。因此窄线宽单频激光器一直是研究和开发的热点。

根据肖洛－汤斯的基本理论，激光器的线宽决定于谐振腔的Q值，即腔内能量与输出能量之比。要提高Q值，就必须延长腔内光子寿命。大的腔长是长的光子寿命的基本条件之一。然而，大的腔长意味着大的器件体积。这不仅不利于实际应用，而且由于震动、温度变化等因素对腔长的影响，导致器件工作的不稳定性，大的强度噪声和频率噪声。光纤激光器的激活区是可以弯曲缠绕的柔软材料，有利于在延长腔长的同时缩小器件整体体积。但是，由于光纤的折射率对于温度和应变的敏感性，过长的光纤也不利于器件的稳定性。随着应用需求对窄线宽的要求越来越高，需要研究新的方法，在维持小的体积的同时，获得大的等效腔长，也就是说要采用某种慢光元件。

现有技术之一是在腔内插入多层介质膜干涉滤波片[参见Y.Shevy等,OpticalFiber Communication Conference2010,paper OThQ6]，其典型结构是一个高精细度的法布里－珀罗(F-P)腔，如图1所示。图中11为有源光纤，12为由两个高反射镜构成的F-P腔，13为高反射率的光纤布拉格光栅(FBG)，14为中等反射率的光纤布拉格光栅，作为输出镜，15为泵浦光源，16为输出光隔离器。根据F-P干涉仪的基本原理，在谐振峰波长上的光子在腔内多次来回传输，大大延长了在腔内的时间。理论推导表明，F-P腔产生的群时延可以表示为

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nd}}{c}\frac{1-R^2}{{(1-R)}^2+4R{\sin }^2\mathrm{\Δ\φ}}\stackrel{\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{m\π}}{\→}\frac{\mathrm{nd}}{c}\frac{1+R}{1-R}$

可见对于反射率R接近于1的高精细度F-P腔，群时延大大高于F-P腔介质厚度的传输时间。这一技术要求插入元件的谐振峰与激光器的纵模保持严格一致。这就带来实际运行中激光器的稳定性问题。对于光纤激光器来说，需要采用带尾纤的F-P元件，不可避免地引入一定的损耗；或者插入体光学元件，需要一系列准直耦合的元件，不利于器件的稳定性。

现有技术之二是利用光纤布拉格光栅（FBG）。光纤光栅是一个可以获得高反射率的光纤元件；许多光纤激光器利用FBG作为谐振腔的反射镜构建全光纤的结构，如图1所示，特别有利于光纤光学系统中的应用。根据理论分析和实验研究，FBG反射峰的两侧是高色散的谱区，在主峰两侧的零反射点，有两个高的群时延峰，图2给出一个中等反射率光栅的群时延计算结果。峰值群时延将随光栅峰值反射率的提高而上升。如果激光器的纵模落入该区域，就可以利用这一性质获得有效腔长的增大。与F-P腔相似，这两个群时延峰必须对准激光器的纵模。同时由于实际器件与理想的均匀光纤光栅有差别，在这两个群时延峰上可能有剩余反射和损耗，也是需要考虑的不利因素。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器，该激光器产生的单频激光具有几十Hz甚至更窄的激光线宽，具有全光纤、性能稳定、强度噪声和频率噪声较低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种窄线宽单频光纤激光器，包括泵浦光源，输出光隔离器，特点在于还有高反射率的光纤布拉格光栅、有源光纤和慢光元件，所述的慢光元件是一个光纤环，由光纤段及其上的低反射率光纤布拉格光栅通过一个四端光纤耦合器的两端连接而成，其连接关系如下：自泵浦光源依次是所述的高反射率的光纤布拉格光栅、有源光纤、经所述的光纤耦合器另两端和所述的输出光隔离器通过光纤连接而成。

所述的光纤环是一个保偏光纤环，即由保偏光纤段及其上的低反射率光纤布拉格光栅通过一个四端保偏光纤耦合器的两端连接而成。

所述的光纤环上还有偏振控制器。

所述的光纤环上还有应变调相器。

所述的光纤环低反射率光纤布拉格光栅是可调谐光纤布拉格光栅。

由以上分析可见，本发明具有如下的优点：

一、本发明提出的慢光元件具有满足激光器谐振腔结构要求，同时具有大幅度延长腔内光子寿命的效果。因此获得线宽超窄的单频光纤激光器。

二、本发明的回路为一个全光纤的结构，尤其适合于提高单频光纤激光器的性能。使用一段较短的光纤，获得了数倍至十余倍长度的腔长延伸效果。与光纤和体光学元件组合的复杂结构相比，具有结构稳定可靠，鲁棒性好的优点。

三、本发明所涉及的元件和材料，是光纤通信、光纤传感技术中成熟的元器件，可以市场采购，性能稳定可靠，价格低廉。

四、本发明慢光回路的光纤环结构具有进一步增添其他光纤元件，研发具有其他多种功能、进一步提高激光器性能的发展余地。

附图说明

图1是现有技术之一的F-P慢光元件

图2是现有技术之二的光纤布拉格光栅群时延谱

图3是本发明基于全光纤慢光元件的窄线宽光纤激光器基本结构示意图

图4是本发明慢光元件结构之二：保偏光纤环示意图

图5是本发明慢光元件结构之三：插入偏振控制器的光纤环结构示意图

图6是本发明慢光元件结构之四：插入相位调制器的光纤环结构示意图

图7是本发明慢光元件结构之五：采用可调谐光纤布拉格光栅的光纤环结构示意图

图8是本发明全光纤慢光元件的群时延谱和反射率谱

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图3，图3是本发明基于全光纤慢光元件的窄线宽光纤激光器基本结构示意图，由图可见，本发明窄线宽单频光纤激光器，包括泵浦光源35，输出光隔离器36，还有高反射率的光纤布拉格光栅33、有源光纤31和慢光元件32，所述的慢光元件32是一个光纤环，由光纤段321及其上的低反射率光纤布拉格光栅323通过一个四端光纤耦合器322的两端连接而成，本激光器的连接关系如下：自泵浦光源35依次是所述的高反射率的光纤布拉格光栅33、有源光纤31、经所述的光纤耦合器322另两端和所述的输出光隔离器36通过光纤连接而成。

本发明的慢光元件和高反射率光纤布拉格光栅33作为两个腔镜的线型光纤激光器。

本发明中的慢光元件是一个光纤环。在没有光纤布拉格光栅323接入光纤环的时候，该回路是一个从端口a到端口b的单向输出的回路。光纤和光纤耦合器背向散射一般可以忽略，此时从端口a的反射为零，输出功率等于输入功率，是一个全通滤波器。它的滤波作用体现在对于光波相位的调制上。光波在光纤耦合器上按照分束比一分为二；一部分直接输出，另一部分进入光纤环，传输一周后又在光纤耦合器上分束，一部分进入输出端口，另一部分又进入光纤环。如此周而复始，总的效果是光波的相位被延迟了，但是不影响输出功率。这种相位延迟与光波的波长有关，在光纤环的谐振峰上，即当环长是光波波长的整数倍时，达到相位延迟量的极大。记光纤耦合器的分束比为κ:(1-κ)；光纤环的长度为L；分析表明，光纤耦合器的分束比越小，即κ越小，进入光纤环的光波在环内重复传输的次数越多，相移越大。

如果将这一回路直接插入到激光器中，取代图1中的介质膜滤波器，并不能起到所要求的延长有效腔长的作用。因为κ越小，从端口a到端口b直接透射的光波的比例越大。对于平均光子寿命来说，延长的作用越小。本发明创造性的思想是，在光纤中插入一个低反射率光纤布拉格光栅。可以看到，进入光纤环的光波将被光纤布拉格光栅所反射，而返回输入端。同样地在光纤布拉格光栅上反射和透射的光波也由于光纤耦合器的分束功能而在光纤环内多次传输。因此，这一元件具有一定反射率，同时具有一定相位延迟的效果。利用这一元件作为激光器的输出镜，既可以满足激光器的振荡要求，又给腔内光波带来很大的时延，实现增大光子腔内寿命的目的。

记光纤布拉格光栅323的反射率为R_g，透射率为T_g，

本发明要对这些参数进行选择和设计。这一慢光元件要求R_g足够低。因为低的反射率容许光波在光纤环内多次循环传输。虽然光纤布拉格光栅对光波的单次反射率很低，但是多次反射的效果，可以增加总的反射率。从而满足激光器谐振腔反射镜的反射率要求。分析本发明提出的光路结构，可以得到这一元件光电场的综合反射率的表示式为：

在R_g＜＜1，T_g≈1的情况下，光功率的反射率为

计算表明，对于小的分束比κ，综合反射率R_C比光纤布拉格光栅的单次反射率R_g提高很多倍。

同时，由于光波在光纤环内多次循环传输，导致反射光波相位延迟，综合的电场反射率r_C是一个复数值。由公式(1)可以得到这一元件对光波相位的调制

，由此可得到其群时延式中ω为光波频率。

由于光纤环的长度不可能很短，因此其谐振峰的间隔比较小。为了防止多纵模工作，要求光纤布拉格光栅具有窄的线宽。对于低反射率的光纤布拉格光栅，线宽大体与光纤光栅的长度成反比。这就要求在制备工艺容许的条件下，采用较长的光栅长度。

本发明结构之二，是采用保偏光纤环，如图4所示。图中41为保偏光纤段，42为由保偏光纤和单模光纤构成的光纤耦合器，43为保偏光纤布拉格光栅。保偏光纤是一个高双折射材料，它对于两个偏振光波有不同的有效折射率。因此，保偏光纤环的谐振峰对于两个偏振光有一个位移，保偏光纤布拉格光栅也有两个峰。这一结构不仅提供了具有长群时延的反射，而且提供了对于两个偏振态的选择性。从而可以实现窄线宽的单频单偏振的激光输出。这是实际应用中迫切需求的性能。

本发明结构之三，是在光纤环中加入偏振控制器，如图5所示。图中51为一个光纤偏振控制器。它可以是手动的光纤线圈结构，也可以是压电陶瓷(PZT)驱动的、由侧向压力导致的双折射效应偏振控制器。采用这一结构，可以更加灵活地选择和改变这一慢光元件的偏振特性，以满足光纤激光器对偏振的控制要求。

本发明结构之四，是在光纤环中加入应变调相器，如图6所示。图中61为一个由压电陶瓷驱动的对光纤施加轴向应变的调相器。其功能是可以对光纤环的长度进行微调，从而对其谐振峰波长进行微调。利用这一元件可以进一步调整满光元件峰值波长与光纤激光器纵模位置之间的匹配。同时提供一个调谐光纤激光器的手段。这对于激光器的主动稳频、主动抑制噪声也是十分必须的。

本发明结构之五，是采用可调谐的光纤光栅，如图7所示。图中71为一个可调谐的光纤布拉格光栅。利用应力或温度变化，可以调谐光纤布拉格光栅的峰值波长，改变其与光纤环谐振峰的匹配状态，从而实现慢光回路的反射峰调谐。

本发明的上述五种结构，可以互相融合，即同时采用多个元件，实现多种功能。

如上所说，本发明涉及的元件材料均为可以市场采购的成熟产品。然而各个元件的参数，特别是光纤耦合器的分束比、光纤布拉格光栅的峰值反射率和线宽、光纤环的长度等，需要根据应用目标的技术要求进行选择和设计。构建本发明回路的基本方法有两个：

方法之一，是将光纤耦合器四个光纤端口中的两个与光纤光栅的两个端口分别熔接，构成一个环路。

方法之二，是将光纤耦合器四个光纤端口中的两个互相熔接，构成一个环路，再在环路的合适部位用常规的紫外辐照工艺制作光纤光栅。

本发明的基于全光纤慢光元件的窄线宽光纤激光器的原理已得到实验验证和详细理论分析的证明。图8给出了群时延谱和综合反射率谱的计算结果。计算参数为：光纤环长度L＝0.5m，光纤耦合器的分束比为κ:(1-κ)＝0.2:0.8，光纤布拉格光栅的峰值位于1550nm，峰值反射率为R＝0.01。结果表明，群时延可达20纳秒，远大于光纤环的单程时延2.5纳秒。相当于在激光器腔内接入了一段4m的光纤。综合反射率达到0.5，比环内光纤布拉格光栅的反射率提高了50倍。

Claims (5)

1.一种窄线宽单频光纤激光器，包括泵浦光源（35），输出光隔离器（36），特征在于其还有高反射率的光纤布拉格光栅（33）、有源光纤（31）和慢光元件(32)，所述的慢光元件(32)是一个光纤环，由光纤段（321）及其上的低反射率光纤布拉格光栅（323）通过一个四端光纤耦合器（322）的两端连接而成，其连接关系如下：自泵浦光源（35）依次是所述的高反射率的光纤布拉格光栅（33）、有源光纤（31）、经所述的光纤耦合器（322）另两端和所述的输出光隔离器（36）通过光纤连接而成。

2.根据权利要求1所述的窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述的光纤环是一个保偏光纤环，即由保偏光纤段（41）及其上的低反射率光纤布拉格光栅（43）通过一个四端保偏光纤耦合器（42）的两端连接而成。

3.根据权利要求1所述的窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述的光纤环上还有偏振控制器（51）。

4.根据权利要求1所述的窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述的光纤环上还有应变调相器（61）。

5.根据权利要求1所述的窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述的光纤环低反射率光纤布拉格光栅（323）是可调谐光纤布拉格光栅（71）。

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