CN103825180A

CN103825180A - 一种低噪声保偏单频光纤激光器

Info

Publication number: CN103825180A
Application number: CN201410048479.6A
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 杨昌盛; 杨中民; 冯洲明; 张勤远; 姜中宏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Hengqin Donghui Technology Co., Ltd.
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: CN103825180B

Abstract

本发明提供了一种低噪声保偏单频光纤激光器，包括多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、保偏波分复用器、保偏光隔离器、泵浦源和热沉；压电陶瓷固定在多组分玻璃光纤的侧面或宽带光纤光栅的石英光纤一端的侧面，通过改变压电陶瓷加载的直流偏置电压，施加不同的侧向应力于光纤，实时控制其偏振态，当出现稳定的线偏振状态时，传输进入窄带保偏光纤光栅的慢轴，并经反射进行选频，能够避免外界环境的扰动引起偏振态的随机变化，提高转换效率，降低噪声。本发明可以获得信噪比大于65dB、消光比大于28dB、相对强度噪声值小于-130dB/Hz、输出功率大于100mW的保偏单频光纤激光输出。

Description

一种低噪声保偏单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及到一种激光器光源，尤其涉及一种低噪声、偏振保持形式输出的单频光纤激光器。

背景技术

单频（单纵模）光纤激光器指工作在单一纵模运转状态，具有输出光谱线宽窄、频率可调、相干长度长、噪声低、结构紧凑等优点，在相干光通信、相干光谱合束、激光雷达、非线性频率转换和高精度光谱测量等领域有着广泛的应用，然而一些应用领域尤其要求单频激光器具有低噪声、保偏输出特征。

获得线偏振单频激光输出的方法较多，一般采用环形腔或者复合腔结构（谐振腔腔长长，适合在腔内插入偏振相关元器件），使用基于石英基质的保偏有源光纤作为激光的工作介质，结合保偏光路系统，以及在光路中插入一些光学元器件（如偏振控制器、保偏光纤光栅、饱和吸收体等）的方式。

相关的专利有：（1）北京航空航天大学在2009年申请了可调谐单频单偏振光纤激光器的专利[公开号：CN 101667710A]，采用环形腔结构，使用偏振调制器、一段未抽运掺铒保偏光纤与保偏光纤光栅进行偏振控制和选频，实现了单偏振激光输出。（2）中科院上海光学精密机械研究所在2011年申请了线偏振光纤激光器的专利[公开号：CN 102227043A]，使用保偏光纤环形镜、保偏光纤与保偏光纤光栅进行偏振选择，实现了线偏振激光输出。上述腔结构设计存在一些问题：谐振腔腔长太长、纵模间隔过密、容易受外界环境扰动（如温度变化、振动）的影响而产生跳模、多纵模现象，单频工作稳定性较差，且最大只能输出几十mW量级的激光。

相关的论文有：（1）Z. Meng等人采用环形腔结构，用一段保偏光纤作为可饱和吸收体，获得了波长1535nm、功率4.7mW、线宽1.5kHz、消光比24.8dB的单频单偏振激光输出[IEEE J. Lightwave Technol., 2006, 24:5]。（2）S. Xu等人采用0.8cm长的掺镱磷酸盐玻璃光纤，实现了波长1.06μm、功率400mW、线宽7kHz的单频光纤激光输出[Opt. Lett., 2011, 36:18]。不难看出，由于稀土离子掺杂石英光纤的掺杂浓度低，导致光纤使用长度长，且难以实现大功率的激光输出。然而使用基于多组分玻璃光纤的线形短直腔结构，可以有效地实现功率大于100mW的窄线宽单频光纤激光输出。上述论文中输出激光都未具有低噪声或偏振保持的特性，其原因是：一方面保偏类型的多组分玻璃光纤的设计与制备技术相对较困难，全保偏光路方案实现成本高、结构复杂；另一方面线形短直谐振腔受腔长设计限制，很难在腔内插入其它保偏元器件（如偏振控制器、起偏器）。

发明内容

本发明目的是采用非全保偏光路结构，提供一种低噪声性能、偏振保持的单频光纤激光输出。该激光器采用超短F-P腔结构设计，利用高增益特性的多组分玻璃光纤替代传统的掺稀土离子石英光纤，利用具有高双折射的窄带保偏光纤光栅替代传统的光纤光栅进行选频，利用PZT压电陶瓷随加载不同电压值对光纤施加不同的侧向应力进行偏振态控制，而窄带保偏光纤光栅的反射谱与偏振态相关，当出现稳定的线偏振状态时，传输进入窄带保偏光纤光栅的慢轴，并经反射进行选频，这样可以提高激光器的转换效率，降低激光器的噪声。

本发明的具体技术解决方案如下。

一种低噪声保偏单频光纤激光器，其包括多组分玻璃光纤（掺稀土离子多组分玻璃光纤）、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、保偏波分复用器、保偏光隔离器、泵浦源和热沉，所述PZT压电陶瓷与窄带保偏光纤光栅共同构成偏振态控制装置；PZT压电陶瓷固定在多组分玻璃光纤的侧面或宽带光纤光栅的石英光纤一端的侧面，宽带光纤光栅的一端与多组分玻璃光纤的一端连接，多组分玻璃光纤的另一端与窄带保偏光纤光栅的一端连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与保偏波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与保偏波分复用器的泵浦端连接，保偏波分复用器的信号端与保偏光隔离器的输入端连接，所有元器件固定封装在热沉中。

进一步地，激光工作介质即所述多组分玻璃光纤为非保偏光纤，其纤芯的基质材料为磷酸盐玻璃，其组成为70P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-6La₂O₃-4Nd₂O₃。其基质材料包括但不限于磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、硅酸盐玻璃等组分玻璃。

进一步地，所述多组分玻璃光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的稀土发光离子，稀土发光离子为镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或多种的组合，发光离子掺杂浓度大于1×10²⁰ions/cm³。其具体使用长度根据激光输出功率大小、线宽大小、窄带保偏光纤光栅的反射谱宽等进行选择，一般使用长度仅为0.5~20cm，即可实现几百mW功率的激光输出。

进一步地，所述多组分玻璃光纤的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4~40μm，包层截面形状为圆形、或D形、或矩形、或六边形或八边形，包层截面直径或边到边距离为120~900μm。

进一步地，所述保偏波分复用器是熔拉型或晶体型，其信号端和公共端的尾纤类型均为保偏单模光纤，泵浦端的尾纤类型为普通单模光纤或保偏单模光纤。

进一步地，所述宽带光纤光栅对泵浦光波长透射率大于80%；对激光信号光波长反射率大于90%；所述窄带保偏光纤光栅是将保偏光纤载氢后，经紫外激光器在其上面刻写光栅形成，其对激光信号光波长部分透射，中心波长处的反射率在30~90%之间。

进一步地，所述泵浦源是半导体泵浦激光器或其它固态激光器，其泵浦波长范围400～3000nm，尾纤类型为普通单模光纤或保偏单模光纤；泵浦方式为前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

进一步地，所述窄带保偏光纤光栅、保偏波分复用器、保偏光隔离器均为保偏类型，其消光比大于20dB。

进一步地，所述光路的连接耦合方式：活动性的机械对接耦合；或者永久性的熔融连接耦合。

本发明的激光谐振腔采用全光纤化超短线性腔结构，由掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷共同构成，其分别由窄带保偏光纤光栅和宽带光纤光栅构成腔结构的前后腔镜形式。

所述泵浦源的泵浦方式：泵浦源的尾纤直接连接宽带光纤光栅的另一端进行前向泵浦；或泵浦源发出的泵浦光经由保偏波分复用器耦合进入窄带保偏光纤光栅进行后向泵浦；或由上述两种方式同时进行的双向泵浦。

本发明的光路连接耦合方式：研磨抛光其光纤端面，进行活动性的机械对接耦合；或者通过光纤熔接机设备，进行永久性的熔融连接耦合。

所述的PZT压电陶瓷直接用光学胶固定在掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤的侧面或宽带光纤光栅的石英光纤一端的侧面（可选），对PZT压电陶瓷加载信号为直流偏置电压，可以对光纤施加不同的侧向应力，实现对偏振态的控制，当出现稳定的线偏振状态时，传输进入窄带保偏光纤光栅的慢轴，并经反射进行选频。

本发明的技术效果是：厘米量级的多组分玻璃光纤作为激光工作介质，由窄带保偏光纤光栅和宽带光纤光栅一起组成超短线性腔的前后腔镜。在泵浦源的连续抽运下，多组分玻璃光纤纤芯中的稀土离子发生粒子数反转，产生受激辐射信号光，在谐振腔腔镜的反馈作用下，信号光多次来回振荡并得到多次放大；由于谐振腔腔长只有厘米量级，腔内的纵模间隔可达GHz，当窄带保偏光纤光栅的3dB反射谱窄至0.08nm，即可实现激光腔内只存在一个单纵模运转，且窄带保偏光纤光栅中只有一个偏振分量的光可以起振，最终产生保偏特性的单频光纤激光输出。使用PZT压电陶瓷对多组分玻璃光纤或宽带光纤光栅的石英光纤一端的侧面（可选）施加不同的侧向应力，对其偏振态进行控制，不同偏振态使得窄带保偏光纤光栅的反射谱出现变化，当出现稳定的线偏振状态，耦合进入窄带保偏光纤光栅的慢轴传输，并进行偏振与频率选择，实现保偏单频光纤激光输出，可以提高激光器的转换效率，降低激光器的噪声。

本发明与现有单频激光器技术相比较，其优点在于：

（1）激光谐振腔使用基于高增益特性的掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤的超短线性腔结构，避免一般长腔谐振腔工作过程中容易出现跳模、模式竞争等问题，可以实现稳定可靠的单频光纤激光输出。

（2）使用全光纤化光路结构，替代一般单频激光器中常用的块体光学元器件，使得单频光纤激光器系统稳定，结构紧凑、集成化程度高、可靠性好、实用性强。

（3）使用非全保偏光路设计，尤其是掺稀土离子磷酸盐玻璃光纤和宽带光纤光栅是非保偏的，不需要保偏有源光纤和多种保偏元器件，其结构设计相对简单、成本更低。

（4）本发明的单频光纤激光器具有偏振可控、偏振保持的特征，其控制效果随PZT压电陶瓷所施加的电压呈简单的线性关系，易于控制操作。当其出现线偏振状态时，耦合进入窄带保偏光纤光栅的慢轴传输，可以提高激光器的转换效率，降低激光器的噪声。

附图说明

图1为本发明实施例中PZT压电陶瓷固定在多组分玻璃光纤侧面时的示意图。

图2为本发明实施例中PZT压电陶瓷固定在宽带光纤光栅的石英光纤一端侧面时的示意图。

图3为本发明实施例中多组分玻璃光纤与窄带保偏光纤光栅对轴示意图。

图4为本发明实施例中低噪声保偏单频光纤激光器原理示意图。

图中：1—多组分玻璃光纤，2—PZT压电陶瓷， 3—宽带光纤光栅，4—窄带保偏光纤光栅，5—热沉，6—保偏波分复用器，7—保偏光隔离器，8—泵浦源。

具体实施方式

下面结合具体的附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，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。

如图1和图2所示，为本发明实施例中PZT压电陶瓷的不同放置方式示意图，将PZT压电陶瓷2用光学胶直接固定在多组分玻璃光纤1的侧面或宽带光纤光栅3的石英光纤一端的侧面，可以挤压光纤，用于产生侧向应力。

如图3为本发明实施例中掺镱磷酸盐玻璃光纤（即所述多组分玻璃光纤1）与窄带保偏光纤光栅对轴示意图，产生线偏振的方向与窄带保偏光纤光栅的慢轴进行对轴耦合。

如图4所示，为本发明实施例中低噪声保偏单频光纤激光器原理示意图，将多组分玻璃光纤1（掺镱磷酸盐玻璃光纤）作为激光的增益介质，将PZT压电陶瓷2固定在掺镱磷酸盐玻璃光纤1的侧面。由窄带保偏光纤光栅4和宽带光纤光栅3组成超短直腔结构的前后腔镜，且宽带光纤光栅3的另一端被研磨抛光成斜面以防止端面光反射。其中窄带保偏光纤光栅4的中心反射波长位于激光工作介质的增益谱内，并且位于宽带光纤光栅4的高反射谱之内，反射率为65%，一般反射率为30~90%之间。通过准确控制光纤光栅的3dB反射谱宽、中心波长、反射率大小、栅区长度等关键光学参数，将整个激光谐振腔腔长控制在2cm以下，在窄带保偏光纤光栅4的反射谱线宽小于0.08nm的情况下，可以保证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出现。

掺镱磷酸盐玻璃光纤的使用长度可根据激光输出功率大小、线宽大小以及窄带光纤光栅的反射谱宽等进行选择。本例中掺镱磷酸盐玻璃光纤的使用长度为1.0cm，其纤芯主要成分为磷酸盐玻璃组分（组成：70P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-6La₂O₃-4Nd₂O₃），其纤芯中均匀掺杂高浓度的镱离子（掺杂浓度为5.0×10²⁰ions/cm³），其纤芯直径为6μm和包层直径为125μm，纤芯和包层形状均为圆形。

其中泵浦方式采用后向泵浦，即泵浦源8注入泵浦光，经由保偏波分复用器6耦合进入窄带保偏光纤光栅4，然后输入到谐振腔中的掺镱磷酸盐玻璃光纤1的纤芯中，使其镱离子发生粒子数反转，产生受激辐射的激光信号，信号光在谐振腔前后腔镜的反馈作用下，多次来回振荡并得到有效放大，随着泵浦功率的不断增强，单频激光线宽就会不断变窄，最后可以实现单频光纤激光输出。

通过PZT压电陶瓷随施加于其上的偏置电压信号大小而使掺镱磷酸盐玻璃光纤产生不同的侧向应力，可以实时控制激光的偏振态，而不同的偏振态使得窄带保偏光纤光栅的反射谱产生变化，当出现稳定的线偏振状态，耦合进入窄带保偏光纤光栅的慢轴传输，进行偏振与频率选择，可以实现稳定的保偏单频光纤激光输出。

将保偏单频光纤激光输出与保偏光隔离器7的输入端相连，将保偏光隔离器7的输出端作为最终光纤激光的输出端口，所有元器件固定封装在一开槽金属材质热沉5中进行有效散热，避免热量累积。

由上述说明可知，通过连续的调节与控制单频光纤激光器的偏振态，可以实现激光的偏振保持输出，有效的提高激光器的转换效率，降低激光器的噪声。最终可以获得信噪比大于65dB、消光比大于28dB、相对强度噪声值小于-130dB/Hz（在>2MHz的高频区）、输出功率大于100mW的低噪声保偏单频形式的光纤激光输出。

Claims

1.一种低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于包括多组分玻璃光纤（1）、宽带光纤光栅（3）、窄带保偏光纤光栅（4）、PZT压电陶瓷（2）、保偏波分复用器（6）、保偏光隔离器（7）、泵浦源（8）和热沉（5），所述PZT压电陶瓷（2）与窄带保偏光纤光栅（4）共同构成偏振态控制装置；PZT压电陶瓷固定在多组分玻璃光纤的侧面或宽带光纤光栅的石英光纤一端的侧面，宽带光纤光栅的一端与多组分玻璃光纤的一端连接，多组分玻璃光纤的另一端与窄带保偏光纤光栅的一端连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与保偏波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与保偏波分复用器的泵浦端连接，保偏波分复用器的信号端与保偏光隔离器的输入端连接，所有元器件固定封装在热沉中。

2.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于激光工作介质即所述多组分玻璃光纤（1）为非保偏光纤，其纤芯的基质材料为磷酸盐玻璃，其组成为70P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-6La₂O₃-4Nd₂O₃。

3.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）的纤芯均匀掺杂高浓度的稀土发光离子，稀土发光离子为镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或多种的组合，发光离子掺杂浓度大于1×10²⁰ions/cm³。

4.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4~40μm，包层截面形状为圆形、或D形、或矩形、或六边形或八边形，包层截面直径或边到边距离为120~900μm。

5.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述保偏波分复用器（6）是熔拉型或晶体型，其信号端和公共端的尾纤类型均为保偏单模光纤，泵浦端的尾纤类型为普通单模光纤或保偏单模光纤。

6.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述宽带光纤光栅（3）对泵浦光波长透射率大于80%；对激光信号光波长反射率大于90%；所述窄带保偏光纤光栅（4）是将保偏光纤载氢后，经紫外激光器在其上面刻写光栅形成，其对激光信号光波长部分透射，中心波长处的反射率在30~90%之间；宽带光纤光栅的另一端被研磨抛光成斜面。

7.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述泵浦源（8）是半导体泵浦激光器或其它固态激光器，其泵浦波长范围400～3000nm，尾纤类型为普通单模光纤或保偏单模光纤；泵浦方式为前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

8.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述窄带保偏光纤光栅（4）、保偏波分复用器（6）、保偏光隔离器（7）均为保偏类型，其消光比大于20dB。

9.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于所述光路的连接耦合方式：活动性的机械对接耦合；或者永久性的熔融连接耦合。

10.如权利要求1所述的低噪声保偏单频光纤激光器，其特征在于通过改变所述PZT压电陶瓷（2）加载的直流偏置电压，施加不同的侧向应力于光纤，实时控制其偏振态，当出现稳定的线偏振状态时，传输进入窄带保偏光纤光栅的慢轴，并经反射进行选频。