CN104283110A - 基于声光调制器的多频激光时分复用放大器 - Google Patents

基于声光调制器的多频激光时分复用放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声光调制器的多频激光时分复用放大器，涉及激光放大器。本发明包括声光调制器、射频驱动源、二分之一波片、第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、单模保偏光纤和锥形放大半导体激光器；通过声光调制器快速开关来切换注入锥形放大半导体激光器的种子激光，从而实现不同频率的入射种子光分时放大。本发明使锥形放大半导体激光器能安全地工作在时分复用模式下，能在其工作过程中分时段输出不同频率的大功率激光，提高锥形放大半导体激光器的使用效率，减少实验所需的锥形放大半导体激光器的数量，简化实验系统光路，节省大量资源。

Description

基于声光调制器的多频激光时分复用放大器
技术领域
本发明涉及激光放大器，尤其涉及一种基于声光调制器的多频激光时分复用放大器。
背景技术
在光通信领域，光的时分复用传输技术对构建全光通信网络是必不可少的，它能大大地提高通信信道的传输效率，可参考文献(Ultrahigh-speedoptical time-division-multiplexed transmission technology based onoptical signal processing，S.Kawanishi，IEEE J.Quantum Electron.第34卷，2064页，1998年)。在一些冷原子物理实验中，我们也需要实现类似的功能，例如，用一根光纤中在不同的时间段传输不同频率的大功率激光来操控原子团。在原子干涉仪精密测量实验中，实验过程是按一定的顺序进行的，例如，在磁光阱中冷却和囚禁原子团，冷却完成后上抛原子团，利用双光子拉曼跃迁技术操控原子以实现干涉，清理其他态上的原子以探测所需态上的原子布居数等，可参考文献(Measurement of LocalGravity via a Cold Atom Interferometer，L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701页，2011年)，这些过程都需要频率不同的大功率激光作用到同一团原子上来完成。然而，多束大功率激光合束到一条光纤中的难度很大，各束光合束后损失也较大。因此，如果用一台锥形放大半导体激光器(TA)能分时段地输出不同频率的大功率激光，然后耦合进同一根光纤，输送到实验装置中来分时段地操控原子。这就需要有一个光开关来对输入TA的种子光进行切换，使TA工作在时分复用的模式下来完成整个实验。
一般地，可以用偏振分束器来将两束偏振激光束耦合后，注入TA，可参考文献(High-power multiple-frequency narrow-linewidth lasersource based on a semiconductor tapered amplifier,G.Ferrari等,Opt.Lett.第24卷,151页，1999年)。在激光耦合过程中，可用机械开关控制两束光的开关，使得在相应的时段只有一束激光注入TA。但是这种方法存在如下缺点：首先，如果开关损坏，就有可能会由于种子光过载而烧毁TA芯片，或者没有光注入TA而使TA芯片无法将能量以激光形式输出带走而毁坏芯片；其次，由于注入TA芯片需要偏振相同的激光束，用偏振分束器使两束激光合束势必会损失一半功率的激光才能得到偏振相同的两束激光，如果是多束激光耦合会导致损耗更大。利用电光调制器和光纤相位调制器也能实现类似的功能，但是，其调制的激光存在多个边带频率分量，且调制效率也不是很高，可参考文献(Application of electro-opticallygenerated light fields for Raman spectroscopy of trapped cesium atoms,I.Dotsenko等，Appl.Phys.B,第78卷,711页，2004年；Broadband opticalserrodyne frequency shifting,D.Johnson等,Opt.Lett.第35卷,745页，2010年)。
由此可见，前述的现有技术存在如下缺陷：多频激光合束方案对TA芯片存在安全隐患；激光功率损耗较大，往往难以保证足够功率的种子光；电光调制方案输出激光频率不纯，调制效率不高。为满足冷原子实验对多个频段高纯度大功率激光的需要，需要一种结构简单、能保证TA芯片安全、调制效率高的时分复用激光放大器。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术在芯片使用安全性、种子激光使用效率和输出激光频谱纯度方面存在的缺点和不足，实现一种基于声光调制器的多频激光时分复用放大器。
本发明的目的是这样实现的：
包括声光调制器、射频驱动源、二分之一波片、第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、单模保偏光纤和锥形放大半导体激光器；
通过声光调制器快速开关来切换注入锥形放大半导体激光器的种子激光，从而实现不同频率的入射种子光分时放大。
其位置和连接关系是：
第一种子激光和第二种子激光以两倍布拉格角分布，声光调制器位于第一种子激光和第二种子激光的角平分线的垂直线上；
射频驱动源和声光调制器连接，实现对声光调制器的开关控制；
选择第一种子激光或第二种子激光出射口的激光作为进入二分之一波片和第一光纤耦合镜的入射激光；
二分之一波片位于第一光纤耦合镜前面，用于调节激光偏振轴使激光与光纤偏振轴重合；
第一光纤耦合镜、单模保偏光纤和第二光纤耦合镜依次连接，实现对注入种子激光的耦合输入、导引和耦合输出；
第二光纤耦合镜的输出注入种子激光注入到锥形放大半导体激光器中，实现种子激光的放大输出。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、无论声光调制器是否工作，均有且只有一束激光注入锥形放大半导体激光器，从而保证锥形放大半导体激光器芯片的安全；
2、声光调制器的开关速度很快，最快能达到10纳秒量级，从而保证锥形放大半导体激光器能够在不中断工作的情况下，完成输出激光频率的快速切换；
3、挑选合适的声光调制器作为光开关，其衍射效率很高，其±1级衍射光能达到90％以上，0级光残存率可降到1.5％以下，使得激光和的隔离度达到18dB，即输出光纯度很高，且光功率损失很小；
4、激光和以相同偏振入射到声光调制器，分时段的合束注入到同一根光纤中，避免了偏振分束器合束而导致的一半光功率损失；
总之，本发明使锥形放大半导体激光器能安全地工作在时分复用模式下，能在其工作过程中分时段输出不同频率的大功率激光，提高锥形放大半导体激光器的使用效率，减少实验所需的锥形放大半导体激光器的数量，简化实验系统光路，节省大量资源。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
其中：
1—声光调制器；
2—射频驱动源；
3—二分之一波片；
4-1—第一光纤耦合镜，4-2—第二光纤耦合镜；
5—单模保偏光纤；
6—锥形放大半导体激光器(TA)；
a1—第一种子激光，a2—第二种子激光，a3—注入种子激光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
通过声光调制器的快速开关来切换注入锥形放大半导体激光器的种子光，从而实现不同频率的入射种子光分时放大，使锥形放大半导体激光器工作在时分复用模式下。
如图1，本发明包括声光调制器1、射频驱动源2、二分之一波片3、第一光纤耦合镜4-1、第二光纤耦合镜4-2、单模保偏光纤5和锥形放大半导体激光器6；
其位置和连接关系是：
第一种子激光a1和第二种子激光a2以两倍布拉格角分布，声光调制器1位于第一种子激光a1和第二种子激光a2的角平分线的垂直线上(满足声光调制条件：第一种子激光a1的+1级衍射光与第二种子激光a2的0级光完全重合；第二种子激光a2的-1级衍射光与第一种子激光a1的0级光完全重合)；
射频驱动源2和声光调制器1连接，实现对声光调制器1的开关控制；
选择第一种子激光a1或第二种子激光a2出射口的激光(如第一种子激光a1)作为进入二分之一波片3和第一光纤耦合镜4-1的入射激光(入射激光为第二种子激光a2的-1级衍射光或第一种子激光a1)；
二分之一波片3位于第一光纤耦合镜4-1前面，用于调节激光偏振轴使激光与光纤偏振轴重合；
第一光纤耦合镜4-1、单模保偏光纤5和第二光纤耦合镜4-2依次连接，实现对注入种子激光a3的耦合输入、导引和耦合输出；
第二光纤耦合镜4-2的输出注入种子激光a3注入到锥形放大半导体激光器6中，实现种子激光的放大输出。
二、功能部件
下面所述的功能部件均为常用标准件。
1、声光调制器1
声光调制器1是一种用于调制激光频率和幅度的器件，能使其±1级衍射光与零级光以两倍布拉格角分开，并将大部分激光功率集中调制到衍射级，用于选择其中一束输入光作为锥形放大半导体激光器6的种子光。
2、射频驱动源2
射频驱动源2是一种可输出一定功率的射频正弦波信号，并可对信号进行频率调制(包括调频，即FM和键控移频，即FSK)、幅度调制(AM)，其驱动声光调制器1实现对激光的操控。
3、二分之一波片3
二分之一波片3是一种调整激光偏振方向的器件。
4、光纤耦合镜4-1和4-2
光纤耦合镜4-1和4-2是一种将激光耦合进入光纤或将光纤出射的激光准直成一定直径的平行光束的器件，由固定光纤的法兰盘和聚焦透镜组成。
5、单模保偏光纤5
单模保偏光纤5是一种传输线偏振激光的光纤。
6、锥形放大半导体激光器(TA)6
锥形放大半导体激光器6是一种能将激光功率放大的器件，输出的大功率激光与输入的种子光频率相同，用于放大种子光的功率。
三、工作原理
下面详细阐述本发明的工作原理。
本发明的工作原理是基于高速开关的声光调制器，可参考文献(High-speedacousto-optic shutter with no optical frequency shift，W.Schwenger等,Rev.Sci.Instrum.第83卷,083110页，2012年)。
声光调制器1在声光调制器驱动信号源2的作用下，能高效率地调制激光。声光调制器1根据实验需要可对型号进行选择，晶体有效衍射区域大的声光调制器衍射效率高，但开关时间长；晶体有效衍射区域小的声光调制器开关速度快，但效率相对会低一些，导致激光隔离度不高。在操作时，可根据实际情况进行控制，我们采用的是80MHz的声光调制器(Crystal，3080-125)。
声光调制器驱动信号源2可以工作在频率调制(包括调频FM和键控移频FSK)、幅度调制(AM)模式下。其中频率调制是通过快速调制入射射频的频率，使与声光调制器匹配的布拉格角度快速变化，从而衍射效率急剧变小甚至接近于0，使激光不能耦合进光纤，从而实现激光的开关；幅度调制是通过控制入射射频功率的大小，使衍射效率降低甚至变为0，从而实现激光的开关。这两种方式都可以实现激光的开关，但又各有优缺点。
频率调制要求调制频率变化较大，使得进行频率调制前后，要么衍射效率最高，要么衍射效率接近于0。频率调制较小时，由于声光调制器1对激光仍存在衍射，导致0级光被移走，而+1级或-1级激光光又不能耦合进光纤，使系统不能正常工作。频率调制对信号源要求较高，我们采用的信号源(Agilent，33250A)，可以从0-80MHz之间进行快速调制，实验中采用的开关频率分别为80MHz和1MHz。频率调制中的调频(FM)是通过一个模拟信号控制频率大小，频率大小与调制电压的强度成线性关系，开关速度相对较慢；键控移频(FSK)是通过一个数字信号来控制两个特定频率之间的切换，高低电平分别对应一个频率，开关速度较快，但有这种功能的信号源较少。由于声光晶体折射率也会受温度影响，从而影响到激光传播角度的变化，进而使光纤耦合效率发生变化。而使用频率调制方式只变更了频率，射频功率(即热源)依然存在，调制前后激光传播角度基本不变，保证了调制前后种子光功率的稳定。
幅度调制通过模拟信号控制射频强度实现开关。幅度调制基本是每种信号源都具备的功能，实现较为容易，但开关速度相对较慢，且调制前后功率变化导致温度变化，使激光传播方向变化，容易导致激光功率大幅度变化。
综合上述两类三种调制方式优缺点，在实现程度上由易到难依次为幅度调制(AM)、调频(FM)、键控移频(FSK)；在调制速度上由快到慢依次为键控移频(FSK)、调频(FM)、幅度调制(AM)；在适应性上由广到窄依次为键控移频(FSK)、调频(FM)、幅度调制(AM)。键控移频(FSK)频率切换速度快，受温度变化影响小可实现交替时间较长的两个频率之切换，适应性最广，但需要配置功能齐备价格昂贵的信号源；调频(FM)速度次之，受温度变化小也可实现交替时间较长的两个频率之切换，对信号源要求也相对较低；幅度调制(AM)适应于调制速度相对较慢，在用于交替时间较短(如10ms量级温度变化很小)的情况，但对信号源配置要求最低。
入射的两束种子激光要求满足一特定的夹角：夹角大小为两倍布拉格角，声光调制器1位于两激光角平分线上。当用两束激光以上述角度分布时，即满足第一种子激光a1的+1级衍射光与第二种子激光a2的0级光完全重合；第二种子激光a2的-1级衍射光与第一种子激光a1的0级光完全重合。选择任意一组激光输出端的激光，如第一种子激光a1的0级光和第二种子激光a2的+1级衍射光出口端激光，通过第一光纤耦合镜4-1耦合进单模保偏光纤5，引到锥形放大器6前端的第二光纤耦合镜4-2准直后作为注入种子激光a3注入锥形放大半导体激光器6。当声光调制器1工作时，第二种子激光a2的-1级衍射光注入锥形放大半导体激光器6以产生相应频率的大功率激光耦合进光纤用于相应的实验，此时，第一种子激光a1的绝大部分激光被衍射到+1级方向，只有极小一部分0级光会一起注入锥形放大半导体激光器6，残余的0级光功率由声光调制器1的衍射效率决定；当声光调制器1停止工作时，第一种子激光a1注入锥形放大半导体激光器6，而第二种子激光a2则完全不能注入锥形放大半导体激光器6。因此，无论声光调制器1是否工作，都有且只有一束激光(在一定隔离度下)注入锥形放大半导体激光器6从而保证锥形放大半导体激光器6芯片的安全，也使得锥形放大半导体激光器6能分时段的以其额定功率输出不同频率的大功率激光，工作在时分复用的模式中。
另外，声光调制器工作时锥形激光放大激光器激光纯度相对较低，不工作时激光纯度高，可根据实际需要对激光频率进行选择。
综上所述，本发明克服了现有偏振激光合束、电光调制技术所存在的效率低、激光成分不纯等缺陷，具有结构简单、能保证锥形放大半导体激光器芯片的安全、激光插入损耗小、衍射效率高、输出激光纯度高等特点，使得锥形放大半导体激光器能安全的工作在时分复用模式下，大大的提高其工作效率，可以简化复杂的实验光路并节省大量的实验资源。

Claims (1)

1.一种基于声光调制器的多频激光时分复用放大器，其特征在于：
包括声光调制器（1）、射频驱动源（2）、二分之一波片（3）、第一光纤耦合镜（4-1）、第二光纤耦合镜（4-2）、单模保偏光纤（5）和锥形放大半导体激光器（6）；
其位置和连接关系是：
第一种子激光（a1）和第二种子激光（a2）以两倍布拉格角分布，声光调制器（1）位于第一种子激光（a1）和第二种子激光（a2）的角平分线的垂直线上；
射频驱动源（2）和声光调制器（1）连接，实现对声光调制器（1）的开关控制；
选择第一种子激光（a1）或第二种子激光（a2）出射口的激光作为进入二分之一波片（3）和第一光纤耦合镜（4-1）的入射激光；
二分之一波片（3）位于第一光纤耦合镜（4-1）前面，用于调节激光偏振轴使激光与光纤偏振轴重合；
第一光纤耦合镜（4-1）、单模保偏光纤（5）和第二光纤耦合镜（4-2）依次连接，实现对注入种子激光（a3）的耦合输入、导引和耦合输出；
第二光纤耦合镜（4-2）的输出注入种子激光（a3）注入到锥形放大半导体激光器（6）中，实现种子激光的放大输出。
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