CN104934850A - 可调谐光学微腔拉曼激光器和可调谐光学微腔掺杂激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器领域，具体为可调谐光学微腔拉曼激光器和可调谐光学微腔掺杂激光器。可调谐光学微腔拉曼激光器，包括第一泵浦源、光学微腔、耦合器件和温控装置，第一泵浦源和光学微腔通过耦合器件连接且光学微腔位于温控装置的温控范围内；可调谐光学微腔掺杂激光器，包括产生980nm或1480nm泵浦光的第二泵浦源、掺杂光学微腔、耦合器件、波分复用器和温控装置，第二泵浦源、掺杂光学微腔和波分复用器通过耦合器件连接且掺杂光学微腔位于温控装置的温控范围内。本发明结构简单、体积小，Q值高，便于后续的集成化应用，通过对光学微腔温度的控制实现对出射激光波长的调谐，调谐机制简单、方便、效率高。

Description

可调谐光学微腔拉曼激光器和可调谐光学微腔掺杂激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体为可调谐光学微腔拉曼激光器和可调谐光学微腔掺杂激光器。

背景技术

可调谐光纤激光器是现代光纤通讯系统关键部件，具有与光纤天然的兼容性以及优质的光束质量，也常用于医学、光纤传感和光谱分析领域。随着通信容量的增加和光纤制造技术的发展，可调谐光纤激光器越来越受到重视并逐步得到应用。但是在实际应用中，人们发现目前市场上的各种类型的可调谐光纤激光器都存在一些难以克服的问题。

现有的可调谐拉曼光纤激光器的结构主要包括泵浦源、谐振腔、增益介质和声光可调谐滤波器，一般采用光栅对或级联的方式组成谐振腔，利用较长的高非线性光纤作为增益介质，其输出波长取决于泵浦源波长和增益介质的拉曼频移，并通过声光可调谐滤波器进行输出波长的调谐。这种结构的可调谐拉曼光纤激光器存在的问题是：(1)采用较长光纤作为非线性增益介质，体积相对较大；(2)谐振腔采用多对光纤布拉格光栅(FBG)级联的形式，常规FBG反射带宽较窄，使得激光器的转换效率受到限制；(3)无法与通讯系统的芯片做到很好的集成，无法大规模集成开发和应用；(4)Q值较低，激光器的转换效率较低，阈值较高，相对强度噪声较高；(5)激光器的调谐机制通常采用滤波器调谐和热调谐等形式，滤波器调谐，需引入额外光学器件，加大了系统的复杂度以及插入损耗，提高了激光器的成本；对于热调谐而言，需采用大面积加热，加热效率较低。

现有的可调谐掺杂光纤激光器的结构主要包括泵浦源、增益介质(即掺稀土离子光纤)、谐振腔和波长选择器件，泵浦源的能量激励光纤中的掺杂稀土离子跃迁到高能级，这些离子经过无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级，形成粒子数反转，再跃迁到激光下能级产生光子，光子在谐振腔中振荡放大后形成激光输出，并通过波长选择器件进行输出波长的调谐。这种结构的可调谐掺杂光纤激光器存在的问题是：(1)采用较长光纤作为增益介质，体积相对较大，限制了其在对尺寸有特殊要求的场合的应用，应用不便；(2)无法与现代通讯系统的芯片做到很好的集成，难以大规模集成开发和应用；(3)Q值较低，激光器的转换效率较低，阈值较高；(4)激光器的调谐机制多采用光纤光栅调谐、热调谐、光纤环形镜调谐和滤波器调谐等形式，其中光纤光栅调谐，受裸光纤光栅的温度、应变响应灵敏度的限制，调谐范围很窄；对于热调谐而言，需采用大面积加热，加热效率较低；光纤环形镜调谐和滤波器调谐均需引入额外光学器件，加大了系统的复杂度以及插入损耗，提高了激光器的成本；上述几种方式的调谐机制均存在缺陷，且不适合现代光纤通讯系统光学器件小型化、集成化的需求。

因此，有必要提供一种改进的技术方案，来解决传统可调谐光纤激光器所存在的问题。

随着人们对光学微腔的研究不断深入，基于光学微腔的激光器逐渐成为激光器的新发展趋势。

光学微腔，是指具有高品质因子(Q)且尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔。目前的光学微腔的形状主要包括微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔等。而这其中，基于回音壁模式的光学微腔最具代表性。

回音壁模式，源于声学领域，其原理是声波可以不断地在弯曲光滑的墙面反射而损耗很小，所以声音可以沿着墙壁传播很远的距离，这种效应被称为耳语回廊模式(Whispering Gallery Mode,WGM)即回音壁模式，典型的应用是著名的北京天坛回音壁。类似于声波在墙面反射，当光在从光密向光疏介质入射且入射角足够大时，也可以在两种介质表面发生全反射，那么在弯曲的高折射率介质界面也存在光学回音壁模式。在闭合腔体的边界内，光则可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。

基于光学微腔的激光器是在激光器的结构中用光学微腔代替传统的谐振腔，由于光学微腔的高Q值，使得基于光学微腔的激光器相较于传统的光纤激光器具有优良的特性。随着光学微腔技术的不断发展，它在激光器领域的应用也越来也广泛，例如基于光学微腔的拉曼激光器和基于光学微腔的掺杂激光器，但是关于可调谐的光学微腔激光器的研究却几乎处于空白阶段，尚未找到任何相关技术资料。

发明内容

针对现有技术中可调谐光纤激光器存在的问题，本发明提供一种新型的基于在半导体芯片上制备出的回音壁式光学微腔的可调谐拉曼激光器和可调谐掺杂激光器。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是：

可调谐光学微腔拉曼激光器，包括第一泵浦源、光学微腔和耦合器件，所述第一泵浦源和光学微腔通过耦合器件连接，还包括温控装置，所述光学微腔位于温控装置的温控范围内。

该技术方案的优点是：

1.不需使用较长光纤作为非线性增益介质，泵浦光在光学微腔内发生受激拉曼散射，产生拉曼频移，使得激光器结构简单，体积小，便于在各种场合应用。

2.通过温控装置对光学微腔实现温度控制，从而实现对光学微腔输出激光波长的调谐，调谐机制简单、方便、效率高。

3.光学微腔代替传统谐振腔，Q值较高，转换效率较高，阈值较低，相对强度噪声较低。

4.光学微腔在半导体芯片上制备，便于与后续连接的其他系统芯片集成，有利于大规模开发和应用。

作为改进，还包括偏振控制器，所述偏振控制器连接在第一泵浦源和耦合器件之间；用于调谐泵浦光偏振特性，提高耦合效率。

作为优选，所述光学微腔的制成材料为二氧化硅、聚合物、半导体和氟化钙的任意一种；根据不同制成材料各自的优点，选择合适的场合应用。

作为优选，所述光学微腔的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种；光学微腔多种结构可选，根据不同结构的特点，选择适合的场合应用。

作为改进，所述光学微腔内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层；增加镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度。

作为优选，所述耦合器件为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种；多种耦合器件可选，根据不同耦合器件各自的特点，选择适合的场合应用。

为实现以上技术目的,本发明的另一个技术方案是：

可调谐光学微腔掺杂激光器，包括用于产生980nm或1480nm泵浦光的第二泵浦源、掺杂有有源增益物质的掺杂光学微腔、耦合器件和波分复用器，所述第二泵浦源、掺杂光学微腔和波分复用器通过耦合器件连接，还包括温控装置，所述掺杂光学微腔位于温控装置的温控范围内。

该技术方案的优点是：

1.光学微腔的掺杂物质为增益介质，不需要较长光纤作为增益介质，使得激光器结构简单，体积小，便于在各种场合应用。

2.通过温控装置对光学微腔实现温度控制，从而实现对光学微腔输出激光波长的调谐，调谐机制简单、方便、效率高。

3.光学微腔在半导体芯片上制备，便于与后续连接的其他系统芯片集成，有利于大规模开发和应用。

4.光学微腔代替传统谐振腔，Q值较高，转换效率较高，阈值较低，相对强度噪声较低。

作为改进，还包括偏振控制器，所述偏振控制器连接在第二泵浦源和耦合器件之间；用于调谐泵浦光偏振特性，提高耦合效率。

作为优选所述有源增益物质至少包括一种稀土离子；光学微腔可以掺杂一种稀土离子，也可以是多种稀土离子共掺。

作为优选，所述掺杂光学微腔的制成材料为二氧化硅、聚合物、半导体和氟化钙的任意一种；根据不同制成材料各自的优点，选择合适的场合应用。

作为优选，所述掺杂光学微腔的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种；光学微腔多种结构可选，根据不同结构的特点，选择适合的场合应用。

作为改进，所述掺杂光学微腔内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层；增加镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度。

作为优选，所述耦合器件为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种；多种耦合器件可选，根据不同耦合器件各自的特点，选择适合的场合应用。

附图说明

图1是本发明可调谐光学微腔拉曼激光器实施例的结构示意图；

图2是光纤锥与光学微腔连接方式示意图；

图3是本发明可调谐光学微腔拉曼激光器实施例的出射激光波长与光学微腔温度之间的变化关系图；

图4是本发明本发明可调谐光学微腔掺杂激光器实施例的结构示意图；

图5是本发明本发明可调谐光学微腔掺杂激光器实施例的出射激光波长与光学微腔温度之间的变化关系图；

附图标记：1、第一泵浦源，2、光学微腔，3、耦合器件，4、温控装置，5、偏振控制器，6、第二泵浦源，7、掺杂光学微腔，8、波分复用器，8.1、波分复用器第一端口，8.2、波分复用器第二端口，8.3、波分复用器第三端口。

具体实施方式

微环形光学微腔调谐原理

微环型光学微腔谐振波长可以写为式1的形式

${\mathrm{\λ}}_M=\frac{2{\mathrm{\πRn}}_{eff}}{M}---\left(1\right)$

λ_M是激光在M(M为正整数)阶谐振模式时真空中的波长，R为微盘的半径,n_eff是回音壁模式的有效折射率。可以通过改变1式的谐振波长条件，使增益谱内的谐振出射波长发生改变，实现对激光器输出波长的调谐。当微腔的温度发生变化时，微腔体积和微腔材料的折射率均发生改变。因此可得到关于温度变化的微腔谐振波长方程如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_M\left(\mathrm{\Δ}T\right)\≅{\mathrm{\λ}}_0\[1+\left(\mathrm{\ϵ}+\frac{dn}{dT}/n_0\right)\mathrm{\Δ}T\]\\ \≡{\mathrm{\λ}}_0\left(1+a\mathrm{\Δ}T\right)\end{array}---\left(2\right)$

结合图1，详细说明本发明可调谐光学微腔拉曼激光器的具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，可调谐光学微腔拉曼激光器，包括第一泵浦源1、光学微腔2、耦合器件3、温控装置4和偏振控制器5，所述第一泵浦源1和光学微腔2通过耦合器件3连接，所述偏振控制器5连接在第一泵浦源1和耦合器件3之间，光学微腔2位于温控装置4的温控范围内。

其中第一泵浦源1选用产生1550nm泵浦光的半导体激光器；光学微腔2由二氧化硅材料制成且为微环结构，它的谐振波长的温度系数a＝6×10^-6[1/℃]，由式(2)以及相关的材料温度系数可知，微环腔温度每变化1℃拉曼激光器输出波长就会漂移6×10^-6λ₀(λ₀为初始温度时微腔的谐振波长)；耦合器件3选用光纤锥，耦合效率高，光纤锥与光学微腔的连接方式如图2所示；偏振控制器5用于控制泵浦光的偏振状态，提高激光器的耦合效率；温控装置4加热光学微腔2，通过精确控制光学微腔2的温度，实现对激光器出射激光波长的调谐。

工作时，第一泵浦源1出射1550nm泵浦光射入偏振控制器5，偏振控制器5调整泵浦光的偏振状态然后输出到光纤锥，再通过光纤锥耦合进入光学微腔2，耦合进入光学微腔的泵浦光的能量被集中在光学微腔内，形成高强度的激光场，由于受激拉曼散射效应，在腔内产生斯托克斯光和反斯托克斯光，泵浦光与斯托克斯光和反斯托克斯光相耦合引起能量的转移，从而实现激光的拉曼频移，形成出射激光，然后出射激光通过光纤锥从光学微腔2耦合输出。

将出射激光接入光谱仪，对出射激光波长进行测量，记录实验数据，得到如图3所示的可调谐光学微腔拉曼激光器出射激光波长与光学微腔温度之间的变化关系图。

由图3可知当光学微腔温度从23℃上升到89.5℃时，可调谐光学微腔拉曼激光器的出射激光波长也随之从1642.85nm漂移到1643.59nm，其中光学微腔的初始谐振波长为1642.85nm，图3中黑色实线是对实验数据进行线性拟合，线性度为0.99688，可知线性拟合斜率为0.01117，即激光器出射激光波长随温度的变化系数是0.01117nm/℃，与理论值基本吻合。

上述技术方案具体实施时，需要注意的有：

1.第一泵浦源1可以是半导体激光器，也可以是固体激光器、染料激光器等其他类型的激光器；

2.泵浦光波长不限于1550nm，各种波长均可，但是要满足一定的功率，以达到产生受激拉曼散射散射的条件，由于实际应用中激光器并不以功率来区分，而是以波长来区分，并且激光器功率可调，例如980nm激光器，1550nm激光器，故此技术方案的泵浦源不对功率加以限制；

3.光学微腔2的制成材料不限于二氧化硅，可以是硅、二氧化硅、氮化硅等芯片硅基材料以及其他半导体材料，也可以是熔融的无定型玻璃材料、晶体材料(主要有氟化钙、氟化镁)和聚合物材料等；光学微腔2的结构不限于微环，也可以是微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔等其他类型；光学微腔2内表面还可增加镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度，镀层可以为金属镀层，例如镀银、铝等，也可以是其他材料镀层，例如石墨烯等；

4.耦合器件3不限于采用光纤锥的形式，也可以是一端斜抛光的光纤、波导、和棱镜等其他近场耦合器件；

5.温控装置4可以是电热盘，热电偶等，其加热位置，可以是光学微腔2的底部，也可以是光学微腔2侧面等其他位置，具体的加热方式可以采用直接加热，例如电热盘直接接触微腔，也可以采用间接加热，例如改变光学微腔2周围的环境温度。

结合图4，详细说明本发明可调谐光学微腔掺杂激光器的具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图4所示，可调谐光学微腔掺杂激光器，包括产生980nm或1480nm泵浦光的第二泵浦源6、掺杂有有源增益物质的掺杂光学微腔7、耦合器件3、波分复用器8、温控装置4和偏振控制器5，所述第二泵浦源6、掺杂光学微腔7和波分复用器8通过耦合器件3连接，所述偏振控制器连接在第二泵浦源6和耦合器件3之间，掺杂光学微腔7位于温控装置4的温控范围内。

其中第二泵浦源6选用产生980nm泵浦光的半导体激光器；掺杂光学微腔7由二氧化硅材料制成且为微环结构，掺杂的有源增益物质为铒离子，它的谐振波长的温度系数a＝6×10^-6[1/℃]，由式(2)以及相关的材料温度系数可知，微环腔温度每变化1℃拉曼激光器输出波长就会漂移6×10^-6λ₀(λ₀为初始温度时微腔的谐振波长)；耦合器件3选用光纤锥，耦合效率高，光纤锥与光学微腔的连接方式如图2所示；偏振控制器5用于控制泵浦光的偏振状态，提高激光器的耦合效率；温控装置4加热掺杂光学微腔7，通过精确控制掺杂光学微腔7的温度，实现对激光器出射激光波长的调谐；波分复用器8，将掺杂光学微腔7输出的激光中不需要的杂光(未被吸收的泵浦光、增益介质产生的荧光等)和实际所需激光进行过滤分别输出。

工作时，第二泵浦源6出射980nm泵浦光射入偏振控制器5，偏振控制器5调整泵浦光的偏振状态然后输出到光纤锥，再通过光纤锥耦合进入掺杂光学微腔7，光学微腔7中掺杂的铒离子吸收耦合进入的泵浦光，受到激励跃迁到高能级，这些离子经过无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级，形成粒子数反转，再跃迁到激光下能级产生光子，光子在微腔中振荡放大后形成出射激光，然后出射激光通过光纤锥从掺杂光学微腔7耦合输出到波分复用器8，波分复用器8的第一端口8.1(适合980nm/1550nm波段)接收出射激光，波分复用器8进行滤光，将不需要的杂光(主要是未被吸收的泵浦光)和所需激光分别通过第二端口8.2(适合980nm波段)和第三端口8.3(适合1550nm波段)输出。

将波分复用器8的第三端口8.3输出的所需激光接入光谱仪，对输出激光的波长进行测量，记录实验数据，得到如图5所示的可调谐光学微腔掺杂激光器出射激光波长与掺杂光学微腔7温度之间的变化关系图。

由图5可知当掺杂光学微腔温度从23℃上升到89.5℃时，可调谐光学微腔掺杂激光器的出射激光波长也随之从1535.75nm漂移到1536.39nm，其中掺杂光学微腔7的初始谐振波长为1535.75nm，图5中黑色实线是对实验数据进行线性拟合，线性度为0.99496，可知线性拟合斜率为0.00974，即可调谐光学微腔掺杂激光器波长随温度的变化系数是0.00974nm/℃，与理论值基本吻合。

上述技术方案具体实施时，需要注意的有：

1.第二泵浦源6可以是半导体激光器，也可以是固体激光器、染料激光器等其他类型的激光器；

2.泵浦光波长不限于980nm，也可以是1480nm，只要其适于掺杂光学微腔7所掺杂的有源增益物质吸收即可。

3.掺杂光学微腔7的制成材料不限于二氧化硅，可以是硅、二氧化硅、氮化硅等芯片硅基材料以及其他半导体材料，也可以是熔融的无定型玻璃材料、晶体材料(主要有氟化钙、氟化镁)和聚合物材料等；掺杂光学微腔7的结构不限于微环，也可以是微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔等其他类型；掺杂光学微腔7所掺杂的有源增益物质可以是铒、镱等稀土离子的一种，也可以是多种稀土离子共掺；掺杂光学微腔7内表面还可增加镀层，改善掺杂光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度，镀层可以为金属镀层，例如镀银、铝等，也可以是其他材料镀层，例如石墨烯等；

4.耦合器件3不限于采用光纤锥的形式，也可以是一端斜抛光的光纤、波导、和棱镜等其他近场耦合器件；

5.温控装置4可以是电热盘，热电偶等，其加热位置，可以是掺杂光学微腔7的底部，也可以是掺杂光学微腔7的侧面等其他位置；具体的加热方式可以采用直接加热，例如电热盘直接接触微腔，也可以采用间接加热，例如改变掺杂光学微腔7周围的环境温度。

由上述两个实施例可知，本发明所述的可调谐微腔激光器，采用芯片式光学微腔代替传统的谐振腔，利用光学微腔随温度变化的特性(即当光学微腔的温度变化时，光学微腔的体积和折射率也随之变化)，通过对光学微腔温度的控制实现对出射激光波长的调谐。

与现有的可调谐光纤激光器相比，本发明所述的可调谐微腔激光器结构简单，体积小，成本低；Q值高，转换效率高、阈值低、相对强度噪声低；调谐机制采用热调谐，调谐简单、方便、效率高。

虽然可调谐微腔激光器的调谐原理与传统结构的热调谐光纤激光器的调谐原理类似，但是由于采用光学微腔结构，使得需要加热的面积明显减少，加热更加简单，热转化效率更高，调谐速度也更快，其性能明显优于传统结构的热调谐光纤激光器。

综上所述，本发明所述的可调谐微腔激光器，利用芯片式光学微腔代替传统的谐振腔，体积小，Q值高，便于后续的集成化应用；调谐机制简单、方便、效率高。与现有的可调谐光纤激光器相比，性能更加优越，结构更加简单，更适于集成化应用。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，例如在技术方案中仍可增加提高耦合效率的其他光学器件。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果，例如将本发明所述的调谐原理应用于其他类型的基于光学微腔的激光器；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调谐光学微腔拉曼激光器，包括第一泵浦源(1)、光学微腔(2)和耦合器件(3)，所述第一泵浦源(1)和光学微腔(2)通过耦合器件(3)连接，其特征在于：还包括温控装置(4)，所述光学微腔(2)位于温控装置(4)的温控范围内。

2.根据权利要求1所述的可调谐光学微腔拉曼激光器，其特征在于：还包括偏振控制器(5)，所述偏振控制器(5)连接在第一泵浦源(1)和耦合器件(3)之间。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐光学微腔拉曼激光器，其特征在于：所述光学微腔(2)内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层。

4.根据权利要求1或2所述的可调谐光学微腔拉曼激光器，其特征在于：所述耦合器件(3)为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种。

5.一种可调谐光学微腔掺杂激光器，包括用于产生980nm或1480nm泵浦光的第二泵浦源(6)、掺杂有有源增益物质的掺杂光学微腔(7)、耦合器件(3)和波分复用器(8)，所述第二泵浦源(6)、掺杂光学微腔(7)和波分复用器(8)通过耦合器件(3)连接，其特征在于：还包括温控装置(4)，所述掺杂光学微腔(7)位于温控装置(4)的温控范围内。

6.根据权利要求5所述的可调谐光学微腔掺杂激光器，其特征在于：还包括偏振控制器(5)，所述偏振控制器(5)连接在第二泵浦源(6)和耦合器件(3)之间。

7.根据权利要求5或6所述的可调谐光学微腔掺杂激光器，其特征在于：所述有源增益物质至少包括一种稀土离子。

8.根据权利要求5或6所述的可调谐光学微腔掺杂激光器，其特征在于：所述掺杂光学微腔(7)内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层。

9.根据权利要求5或6所述的可调谐光学微腔掺杂激光器，其特征在于：所述耦合器件(3)为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种。