CN105958314A - 一种单纵模窄线宽布里渊激光器 - Google Patents

一种单纵模窄线宽布里渊激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单纵模窄线宽布里渊激光器，包括激光器、激光源、波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，第四光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、掺铒光纤、高非线性光纤、拉锥光纤和光纤隔离器。本发明使用拉锥光纤作为反馈机制，利用其中的受激瑞利散射和多腔振荡的机理，进行线宽压缩和模式选择，能够实现单纵模窄线宽布里渊激光器。该激光器具有频率稳定、输出功率高以及线宽窄等优点，可以广泛应用在相干通信、光纤传感和微波光子学等领域。

Description

一种单纵模窄线宽布里渊激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种单纵模窄线宽布里渊激光器。
背景技术
单纵模窄线宽布里渊激光器，由于其具有窄线宽和频率稳定的优点，在高速光通信系统、高精度长距离分布式光纤传感系统(用于国防边境、隧道及石油管道监控等)、光器件和系统检测、微波光子学以及高精度光谱学等领域有着广泛的应用，还可用于相干光通信、频率锁定、激光雷达以及大功率激光器系统种子源。
目前实现单纵模窄线宽布里渊激光器的方法主要有缩短腔长、使用多环腔滤波结构以及使用饱和吸收体。缩短激光器的腔长，纵模间隔增大，由于环腔内模式竞争的存在，会对多纵模振荡现象产生抑制的作用，从而实现单纵模。但是短腔长单纵模布里渊激光器的阈值很高，需要很大的泵浦功率才能激发。使用多环腔结构也能实现单纵模运转，原理是只有与多个环腔的纵模间隔匹配的模式才可能在腔内振荡。但是多环腔结构不能压缩激光器线宽，级联的环腔数目越多，激光器线宽越大。利用饱和吸收体对纵模的吸收效果，同样可以抑制多纵模运转，然而饱和吸收体的吸收作用会使环形腔内损耗增大，从而导致激光器的输出功率变小。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于受激瑞利散射的自注入反馈的单纵模窄线宽布里渊激光器，克服现有技术需要很大的泵浦功率、不能压缩激光器线宽和腔内损耗大等问题，实现单纵模、窄线宽以及高功率的激光输出。
为了实现上述目的，本发明提供了一种单纵模窄线宽布里渊激光器，其特征在于，包括激光器、第一光纤环形器、激光源、波分复用器、掺铒光纤、增益介质、第一光纤耦合器、光纤隔离器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第二光纤环形器、拉锥光纤和第四光纤耦合器，其中：
所述激光器用于产生布里渊散射光，其与第一光纤环形器的第一端口相连；所述第一光纤环形器用于保证布里保证布里渊散射光的单向传输，其第二端口与波分复用器输入端的第一端口相连；其第三端口与第一光纤耦合器的输入端相连；
所述波分复用器有两个输入端，其中第一输入端接第一光纤环形器的第二端口，第二输入端口接激光源；波分复用器输出端与掺铒光纤相连，用于将第一、第二输入端进入的激光耦合进入掺铒光纤；
所述掺铒光纤用于放大布里渊泵浦光和散射光，其输出端与增益介质的一端相连；所述增益介质用作布里渊增益介质；
所述第一光纤耦合器用于将激光分成两路，其第二输出端与第二光纤环形器的第一端口相连，第一输出端与光隔离器的输入端相连；所述光隔离器输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，用于隔离其两端的端面反射；
所述第二光纤环形器的第二端口与拉锥光纤的一端相连，拉锥光纤的另一端与第四光纤耦合器的输入端相连，第四光纤耦合器的两个输出端互相连接；所述拉锥光纤的作用是模式选择和压缩线宽；第二光纤环形器的第三端口与第三光纤耦合器的第二输入端相连；
所述第二光纤耦合器的第一输出端与第三光纤耦合器的第一输入端相连，所述第三光纤耦合器的输出端与增益介质的另一端相连，用于将光传输至增益介质；所述第二光纤耦合器的第二输出端用于激光输出。
进一步的，所述激光源的波长为980nm，激光器波长为1550nm；所述波分复用器两个输入端对应的波长分别为980nm和1550nm。
进一步的，所述增益介质是高非线性光纤，其布里渊增益系数越高，受激布里渊散射阈值越小。
进一步的，所述的掺铒光纤是线性增益介质，所述激光器为DFB激光器。
进一步的，所述第一光纤耦合器的耦合比是50:50，所述第二光纤耦合器的耦合比是90:10，所述第三光纤耦合器的耦合比是50:50，所述第四光纤耦合器的耦合比是50:50。
本发明工作时，布里渊泵浦光通过环形器进入高非线性光纤中，激发反向受激布里渊散射，布里渊散射光得到掺铒光纤的线性放大和高非线性光纤的布里渊放大。散射光经过第一光纤耦合器分成两路，一路经隔离器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器后回到高非线性光纤形成振荡回路，产生激光。另一路则通过第二光纤环形器后，进入拉锥光纤中，反馈光通过环形器第三端口进入环形腔内，从而形成反馈光路。拉锥的过程是将光纤进行加热拉细处理，在一段光纤中连续拉多个拉锥，就构成一段拉锥光纤。如果没有拉锥光纤的存在，布里渊激光器将是多纵模运转。在引入拉锥光纤和反馈光路后，由于拉锥部分的瑞利散射增强，多个拉锥的级联有利于形成受激瑞利散射，从而压缩激光器的线宽；同时，任意两个拉锥之间会发生来回散射，形成谐振，在多个拉锥之间形成级联的多个谐振腔。等效的谐振腔数目越多，对模式的选择作用越强，增强滤波效果，从而实现单纵模运转。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于使用了拉锥光纤，利用其中的受激瑞利散射和多腔振荡的机理，能够实现单纵模窄线宽布里渊激光器。
附图说明
图1是拉锥光纤示意图；
图2是本发明单纵模窄线宽布里渊激光器示意图；
图3是布里渊激光器输出；
图4是布里渊激光器的电谱图；
图5为布里渊激光器的线宽；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器、2-第一光纤环形器、3-980nm激光源、4-波分复用器、5-掺铒光纤、6-高非线性光纤、7-第三光纤耦合器、8-第二光纤耦合器、9-光纤隔离器、10-第一光纤耦合器、11-第二光纤环形器、12-拉锥光纤、13-第四光纤耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下文结合附图对本发明进一步详细说明。
图1为本发明所使用的拉锥光纤12。拉锥光纤长度为100米，锥与锥之间的间距为5米，总共19个拉锥。未拉锥部分的光纤直径D为125μm，拉锥部分的直径d为80μm，长度为1cm。拉锥光纤的长度过长时，拉锥光纤的插入损耗变大，将导致激光输出功率降低；拉锥光纤的长度过短时，拉锥光纤中的瑞利散射强度不足以激发受激瑞利散射，达不到线宽压缩和模式选择的效果。因此，1cm长的拉锥光纤，长度足以产生强烈的瑞利散射，而不引入太大的损耗。
图2为本发明所提供的单纵模窄线宽布里渊激光器的结构示意图。本实施例中激光器为DFB激光器1，第一光纤环形器2、980nm激光源3、波分复用器4、掺铒光纤5、高非线性光纤6、第一光纤耦合器10、光纤隔离器9、第二光纤耦合器8、第三光纤耦合器7、第二光纤环形器11、拉锥光纤12、第四光纤耦合器13。
本发明是这样实现的：从DFB激光器1发出的连续光经过第一光纤环形器2和波分复用器4，进入被980nm光源3泵浦的掺铒光纤5中，连续光在此被放大。连续光进入高非线性光纤6后，激发受激布里渊散射。布里渊散射光反向传输。后向布里渊散射光依次经过掺铒光纤5、波分复用器4、第一光纤环形器2，第一光纤耦合器10，隔离器9，第二光纤耦合器8和第三光纤耦合器7。布里渊散射光在环腔被来自高非线性光纤6的受激布里渊增益和来自掺铒光纤5的线性增益同时放大。当布里渊散射光经历的总增益大于腔内的损耗时，布里渊散射光在环形腔中振荡并激射，产生布里渊激光输出。一部分布里渊激光通过第一光纤耦合器10和第二光纤环形器11进入拉锥光纤12中。拉锥光纤中有多个拉锥，由于拉锥部分的瑞利散射较强，布里渊激光将在多个拉锥之间来回散射，等效于多个谐振腔，可以起到模式选择的作用。同时布里渊激光在拉锥光纤12中激发受激瑞利散射，激光器线宽得到压缩。
第一光纤环形器2和光纤隔离器9保证了布里渊激光器的单向运行，因此限制了第二阶受激布里渊散射的产生。
该发明中的单纵模窄线宽布里渊激光通过第二光纤耦合器8输出激光。
图3是激光器的输出光谱图。激光器输出功率为1毫瓦，信噪比超过30dB。布里渊泵浦波长为1550.1nm，布里渊频移为0.084nm。
图4所示为激光器的电谱图，实验中没有观测到拍频信号的存在，说明激光器处于单纵模运转状态。
图5所示为激光器的3dB线宽图，如图所示，激光器的3dB线宽为1.4kHz，说明拉锥光纤中的受激瑞利散射大大压缩了布里渊激光器的线宽。
本发明提出了一种实现单纵模窄线宽布里渊激光器的方案，该方案能极大地压缩激光器线宽，提高线宽压缩比，单纵模窄线宽布里渊激光器的方案在相干通信、分布式传感和微波光子学领域有广泛的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单纵模窄线宽布里渊激光器，其特征在于，包括激光器(1)、第一光纤环形器(2)、激光源(3)、波分复用器(4)、掺铒光纤(5)、增益介质(6)、第一光纤耦合器(10)、光纤隔离器(9)、第二光纤耦合器(8)、第三光纤耦合器(7)、第二光纤环形器(11)、拉锥光纤(12)和第四光纤耦合器(13)，其中：
所述激光器(1)用于产生布里渊散射光，其与第一光纤环形器(2)的第一端口相连；
所述第一光纤环形器(2)用于保证布里保证布里渊散射光的单向传输，其第二端口与波分复用器(4)输入端的第一端口相连；其第三端口与第一光纤耦合器(10)的输入端相连；
所述波分复用器(4)有两个输入端，其中第一输入端接第一光纤环形器(2)的第二端口，第二输入端口接激光源(3)；波分复用器(4)输出端与掺铒光纤(5)相连，用于将第一、第二输入端进入的激光耦合进入掺铒光纤(5)；
所述掺铒光纤(5)用于放大布里渊泵浦光和散射光，其输出端与增益介质(6)的一端相连；所述增益介质(6)用作布里渊增益介质；
所述第一光纤耦合器(10)用于将激光分成两路，其第二输出端与第二光纤环形器(11)的第一端口相连，第一输出端与光隔离器(9)的输入端相连；所述光隔离器(9)输出端与第二光纤耦合器(8)的输入端相连，用于隔离其两端的端面反射；
所述第二光纤环形器(11)的第二端口与拉锥光纤(12)的一端相连，拉锥光纤的另一端与第四光纤耦合器(13)的输入端相连，第四光纤耦合器(13)的两个输出端互相连接；所述拉锥光纤(12)的作用是模式选择和压缩线宽；第二光纤环形器(11)的第三端口与第三光纤耦合器(7)的第二输入端相连；
所述第二光纤耦合器(8)的第一输出端与第三光纤耦合器(7)的第一输入端相连，所述第三光纤耦合器(7)的输出端与增益介质(6)的另一端相连，用于将光传输至增益介质(6)；所述第二光纤耦合器(8)的第二输出端用于激光输出。
2.根据权利要求书1所述的布里渊激光器，其特征在于，所述增益介质(6)是高非线性光纤，其布里渊增益系数越高，受激布里渊散射阈值越小。
3.根据权利要求书1所述的布里渊激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤是线性增益介质。
4.根据权利要求书1所述的布里渊激光器，其特征在于，所述第一光纤耦合器的耦合比是50:50，所述第二光纤耦合器的耦合比是90:10，所述第三光纤耦合器的耦合比是50:50，所述第四光纤耦合器的耦合比是50:50。
5.根据权利要求书1所述的布里渊激光器，其特征在于，所述激光器为DFB激光器。
6.权利要求1-4任一所述布里渊激光器，其特征在于，所述激光源的波长为980nm，激光器波长为1550nm；所述波分复用器(4)两个输入端对应的波长分别为980nm和1550nm。
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