CN106684704B - 超窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超窄线宽激光器，包括激光发生增益装置、光耦合器和两个反馈压缩装置，激光发生增益装置连接光耦合器的一端，光耦合器的另一端连接输出光纤、反馈压缩装置，通过对反馈压缩装置的腔长及腔长差进行设计，来获得单纵模窄线宽激光输出，并提高输出激光的边模抑制比；激光发生增益装置将产生的预设量激光传输给光耦合器，光耦合器将激光传输给对应的反馈压缩装置；每个反馈压缩装置都对入射激光线宽进行压缩，并通过光耦合器将线宽压缩后的激光反馈传输回激光发生增益装置进行增益放大；增益放大后的激光通过光耦合器，被传输给反馈压缩装置，以使对激光的线宽进行循环压缩，直至预设量激光全部从输出光纤传输出去。

Description

超窄线宽激光器

技术领域

本发明属于激光发生装置领域，具体涉及一种超窄线宽激光器。

背景技术

窄线宽的单纵模激光束是一种具有极低相位噪声和超长相干长度的优质激光，在光纤传感、光纤通信、激光雷达、分布式石油管道检测等领域中具有广阔的应用前景。众所周知，单纵模激光器由于体积小、成熟的生产工艺、低成本，其已被广泛应用于诸多领域，然而，其线宽限制了其在光纤分布式传感、光相干通信、激光雷达、等光学相干系统的应用(尤其是DFB激光器，其线宽一般在MHz或几百kHz量级)，因为这些光学相干系统的探测范围、测量灵敏度、测量精度以及测量底噪等性能参数都依赖于激光的线宽。所以如何通过简单的方式(构成线宽压缩的简易模块-黑盒子)来进一步压缩单纵模激光线宽具有非常重要的应用价值和学术意义。

目前，用于激光线宽压缩的方法主要有电学反馈控制和光自注入反馈，其中传统的光自注入反馈线宽压缩方式难以在进一步压缩线宽的同时实现激光单纵模输出。

发明内容

本发明提供一种超窄线宽激光器，以解决目前光自注入反馈线宽压缩方式存在的在进一步压缩线宽的同时难以实现激光单纵模输出的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种超窄线宽激光器，包括激光发生增益装置、光耦合器和两个反馈压缩装置，其中所述激光发生增益装置连接所述光耦合器的一端，所述光耦合器的另一端连接输出光纤以及所述两个反馈压缩装置，所述两个反馈压缩装置的腔长差越小，越易获得单纵模激光输出，且两个反馈压缩装置的腔长不为倍数关系，来获得单纵模窄线宽激光输出，并提高输出激光的边模抑制比；

所述激光发生增益装置用于产生预设量的激光并将所述预设量的激光作为入射光传输给所述光耦合器，所述光耦合器将对应量的入射光传输给对应的反馈压缩装置；针对每个反馈压缩装置，所述反馈压缩装置对所述入射光的线宽进行压缩，并通过所述光耦合器将线宽压缩后的激光反馈传输回所述激光发生增益装置进行增益放大；增益放大后的激光通过所述光耦合器，作为入射光被传输给所述反馈压缩装置，以使所述反馈压缩装置对所述入射光的线宽进行循环压缩，直至所述预设量的激光全部从所述输出光纤传输出去。

在一种可选的实现方式中，所述腔长差小于预设值时，输出激光的边模抑制比降低。

在另一种可选的实现方式中，通过对反馈传输回所述激光发生增益装置的激光的反馈率进行设置，来对输出激光的线宽进行调节。

在另一种可选的实现方式中，所述反馈率的设置对所述腔长的设计存在影响。

在另一种可选的实现方式中，所述反馈率越大，腔长设计越短。

在另一种可选的实现方式中，所述激光发生增益装置与所述光耦合器之间设置有光隔离器，通过对所述光耦合器的耦合比和所述光隔离器的隔离度进行设计，来设置所述反馈率，从而对输出激光的线宽进行调节。

在另一种可选的实现方式中，所述反馈率等于所述光耦合器的耦合比与所述光隔离器的隔离度对应的隔离系数之乘积。

在另一种可选的实现方式中，所述耦合比为10％至60％，所述隔离系数为0.0008。

在另一种可选的实现方式中，所述反馈压缩装置为光纤环形腔，所述光纤环形腔基于瑞利散射效应对所述入射光进行线宽压缩。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置两个反馈压缩装置，并对两个反馈压缩装置的腔长及腔长差进行设计，不仅可以进一步压缩输出激光的线宽，而且可以很容易实现单纵模输出，并且可以提高边模抑制比；

2、本发明通过对反馈率进行设置，可以进一步压缩激光线宽；

3、本发明通过在设计腔长时考虑反馈率的影响，可以保证激光线宽压缩效果；

4、本发明通过在设计时考虑腔长差对单纵模激光输出和边模抑制比的影响，可以保证激光能单纵模输出，且输出激光的边模抑制比较高。

附图说明

图1是本发明超窄线宽激光器的一个实施例结构示意图；

图2是单环光自注入反馈线宽压缩装置输出激光的一种形式的功率谱；

图3是单环光自注入反馈线宽压缩装置输出激光的另一种形式的功率谱；

图4是本发明双环超窄线宽激光器输出激光的一种形式的功率谱；

图5是本发明双环超窄线宽激光器在腔长分别为20.4m、13.7m时，输出激光的功率谱；

图6是本发明超窄线宽激光器的另一个实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明超窄线宽激光器的一个实施例结构示意图。该超窄线宽激光器可以包括激光发生增益装置110、光耦合器120和两个反馈压缩装置130，其中所述激光发生增益装置110连接所述光耦合器120的一端，所述光耦合器120的另一端连接输出光纤140以及所述两个反馈压缩装置130，其中，所述激光发生增益装置110用于产生预设量的激光并将所述预设量的激光作为入射光传输给所述光耦合器120，所述光耦合器120将对应量的入射光传输给对应的反馈压缩装置130，其中一部分入射光被传输给反馈压缩装置130，另一部分入射光从输出光纤140传输出去。针对每个反馈压缩装置130，所述反馈压缩装置130对所述入射光的线宽进行压缩，并通过所述光耦合器120将线宽压缩后的激光反馈传输回所述激光发生增益装置110进行增益放大；增益放大后的激光通过所述光耦合器120，作为入射光被传输给所述反馈压缩装置130，以使所述反馈压缩装置130对所述入射光的线宽进行循环压缩，直至所述预设量的激光全部从所述输出光纤140传输出去。由于经过循环压缩后的激光的增益得到了大幅提升，并且循环压缩的时间非常短，因此可以将循环压缩后的该部分激光作为该预设量激光的输出激光，从而可以获得窄线宽激光。本发明通过对所述两个光纤环形腔130的腔长及腔长差进行设计，来获得单纵模窄线宽激光输出，并提高输出激光的边模抑制比。

本实施例中，该反馈压缩装置可以为光纤环形腔，经申请人研究发现，针对单环超窄线宽激光器(即只包括一个光纤环形腔的光自注入反馈线宽压缩装置)，光纤环形腔的腔长越长，输出激光功率谱的纵模间距FSR越窄，在同等增益的情况下，其边模抑制比越小，越不容易获得单纵模激光；但是光纤环形腔的腔长越长，激光线宽越窄，由此可以得出单环超窄线宽激光器在光纤环形腔的腔长设计上存在矛盾点。结合图2所示，图2中从上至下的波浪曲线依次是腔长为57.1m、40.3m、13.7m和10.7m的单环超窄线宽激光器的功率谱，从图中可以看出，随着光纤环形腔腔长的增大，靠近中间频率处纵模越密集，即其纵模间隔FSR越窄，越易发生纵模跳变，从而越不容易获得单纵模激光。结合图3所示，图3中从下至上的波浪曲线依次是是腔长为57.1m、40.3m、13.7m和10.7m的单环超窄线宽激光器的功率谱，对应地，其输出激光线宽依次为22kHz、43kHz、47kHz、85kHz和105kHz，由此可见，随着光纤环形腔腔长的增大，输出的激光线宽越窄。

为了解决光纤环形腔在腔长上的设计矛盾点，本发明提出了设置两个光纤环形腔，通过对光纤环形腔的腔长及腔长差进行设计，可以解决传统光自注入反馈线宽压缩方式存在的在将MHz级别激光压缩至kHz级别时难以实现激光单纵模输出的问题。其中，本实施例中线宽压缩装置的纵模间隔FSR可以表示为：FSR＝c/[n*(L1-L2)]，其中c表示光速，n表示光纤折射率，L1表示其中一个光纤环形腔的腔长，L2表示另一个光纤环形腔的腔长。从式中可以看出，ΔL＝L1-L2的值越小，线宽压缩装置的纵模间隔FSR越大，更加易于获取单纵模输出，但是经申请人研究发现，由于各光纤环形腔形成的每个纵模都存在一定的线宽，双腔形成的纵模会产生交叠，形成新边模，当ΔL＝L1-L2过小(小于预设值)时，双腔形成的交叠面积很大，使得其形成的边模难以被抑制，故而得到边模抑制比较低，因此要获得良好的边模抑制比并获得单纵模窄线宽激光输出，必须对两个光纤环形腔的腔长以及两者的腔长差ΔL进行优化。

下面在反馈率(是指两个光纤环形腔每次反馈传输回激光发生增益装置110的光量与其接收到的光量的比值)一定的情况下，来讨论光纤环形腔的腔长对输出激光特性的影响。结合图4所示，图4中a至j均为基于双环超窄线宽激光器的功率谱，其右上角标注的Cavity 1，Cavity 2分别表示对应光纤环形腔的腔长。本实施例中以腔长为57.1m、40.3m、20.4m的光纤环形腔为长腔体，以腔长10.7m、13.7m为的光纤环形腔为短腔体，结合图4中a和b可以看出，当长腔体与长腔体组合时，其靠近中间频率处纵模越密集，其纵模间隔FSR越窄，越易发生纵模跳变，越不容易得到单纵模输出。结合图4中c和d可以看出，当长腔体与短腔体组合时，其边模抑制比SMSR由短腔体长度决定，随着短腔体腔长的减小，纵模间隔FSR越宽，越易得到单纵模输出，但精细度不高，长腔体与短腔体组合虽然能够起到线宽压缩的作用，但是边模抑制比SMSR并不能增加太多。结合图4中e、f、h和i可以看出，当长腔体与短腔体的腔长接近倍数关系组合时，边模抑制比SMSR也是由短腔体腔长决定，得不到很好的SMSR。结合图4中j可以看出，当两个光纤环形腔的腔长适中(其中一个属于长腔体，腔长为20.4m，另一个属于短腔体，腔长为13.7m)，且两者的腔长不呈现出近倍数关系时，有较好的SMSR，可以实现单纵模输出。

将图3中腔长分别为13.7m、20.4m的单环超窄线宽激光器的功率谱(即从上至下的第二条和第三条波浪曲线)与图5中腔体分别为20.4m、13.7m的双环超窄线宽激光器的功率谱进行比较。其中腔长为13.7m的单环超窄线宽激光器输出的激光线宽为85kHz，腔长为20.4m的单环超窄线宽激光器输出的激光线宽为47kHz，腔体分别为20.4m、13.7m的双环超窄线宽激光器输出的激光线宽为6.4kHz，由此可以看出，当增加一个光纤环形腔后，线宽压缩装置的激光线宽得到了进一步压缩。另外，腔长分别为13.7m和20.4m的单环超窄线宽激光器的边模抑制比都在30dB以下，腔体分别为20.4m、13.7m的双环超窄线宽激光器的边模抑制比在30dB以上，并且相比之下，腔体分别为20.4m、13.7m的双环超窄线宽激光器的功率谱中，靠近中间频率处纵模越稀疏，由此可见，当增加一个光纤环形腔后，超窄线宽激光器的边模抑制比得到提高，且更容易获得单纵模输出。

由上述实施例可见，本发明通过设置两个反馈压缩装置，并对两个反馈压缩装置的腔长及腔长差进行设计，不仅可以进一步压缩输出激光的线宽，而且可以很容易实现单纵模输出，并且可以提高边模抑制比。

另外，经申请人研究发现，通过对光纤环形腔反馈传输回所述激光发生增益装置的反馈率(即两个光纤环形腔每次反馈传输回激光发生增益装置的光量与其接收到的入射光量的比值)进行设置，可以对输出激光的线宽进行调节。为了实现腔外弱反馈，本发明中激光发生增益装置110与光耦合器之间还可以设置有光隔离器150，如图6所示，在对反馈率进行设置时，可以通过对光耦合器的耦合比和光隔离器的隔离度进行设计，以达到目标反馈率。其中反馈率等于光耦合器的耦合比与光隔离器的隔离度之乘积，由于经申请人研究发现，反馈率在0％～50％范围内时，激光反馈率越大，激光线宽越窄；反馈率在50％～95％范围内时，由于随着反馈率的增大，外界引入的噪声越大，激光线宽不仅不会进一步压缩，而且还可能增大，从而不利于激光线宽压缩。由此，本发明将光耦合器的耦合比设置在10％～60％之间，光隔离器的隔离度对应的隔离系数γ设置为0.0008，以此来保证激光线宽得到更好地压缩。

经申请人研究发现，为了达到更好的线宽压缩效果，在对反馈压缩装置的腔长进行设计时需要考虑设置的反馈率，即反馈率的设计对腔长的设计存在影响。通常，反馈率越大，腔长设计越短。

需要注意的是：上述反馈压缩装置不仅可以为光纤激光腔(例如光纤环形腔)，还可以是其他干涉仪，激光发生增益装置可以为DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)激光器，也可以是其他半导体或者光纤激光器，光耦合器可以为光纤耦合器或者空间耦合器。其中，当激光发生增益装置为DFB激光器时，通过增加两个反馈压缩装置，可以将DFB激光器输出的MHz级别的激光线宽压缩至kHz级别；当激光发生增益装置为光纤激光器时，可以将光纤激光器输出的kHz级别的激光线宽压缩至几百Hz级别。

本发明中自注入反馈条件下的激光线宽可以表示为：

其中，Δf0表示无反馈条件下的激光线宽，τe＝2nL/c表示腔外光反馈时间,c表示光速，n表示光纤折射率，L表示单腔反馈长度，τin表示半导体腔内反馈时间，Rin表示DFB输出端面的反射率，Re表示腔外反射率，α表示线宽增强因子，ε表示由腔外噪声引起的线宽微扰因子。我们加入DFB本身自带隔离器的隔离度对应的隔离系数γ，当γ足够小时，如本文所用DFB隔离度为～31dB，其隔离系数为γ＝0.0008，腔外反馈便属于弱反馈，反馈腔将提供线宽被压缩的激光反馈信号回到DFB腔内进行多次循环放大，最终使得输出激光的线宽逐渐被压缩。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种超窄线宽激光器，其特征在于，包括激光发生增益装置、光耦合器和两个反馈压缩装置，其中所述激光发生增益装置连接所述光耦合器的一端，所述光耦合器的另一端连接输出光纤以及所述两个反馈压缩装置，所述两个反馈压缩装置的腔长差越小，越易获得单纵模激光输出，且两个反馈压缩装置的腔长不为倍数关系，来获得单纵模窄线宽激光输出，并提高输出激光的边模抑制比；

所述激光发生增益装置用于产生预设量的激光并将所述预设量的激光作为入射光传输给所述光耦合器，所述光耦合器将对应量的入射光传输给对应的反馈压缩装置；针对每个反馈压缩装置，所述反馈压缩装置对所述入射光的线宽进行压缩，并通过所述光耦合器将线宽压缩后的激光反馈传输回所述激光发生增益装置进行增益放大；增益放大后的激光通过所述光耦合器，作为入射光被传输给所述反馈压缩装置，以使所述反馈压缩装置对所述入射光的线宽进行循环压缩，直至所述预设量的激光全部从所述输出光纤传输出去。

2.根据权利要求1所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述腔长差小于预设值时，输出激光的边模抑制比降低。

3.根据权利要求1或2所述的超窄线宽激光器，其特征在于，通过对反馈传输回所述激光发生增益装置的激光的反馈率进行设置，来对输出激光的线宽进行调节。

4.根据权利要求3所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述反馈率的设置对所述腔长的设计存在影响。

5.根据权利要求4所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述反馈率越小，腔长设计越短。

6.根据权利要求3所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述激光发生增益装置与所述光耦合器之间设置有光隔离器，通过对所述光耦合器的耦合比和所述光隔离器的隔离度进行设计，来设置所述反馈率，从而对输出激光的线宽进行调节。

7.根据权利要求6所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述反馈率等于所述光耦合器的耦合比与所述光隔离器的隔离度之乘积。

8.根据权利要求7所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述耦合比为10％至60％，所述隔离度为0.0008。

9.根据权利要求1所述的超窄线宽激光器，其特征在于，所述反馈压缩装置为光纤环形腔，所述光纤环形腔基于瑞利散射效应对所述入射光进行线宽压缩。