CN108879304A - 基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器 - Google Patents

基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，包括可调单频激光器（1），掺饵光纤放大器（2），偏振控制器（3），光环形器（4），第一光纤光栅（5a），第二光纤光栅（5b），未泵浦掺饵光纤环（6），单模光纤（7），线宽测试系统（8）。本发明所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，与现有技术相比，其优点与积极效果具体体现在，光纤光栅结构的布里渊光纤激光器不仅可以使得泵浦光在腔中只运行一次，而且能抑制高阶斯托克斯波和反斯托克斯波，同时采用百米量级单模光纤增益介质和未泵浦光纤环来保证布里渊激光器的单纵模窄线宽输出。本发明采用未泵浦掺饵光纤环的光纤光栅结构，实现单纵模窄线宽布里渊光纤激光器。

Description

基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤光栅布里渊光纤激光器，具体为一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，包括可调谐单频激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光环形器、光纤光栅、未泵浦掺饵光纤环、单模光纤、光电探测器、线宽测试系统。
背景技术
受激布里渊散射(SBS)作为一种非线性效应，由于其带宽窄和噪声低的优势，越来越受到国内外研究者的关注。基于光纤中SBS的增益作用，可将其应用于窄带放大器、微波光子、慢光延时以及光纤激光器等领域。布里渊光纤激光器(BFL)因其结构简单线宽窄的优势，一直是研究的热点，其研究方向主要集中在以下几个方面。
Stokes等[L.F.Stokes,M.Chodorow,H.J.Shaw,Optics Letters,1982,7(10)509-511.]提出用2X2耦合器构成的环形腔实现了亚毫瓦抽运阈值的全光纤布里渊激光器，但是其对抽运光要求苛刻，需要精确对准谐振腔的谐振波长，而由光环形器[Z.J.Wu,L.Zhan,Q.S.Shen,et al.Optics Letters,2011,36(19),3837-3839.]或者非对称马赫曾德尔干涉仪[J.Yong,L.Thévenaz,B.Kim,J.Lightwave Technol.2003,21(2),546.]构成的单通环形腔则不需要抽运光与谐振腔谐振波长严格匹配，且利用了商用广泛的DFB半导体激光器作为抽运光，也为BFL产品化提供了有效的方案；在环长方面，由于SBS增益带宽约为20MHz，为了获得单纵模BFL，需要将腔长控制在10m左右，以保证在增益谱中只有一个谐振模式，虽然Yong等[J.Yong,L.Thévenaz,B.Kim,J.Lightwave Technol.2003,21(2),546.]将腔长扩展至27.6m，但是实验也证明了配置34m腔长时会出现多模现象。
上述方案腔长的局限性限制了更低阈值、更窄线宽的发展，而且环形结构容易产生高阶斯托克斯波和反斯托克斯波，进而影响布里渊激光的单纵模状态。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的是提供一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，包括可调单频激光器，掺饵光纤放大器，偏振控制器，光环形器，第一光纤光栅，第二光纤光栅，未泵浦掺饵光纤环，单模光纤，线宽测试系统。
所述可调单频激光器输出端与掺饵光纤放大器输入端相连，所述掺饵光纤放大器输出端与偏振控制器输入端相连，所述偏振控制器输出端与光环形器的第一端口相连，所述光环形器的第二端口与第一光纤光栅相连，所述光环形器的第三端口与线宽测试系统相连，所述第一光纤光栅与未泵浦掺饵光纤环相连，所述未泵浦掺饵光纤环与单模光纤相连，所述单模光纤与第二光纤光栅相连。
工作时，可调单频激光器作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器、偏振控制器和光环形器的第一端口和第二端口后，注入到布里渊光纤激光器谐振环中，其中第一偏振控制器用于调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态，以获得最大的布里渊增益；主腔由第一光纤光栅和第二光纤光栅构成，未泵浦掺饵光纤环作为辅腔，其由未泵浦掺饵光纤和耦合器构成，主腔和辅腔根据维纳效应保证布里渊光纤激光器单纵模输出，单模光纤作为布里渊光纤激光器的增益光纤，主腔的第一光纤光栅和第二光纤光栅要保证泵浦光、高阶斯托克斯波及反斯托克斯波仅在腔中通过一次；当泵浦光功率大于谐振腔损耗时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向经过光环形器的第二端口和第三端口进入线宽测试系统，线宽测试系统基本原理是利用外差拍频测量激光器线宽。
本发明所提供的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，与现有技术相比，其优点与积极效果具体体现在，光纤光栅结构的布里渊光纤激光器不仅可以使得泵浦光在腔中只运行一次，而且能抑制高阶斯托克斯波和反斯托克斯波，同时采用百米量级单模光纤增益介质和未泵浦光纤环来保证布里渊激光器的单纵模窄线宽输出。
本发明设计合理，采用未泵浦掺饵光纤环的光纤光栅结构，实现单纵模窄线宽布里渊光纤激光器。
附图说明
图1表示本发明提出的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器的结构示意图。
图中：1-可调单频激光器，2-掺饵光纤放大器，3-偏振控制器，4-光环形器，5a-第一光纤光栅，5b-第二光纤光栅，6-未泵浦掺饵光纤环，7-单模光纤，8-线宽测试系统。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，包括可调单频激光器1，掺饵光纤放大器2，偏振控制器3，光环形器4，第一光纤光栅5a，第二光纤光栅5b，未泵浦掺饵光纤环6，单模光纤7，线宽测试系统8。
基于上述的构成要件，本发明的构成关系如下：可调单频激光器1输出端与掺饵光纤放大器2输入端相连，掺饵光纤放大器2输出端与偏振控制器3输入端相连，偏振控制器3输出端与光环形器4的第一端口41相连，光环形器4的第二端口42与第一光纤光栅5a相连，光环形器4的第三端口43与线宽测试系统8相连，第一光纤光栅5a与未泵浦掺饵光纤环6相连，未泵浦掺饵光纤环6与单模光纤7相连，单模光纤7与第二光纤光栅5b相连。
可调单频激光器1作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器2、偏振控制器3和光环形器4的第一端口41和第二端口42后，注入到布里渊光纤激光器谐振环中，其中第一偏振控制器3用于调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态，以获得最大的布里渊增益；主腔由第一光纤光栅5a和第二光纤光栅5b构成，未泵浦掺饵光纤环6作为辅腔，其由未泵浦掺饵光纤和耦合器构成，主腔和辅腔根据维纳效应保证布里渊光纤激光器单纵模输出，单模光纤7作为布里渊光纤激光器的增益光纤，主腔的第一光纤光栅5a和第二光纤光栅5b要保证泵浦光、高阶斯托克斯波及反斯托克斯波仅在腔中通过一次；当泵浦光功率大于谐振腔损耗时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向经过光环形器4的第二端口42和第三端口43进入精度为1Hz的线宽测试系统8，线宽测试系统基本原理是利用外差拍频的方式测量激光器线宽。
基于上述具体实施方式，本发明进一步的具体实施方案如下：
所采用的可调单频激光器1是中心波长为1550nm，光谱线宽为10kHz，边摸抑制比>35dB，最大输出功率为5mW的连续运行激光器。
所采用的掺饵光纤放大器2输出功率为0.5W～2W、波长范围为1545nm～1565nm。
所采用的第一光纤光栅5a的20dB带宽为0.2nm，第二光纤光栅5b的3dB带宽为0.3nm，两个光纤光栅的中心波长在实验中需要通过拉制的方式进行调节，同时要保证一阶斯托克斯波在腔中进行谐振，而对泵浦光、高阶斯托克斯波及反斯托克斯波有抑制效果。
所采用的未泵浦掺饵光纤环6中未泵浦掺饵光纤长度为10m左右，以保证布里渊激光处于单纵模运行状态。
所采用的单模光纤7是长度为百米量级的G.652单模光纤。
所采用的线宽测试系统8基本原理是通过外差拍频的方式进行激光线宽测量，其测量线宽精度为1Hz。
所采用的布里渊光纤激光器的工作原理如下：
光纤中，入射激光和光纤中声波发生非线性的相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起了光纤折射率的周期性调制，产生频率上、下频移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光，在光纤中产生的布里渊频移νB，表示为式(1)：
νB＝(2νA/c)νP (1)
其中，νP为泵浦光频率，νA为声速，c为光速，νB在1550nm附近大约为10GHz。当掺铒光纤放大器的功率达到谐振腔损耗值时，出现布里渊激光。FSRm＝c/(nLm)(m＝1,2)是主腔和辅腔的FSRm，Lm是主腔和辅腔的环长，im为整数，根据维纳效应，有效FSR可表示为：
FSR＝i1FSR1＝i2FSR2 (2)
因此，只有当某一频率达到布里渊增益最大值并且同时满足主腔和辅腔的谐振条件时，激光器模式才可以起振。
布里渊激光器的线宽ΔνBFL与抽运光线宽ΔνP关系可表示为
ΔνBFL＝ΔνP/(1+γA/ΓC)2 (3)
式中，γA＝πΔνB(布里渊增益带宽ΔνB＝20MHz)为声波衰减率，ΓC＝-clnR/nL为腔损耗率，可知环长越长线宽越窄。
具体工作时，可调单频激光器1作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器2、偏振控制器3和光环形器4的第一端口41和第二端口42后，注入到布里渊光纤激光器谐振环中，其中第一偏振控制器3用于调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态，以获得最大的布里渊增益；主腔由第一光纤光栅5a和第二光纤光栅5b构成，未泵浦掺饵光纤环6作为辅腔，其由未泵浦掺饵光纤和耦合器构成，主腔和辅腔根据维纳效应保证布里渊光纤激光器单纵模输出，单模光纤7作为布里渊光纤激光器的增益光纤，主腔的第一光纤光栅5a和第二光纤光栅5b要保证泵浦光、高阶斯托克斯波及反斯托克斯波仅在腔中通过一次；当泵浦光功率大于谐振腔损耗时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向经过光环形器4的第二端口42和第三端口43进入精度为1Hz的线宽测试系统8，线宽测试系统基本原理是利用外差拍频的方式测量激光器线宽。
上述所提供的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，由于采用的光纤光栅结构不仅可以使得泵浦光在腔中只运行一次，而且能抑制高阶斯托克斯波和反斯托克斯波的产生，同时采用百米量级单模光纤增益介质和未泵浦光纤环来保证布里渊激光器的单纵模窄线宽布里渊激光输出。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (7)

1.一种基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：包括可调单频激光器（1），掺饵光纤放大器（2），偏振控制器（3），光环形器（4），第一光纤光栅（5a），第二光纤光栅（5b），未泵浦掺饵光纤环（6），单模光纤（7），线宽测试系统（8）；
所述可调单频激光器（1）输出端与掺饵光纤放大器（2）输入端相连，所述掺饵光纤放大器（2）输出端与偏振控制器（3）输入端相连，所述偏振控制器（3）输出端与光环形器（4）的第一端口（41）相连，所述光环形器（4）的第二端口（42）与第一光纤光栅（5a）相连，所述光环形器（4）的第三端口（43）与线宽测试系统（8）相连，所述第一光纤光栅（5a）与未泵浦掺饵光纤环（6）相连，所述未泵浦掺饵光纤环（6）与单模光纤（7）相连，所述单模光纤（7）与第二光纤光栅（5b）相连。
2.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述可调单频激光器（1）是中心波长为1550nm，光谱线宽为10kHz，边摸抑制比>35dB，最大输出功率为5mW的连续运行激光器。
3.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述掺饵光纤放大器（2）的输出功率为0.5W~2W、波长范围为1545nm~1565nm。
4.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述第一光纤光栅（5a）的20dB带宽为0.2nm，所述第二光纤光栅（5b）的3dB带宽为0.3nm。
5.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述未泵浦掺饵光纤环（6）中未泵浦掺饵光纤长度为10m。
6.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述单模光纤（7）是长度为百米量级的G.652单模光纤。
7.根据权利要求1所述的基于未泵浦掺铒光纤环的光纤光栅布里渊光纤激光器，其特征在于：所述线宽测试系统（8）是通过外差拍频的方式进行激光线宽测量，其测量线宽精度为1Hz。
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