CN108988106B - 基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器 - Google Patents

基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器，属于激光器领域，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，以及超表面外腔镜，其中,信号光在光纤放大器中进行增益放大，经光纤环形器端口1’传输至端口2’，经过光纤准直器准直后垂直入射至超表面外腔镜上；该超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器；该反射光被光纤准直器收集后经过光纤环形器端口2’传输至端口3’，然后进入光纤耦合器进行部分输出以及部分返回光纤放大器形成回路。本发明通过超表面外腔镜实现单/多波长激光的可控输出，结构简单，成本低廉，可靠性好。

Description

基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器。
背景技术
随着大容量光纤通信网的发展，密集波分复用技术得以广泛应用。在密集波分复用系统中，其核心部件激光光源-多波长激光器同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的成本大幅度降低，是实现低成本传输的理想解决方案。
在光纤通信、光纤传感以及多光束干涉测量系统中，多波长激光器起着日益重要的作用。在已有的相关报道中，多波长激光器既可采用半导体激光器阵列，也可以使用多个光纤光栅耦合，或用掺稀土元素的光纤激光器，但上述激光器的激光输出在线宽、模式以及波长稳定性等方面均不能达到理想的要求，并且激光器结构复杂。外腔半导体激光器大多使用光纤光栅或闪耀光栅作为外腔反馈元件，用来对半导体激光器输出的众多模式进行选择，大多数激光器只能从这些模式中选择一个模式,输出单一波长的激光。对于多波长光纤激光器而言，由于增益媒介(如铒离子)在增益频谱上呈现均与展宽的特性，激光输出谱线中存在很强的模式竞争，需要合适的腔体结构设计来抑制模式竞争，达到稳定的多波长输出的目的。目前实现多波长光纤激光器采用的技术包括基于保偏光纤的梳状滤波器，利用可饱和吸收体的被动锁模技术以及改进的马赫-曾德尔滤波器。但是上述方案结构都比较复杂，需要昂贵的保偏光纤，同时对腔体的损耗，偏振态等需要非常精细的调节，难以获得稳定的多波长输出。在被动锁模技术中由于阈值较高，功耗过大，使得器件的效率大幅下降。
近些年来，介质超表面结构以其结构简单，设计灵活，和低损耗的特点成为研究热点。超表面结构中的电偶极子振荡产生的法诺谐振可以达到很高的品质因子。基于超表面结构的无源器件，包括全反射镜，惠更斯超表面，传感器等的研究比较成熟，但是与有源器件的结合还是鲜有报道。
因此，研发一种基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，既能输出可控多波长激光，又能解决现有多波长激光器结构复杂且输出波长稳定性不理想的缺陷，成为本领域的技术难题。
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超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器，其目的在于，利用具备超表面结构的超表面外腔镜作为激光器反射镜和波长选择元件，通过调节超表面结构上微纳图形阵列的周期排布、微纳图形的尺寸改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，其特征在于，还包括超表面外腔镜，其中，
所述光纤放大器用于对信号光进行增益放大，然后入射至所述光纤环形器的端口1’随后进入其端口2’，然后经过所述光纤准直器准直后垂直入射至所述超表面外腔镜上；
所述超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器，然后入射至所述光纤环形器的端口2’随后进入其端口3’，然后射出至所述光纤耦合器；
所述光纤耦合器用于将一部分的光输入至所述光纤放大器中进行放大形成回路，剩余部分进行输出。
所述超表面外腔镜作为激光器的反射镜，同时具有波长选择性反射的作用。
优选地，所述超表面外腔镜的表面为亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的图形阵列；以此方式，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。
通过采用亚波长周期性结构的超表面结构，当光场垂直入射到该超表面结构时，能够激发介质超表面内部偶极子的集群性相干振荡，这种光场的局域振荡与入射光相互作用从而改变光的透射和反射特性。
超表面外腔镜对满足超表面结构内部振荡条件的波长具备高反射率，对其他波长具备高透过率。通过拼接一个或多个微纳图形阵列，超表面结构同时对一个或多个波长具备高反射率，对其他波长具备高透过率，则可实现单/多波长激光的产生。
优选地，所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。
通过调控六方晶格和准晶格中微纳图形的尺寸和周期，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长激光。
优选地，所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格，该微纳图形阵列能反射单波长或两种波长的激光。
通过调控四方晶格中微纳图形x和y方向周期、微纳图形的尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长或者双波长激光。
优选地，所述超表面结构上制备有多个拼接的微纳图形阵列，每个微纳图形阵列反射不同的单波长或两种波长激光，则该超表面结构能够反射多波长的激光。
通过将多个微纳图形阵列拼接，即可实现多波长激光的输出。可根据具体反射波长的需要，灵活拼接不同反射波长的微纳图形阵列，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。
优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。以上图形都可以通过曝光和刻蚀技术加工，制备简单。
优选地，所述光纤准直器射出的光斑尺寸不超过所述超表面结构上所有微纳图形阵列的总面积，以确保入射光场全部参与法诺谐振，提高信号波长的反射率。
优选地，所述超表面外腔镜是多层结构，上面一层是器件层，中间层为低折射率或高折射率层，下面一层是衬底层，其中所述器件层为制备有所述超表面结构的介质薄膜；所述中间层的高折射率或低折射率是相对所述器件层而言的，比所述器件层的折射率高为高折射率，比所述器件层的折射率低为低折射率。
优选地，所述衬底层和器件层选用对激光器发射的光波段透明的材料，以减少系统的吸收损耗，提高激光器的发光效率。
优选地，若激光器发射的激光在通讯波段，所述超表面外腔镜选用绝缘体上硅(SOI)。所述通讯波段一般是指1200nm-1600nm波段。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明利用具备超表面结构的超表面外腔镜作为激光器反射镜和波长选择元件，通过调控超表面结构上微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的法诺谐振波长，进而实现波长选模，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。该方案不仅可以实现单/多波长激光的可控稳定输出，而且结构简单，不需要搭建复杂的波长选择系统。由于超表面中的法诺谐振可以实现非常高的品质因子，可以实现多波长激光的稳定输出；超表面外腔镜可以利用成熟的半导体微纳加工技术大批量制备，成本低廉，可靠性好；
2、通过调控四方晶格微纳图形的中的x和y方向周期、微纳图形的尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长或者双波长反射；通过调控六方晶格和准晶格中微纳图形的尺寸和周期，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长激光；
3、通过将多个微纳图形阵列拼接，即可实现多波长激光的输出。可根据具体反射波长的需要，灵活拼接不同反射波长的微纳图形阵列，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。
附图说明
图1是本发明实施例中基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器结构示意图；
图2是本发明实施例1的超表面结构示意图；
图3(a)是本发明实施例中Fano线型产生原理图一；
图3(b)是本发明实施例中Fano线型产生原理图二；
图4是本发明实施例2的超表面结构示意图。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、980nm泵浦源 2、980nm/1550nm波分复用器 3、掺铒光纤
4、光纤环形器 5、光纤准直器 6、超表面外腔镜
7、光纤耦合器 8、光谱仪
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。
下面本发明在实施例中将以不同超表面结构的双波长，四波长为例阐述可控多波长光纤外腔激光器的设计思想；同时，本发明在具体实施示例中采用掺铒光纤作为增益介质。
实施例一
本实施例为双波长光纤外腔激光器。
如图1所示，基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器包括：光纤放大器、光纤环形器4、光纤准直器5、超表面外腔镜6和光纤耦合器 7，其中，
光纤放大器、光纤环形器4、光纤准直器5、超表面外腔镜6和光纤耦合器7依序设置成环形腔结构。
本实施例中，光纤放大器优选地由980nm泵浦源1、980nm/1550nm波分复用器2和掺铒光纤3组成；掺铒光纤3光纤的增益范围优选为1530nm 到1570nm，长度为20m；光纤环形器4、光纤准直器5和光纤耦合器7的工作范围优选为1530nm到1580nm；光纤耦合器7优选为10:90光纤耦合器。
超表面外腔镜6作为激光器的反射镜，同时具有波长选择性反射的作用。超表面外腔镜的表面为亚波长周期性结构的超表面结构，激光器的激射波长取决于超表面结构的反射波长。本实施例中，超表面外腔镜6为三层结构，上面一层是器件层，中间层为低折射率或高折射率层，低折射率或高折射率是相对器件层而言的，下面一层是衬底层，其中器件层为制备有超表面结构的介质薄膜，衬底层和器件层优选地选用对激光器发射的光波段透明的材料。超表面外腔镜6优选地选用绝缘体上硅(SOI)，其中衬底层为Si厚度700um，中间层为埋氧层SiO2厚度2um，器件层为顶Si厚度220nm。除了绝缘体上硅(SOI)外，超表面外腔镜6还可以选用氮化硅等。
如图2所示为超表面外腔镜6的双反射波长超表面结构的图形结构示意图。超表面结构上制备有一个微纳图形阵列，该微纳图形阵列的面积不大于光纤准直器射出的光斑尺寸。微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的图形阵列。
本实施例中，微纳图形阵列的周期排布为四方晶格，微纳图形为纳米孔。通过电子束曝光和刻蚀等微纳加工技术在SOI基片的器件层(即顶硅厚度220nm)刻出如图2所示的纳米孔阵列。纳米孔直径90nm，深度113nm， x方向周期900nm，y方向周期905nm。整个阵列尺寸800um×800um。
如图3(a)和图3(b)所示为Fano线型产生原理图，当外部光场垂直入射到超表面上时，激发周围谐振单元(偶极子)中的位移电流的集体振荡，这里我们把这种电流的振荡视作电偶极子或磁偶极子。由于小孔的存在，对于单个元胞(微纳图形)而言，有纳米孔区域和无纳米孔区域的等效折射率有的微弱的差异，在每一个谐振单元内的反向偶极子会进行相消干涉，残留的分量就会形成结构内的俘获模(Trapped mode)。俘获模与平板内的FP模式互相作用最后形成这种非对称的Fano线形。由于每一个谐振单元都是一模一样的，相邻的振荡之前互相耦合就会强化这种谐振行为，使线宽进一步缩窄，光场谐振的品质因子提高。由于不同的周期对应不同的谐振波长，如图2所示的xy异周期阵列对应两个谐振波长，因而该器件有两个反射波长，分别位于1554.7nm和1556.3nm。注意这两个反射波长的偏振方向互相垂直。
进一步地，对于周期排布为四方晶格的单个微纳图形阵列而言，当四方晶格中微纳图形的x和y方向周期相同时，该纳图形阵列可反射单一波长的激光；当四方晶格中微纳图形的x和y方向周期不同时，该纳图形阵列可反射双波长的激光；通过调控四方晶格的x和y方向周期、微纳图形的尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长或者双波长反射。对于周期排布为六方晶格或准晶格的单个微纳图形阵列而言，通过调控其微纳图形的周期和尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长。将多个微纳图形阵列拼接，即可实现多波长激光的可控输出。可根据具体反射波长的需要，灵活拼接不同反射波长的微纳图形阵列，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。
工作时，980nm泵浦源1产生泵浦光，泵浦光经过980nm/1550nm波分复用器2，然后经过掺铒光纤3增益放大后进入光纤环形器4的端口1’，随后进入其端口2’，经过光纤准直器5变成准平行光垂直入射到超表面外腔镜6上，超表面外腔镜6的超表面结构内部感应出位移电流形成强烈的法诺谐振，特定波长的光被反射经过准直器进入光纤环形器4的端口2’到达端口3’，90％的光强经过光纤耦合器7回到掺铒光纤3中进行放大形成回路，10％的光强经过光纤耦合器7进行输出，例如到光谱仪8。
实施例二
本实施例为四波长光纤外腔激光器。
本实施例中激光器结构与实施例一中相同，不同之处在于，本实施例中的超表面外腔镜6的超表面的图形结构不同，其采用四波长反射超表面图形结构。
如图4所示，为四波长反射超表面结构示意图，该超表面结构采用四个不同反射波长的纳米孔阵列(微纳图形阵列)紧密拼和而成，准直光的光斑位于超表面结构的中心区域。通过电子束曝光和刻蚀等微纳加工技术在顶硅厚度220nm的SOI基片刻出如图4所示的四波长反射超表面结构。该结构由四块不同周期的呈四方晶格排列的纳米孔阵列紧密拼接而成，每块区域(纳米孔阵列)分别对应一个反射波长。如图4 所示，纳米孔直径 90nm，深度113nm，其中右上角区域纳米孔阵列的晶格周期为895nm，对应的反射波长为λ1＝1553.1nm，左上角区域纳米孔阵列的晶格周期为900nm，对应的反射波长为λ2＝1554.7nm，左下角区域纳米孔阵列的晶格周期为 905nm，对应的反射波长为λ3＝1556.3n，右下角区域纳米孔阵列的晶格周期为910nm，对应的反射波长为λ4＝1557.9nm。整个图形尺寸约1mm。
工作时，980nm泵浦光与信号光通过波分复用器2耦合进入回路中，信号光在被泵浦的掺铒光纤3中放大后进入光纤环形器4的端口1’，随后传输至端口2’，经过光纤准直器5准直后垂直入射至超表面外腔镜上，超表面外腔镜的超表面结构内部感应出位移电流形成强烈的法诺谐振，四个特定波长λ1、λ2、λ3、λ4的光被反射，其他波长的光发生透射。这四个波长的光被反射后经过光纤准直器5后进入光纤环形器4的端口2’到达端口3’，90％的光强经过光纤耦合器7回到掺铒光纤3中进行放大形成回路，10％的光强经过光纤耦合器7进行输出，例如到光谱仪8。
进一步地，若超表面由N个不同反射波长的微纳图形阵列拼接而成，则该超表面外腔镜光纤激光器可以同时实现N波长出射；
进一步地，构成超表面的微纳图形阵列的排布可以是四方晶格，六方晶格或者准晶格，实际制备时可根据波长需要选择合适的晶格类型；对于周期排布为六方晶格或准晶格的单个微纳图形阵列而言，通过调控其微纳图形的周期和尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长。
进一步地，构成超表面的微纳图形单元可以是纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环、纳米棒等其它可以利用微纳加工技术制备的形状。
进一步地，该超表面外腔镜的材料可以是其它种类，如SiN、SiC等，只需保证材料在激光器的发光波长内没有吸收损耗即可。实际操作中可根据激光器的波长选择合适的材料体系。
本发明利用具备超表面结构的超表面外腔镜作为激光器反射镜和波长选择元件，通过调节超表面结构上微纳图形阵列的周期排布、微纳图形的尺寸改变单个微纳图形阵列的的法诺谐振波长，进而实现波长选模，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。该方案不仅可以实现单/多波长激光的可控稳定输出，而且结构简单，成本低廉，可靠性好。
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.基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，其特征在于，还包括超表面外腔镜，其中，
所述光纤放大器用于对信号光进行增益放大，然后入射至所述光纤环形器的端口1’随后进入其端口2’，然后经过所述光纤准直器准直后垂直入射至所述超表面外腔镜上；
所述超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器，然后入射至所述光纤环形器的端口2’随后进入其端口3’，然后射出至所述光纤耦合器；
所述超表面外腔镜的表面为亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构接受入射的准直光后反射特定的多波长的光至所述光纤准直器；所述超表面结构上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的图形阵列；以此方式，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜基于光场法诺共振反射多个波长，从而实现激光器多波长激光的可控输出；
所述光纤耦合器用于将一部分的光输入至所述光纤放大器中进行放大形成回路，剩余部分进行输出；
所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格；
所述超表面结构上各个微纳图形阵列反射不同的单波长激光，则该超表面结构能够反射多波长的激光。
2.如权利要求1所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述微纳图形为纳米孔、纳米小球、纳米环或纳米棒。
3.如权利要求1所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述光纤准直器射出的光斑尺寸不超过所述超表面结构上所有微纳图形阵列的总面积。
4.如权利要求1所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述超表面外腔镜是多层结构，上面一层是器件层，中间层为低折射率或高折射率层，下面一层是衬底层，其中所述器件层为制备有所述超表面结构的介质薄膜，所述中间层的高折射率或低折射率是相对所述器件层而言的，比所述器件层的折射率高为高折射率，比所述器件层的折射率低为低折射率。
5.如权利要求4所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述衬底层和器件层选用对激光器发射的光波段透明的材料。
6.如权利要求3所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，若激光器发射的激光在通讯波段，所述超表面外腔镜选用绝缘体上硅。
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