CN109687272A - 基于微球腔反馈的掺铒微球激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，包括：激光二极管、波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器；波分复用器与输入端激光二极管连接，波分复用器与光纤合路器连接，光纤合路器与三端环形器的1端口连接，三端环形器的2端口与拉锥光纤连接，三端环形器的3端口与光纤合路器连接，掺铒微球固定在拉锥光纤上，拉锥光纤与光耦合器连接，光耦合器与波分复用器连接，波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器形成环形光路，光耦合器与输出端连接，激光器结构简单、成本低；将微球反射的光收集起来与正向光路结合增大输出功率。

Description

基于微球腔反馈的掺铒微球激光器

技术领域

本发明涉及激光器研究领域，具体地，涉及一种基于微球腔反馈的掺铒微球激光器。

背景技术

传统激光器发展成熟，但是很难在微型激光器方面应用，微型激光器方面，基于微球制作的激光器是一个很好的选择，不过微球激光器虽然线宽很窄，结构简单，成本也很低，但一般情况其功率特别小，对于对光源强度要求比较高的场合来说，微球激光器的功率限制了其应用。

目前使用微球制作激光器的技术正在不断发展，激光器技术本身的发展已经十分成熟，图1结构是2013年Van Hoi Pham小组发表文章中结构，在微球中掺杂铒离子材料，当Er³⁺受到980nm激光泵浦时，会吸收泵浦光自跃迁到激发态高能级，然后由于在高能级的寿命很短很快无辐射跃迁到亚稳态，此时亚稳态上粒子一方面会自发辐射到基态发出另一方面受到泵浦光影响，粒子会受激发射回到基态发出相位、频率、偏振等一致、相干性很强的激光。

图1中结构980nm泵浦激光从锥形光纤耦合到微球中的回音壁模式，铒离子吸收980nm光子跃迁发出1.55μm激光，然后在微球中谐振放大，并耦合回到光纤中输出1.55μm的激光。这种结构通过调整耦合间距可以调节输出波长，但是输出功率很小。

图2是基于微球作滤波器的掺铒激光器，图中谐振腔是环形腔。泵浦光泵浦掺铒光纤然后在掺铒光纤中发出激光，并耦合到微球中，受到微球WGM(回音壁模式)影响，被选择放大，最终耦合出微球回到环形腔中谐振，最终发出特定波长激光通过耦合器输出。这种结构的输出功率受到微球耦合影响也不是很大，并且其中微球的反射功率没有处理而是直接被隔离器滤掉。类似于微球当作滤波器的其他激光器结构还有很多，这里就不在赘述。

现有技术中激光器或是存在成本太高的问题，或是存在结构太过复杂的问题，又或者存在制作复杂的问题，并且目前通信飞速发展，相对应的1.55μm微型激光器却有待发展，微球制作微型激光器是一个重要发展方向。但是目前微球制作激光器的输出功率偏小对于微型激光器的应用有着不小的限制。

发明内容

本发明提供了一种基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，本发明对环形腔进行改进，加入反馈可以使得掺铒激光器的输出功率更大，同时也保留了掺铒微球激光器体积小、窄带宽、结构简单以及成本低的优点；本申请提出一种新的思路让微球在环形腔中当作谐振腔同时也当作滤波器；同时，将微球反射的光收集起来与正向光路结合增大输出功率。

为实现上述发明目的，本申请提供了基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，所述掺铒微球激光器包括：

激光二极管、波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器；

波分复用器与输入端激光二极管连接，波分复用器与光纤合路器连接，光纤合路器与三端环形器的1端口连接，三端环形器的2端口与拉锥光纤连接，三端环形器的3端口与光纤合路器连接，掺铒微球固定在拉锥光纤上，将掺铒微球调整后接触在拉锥光纤束腰区上找到合适耦合位置后，以固定掺铒微球圆柱杆的方式固定微球，拉锥光纤与光耦合器连接，光耦合器与波分复用器连接，波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器形成环形光路，光耦合器与输出端连接。

进一步的，波分复用器与激光二极管之间的连接、波分复用器与光纤合路器之间的连接、光纤合路器与三端环形器之间的连接、拉锥光纤与光耦合器之间的连接、光耦合器与波分复用器连接之间的连接均采用标准单模光纤进行连接，激光二极管为980nm激光二极管，用于提供泵浦激光激发掺铒光纤发光，最大功率400mW。

进一步的，激光从激光二极管输入光纤，经由波分复用器进入环路，经光纤合路器从1端口进入三端环形器，然后从三端环形器的2端口进入拉锥光纤耦合进入掺铒微球中，掺铒微球中的激光耦合出拉锥光纤，并且通过光耦合器输出；掺铒微球中的反向激光从2端口输入从3端口输出，然后光纤合路器将反向激光光与正向谐振激光结合在一起从1端口输入三端环形器，在谐振腔中进行放大。

进一步的，光耦合器用于将输出的激光耦合输出同时保留一部分在环形光路中继续谐振。

进一步的，掺铒微球用作谐振腔以及滤波器，激光在掺铒微球中掺杂的铒离子吸收980nm泵浦光，将耦合进来的980nm激光转化为1550nm激光，同时让其在腔中谐振放大，同时掺铒微球中WGM模式对光进行滤波，并通过耦合位置的调整进行选模。

进一步的，波分复用器的工作波长为980nm和1550nm，其中980nm通道用于将980nm泵浦光耦合进入环形光路中，1550nm通道用于连接光耦合器与光纤合路器完成封闭的环形光路。

进一步的，光纤合路器用于将反方向的1550nm反馈光以及反射的ASE光输送到正向光路中，形成正向光路功率的加强，其中心工作波长为1550nm。

进一步的，三端环形器用于将光纤合路器输出的光输送到正向光路，将由掺铒微球及器件节点造成的反射光输送到光纤合路器中。

进一步的，锥光纤用于将光路的激光耦合进入掺铒微球中谐振放大；拉锥光纤的最窄锥腰半径为1-2μm，锥形区2cm，这样设计方便微球调整位置，如果锥形过渡区的距离过短会造成微球与锥形光纤耦合位置的选取变得更加困难。标准单模光纤直径10μm，1-10μm的锥形区可以方便不同直径的微球都能找到合适的耦合位置。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明是一个基于反馈的掺铒微球光纤激光器，能够实现波长在1550nm附近的激光输出；由于微球中掺杂了铒离子，因而铒离子受到泵浦光的激发作用之后能够发出1550nm附近的激光；同时受到球内模式的影响进行选择与谐振放大，激光会由于微球的高Q值拥有线宽窄的特性；发明的特点是在微球激光器中使用反馈，这种方式可以提高激光器的功率，因为激光器拥有功率高的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是现有技术中基于微球谐振的掺铒激光器结构示意图；

图2是现有技术中基于微球滤波的掺铒激光器结构示意图；

图3是本申请中基于微球谐振滤波的掺铒激光器结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图3，本申请提供了一种基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，本发明提出的结构从输入端开始依次由激光二极管、波分复用器、光纤合路器、环形器、拉锥光纤、微球、光耦合器(分路器)相连接构成。中间连接线为标准单模光纤。

980nm激光二极管用来提供泵浦激光激发掺铒光纤发光，最大功率400mW；

波分复用器工作波长980nm和1550nm，其中980nm通道用来将980nm泵浦光耦合进入环形光路中，1550nm通道用来连接耦合器与光纤合路器完成封闭的环形光路。

合路器是用来将反方向的1550nm反馈光以及反射的ASE光(主要由微球引起)，输送到正向光路中，形成正向光路功率的加强。其中心工作波长1550nm。

环形器用来将合路器输出的光输送到正向光路，然后通过拉锥光纤。同时将由微球及器件节点造成的反射光加以利用输送到合路器中。

拉锥光纤主要用来将正向光路的激光光耦合进入微球中谐振放大。其的束腰半径1-2μm，锥形区2cm，这种结构可以保证对于不同直径微球都能找到较好的耦合位置。

微球主要用作谐振腔以及滤波器，将耦合进来的980nm激光转化为1550nm激光，同时让其在腔中谐振放大，同时球中回音壁模式(WGM)可以对光进行滤波，并通过耦合位置的调整进行选模。

光耦合器主要是分路作用将输出的激光耦合输出同时保留一部分在光路中继续谐振。分光比50:50能保证两者效率尽可能的高。

当泵浦激光从激光二极管输入光纤，经由波分复用器进入环路。980nm激光通过合路器从1端口进入环形器，然后从2端口进入锥形光纤耦合进入掺铒微球中，在微球中掺杂的铒离子吸收980nm泵浦光并通过WGM模式选择放大，然后球中的激光耦合出光纤，并且通过耦合器输出。在微球中同时又有反向的激光存在，反向光耦合到光纤中后反向传播，由于环形器独特的作用，反向光会从2端口输入从3端口输出，然后合路器将反向的光与正向谐振的光结合在一起从1端口输入环形器，在谐振腔中进行放大。

本发明对于微球作为谐振腔的环形激光器，以环形器方式将微球及环形腔中反射的功率输送正向光路中，从而提高激光的输出功率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，所述掺铒微球激光器包括：

激光二极管、波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器；

波分复用器与输入端激光二极管连接，波分复用器与与光纤合路器连接，光纤合路器与三端环形器的1端口连接，三端环形器的2端口与拉锥光纤连接，三端环形器的3端口与光纤合路器连接，掺铒微球固定在拉锥光纤上，拉锥光纤与光耦合器连接，光耦合器与波分复用器连接，波分复用器、光纤合路器、三端环形器、拉锥光纤、掺铒微球、光耦合器形成环形光路，光耦合器与输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，波分复用器与激光二极管之间的连接、波分复用器与光纤合路器之间的连接、光纤合路器与三端环形器之间的连接、拉锥光纤与光耦合器之间的连接、光耦合器与波分复用器连接之间的连接均采用标准单模光纤进行连接，激光二极管为980nm激光二极管，用于提供泵浦激光激发掺铒光纤发光，最大功率400mW。

3.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，激光从激光二极管输入光纤，经由波分复用器进入环路，经光纤合路器从1端口进入三端环形器，然后从三端环形器的2端口进入拉锥光纤耦合进入掺铒微球中，掺铒微球中的激光耦合出拉锥光纤，并且通过光耦合器输出；掺铒微球中的反向激光从2端口输入从3端口输出，然后光纤合路器将反向激光光与正向谐振激光结合在一起从1端口输入三端环形器，在谐振腔中进行放大。

4.根据权利要求3所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，光耦合器用于将输出的激光耦合输出同时保留一部分在环形光路中继续谐振。

5.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，掺铒微球用作谐振腔以及滤波器，激光在掺铒微球中掺杂的铒离子吸收980nm泵浦光，将耦合进来的980nm激光转化为1550nm激光，同时让其在腔中谐振放大，同时掺铒微球中WGM模式对光进行滤波，并通过耦合位置的调整进行选模。

6.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，波分复用器的工作波长为980nm和1550nm，其中980nm通道用于将980nm泵浦光耦合进入环形光路中，1550nm通道用于连接光耦合器与光纤合路器完成封闭的环形光路。

7.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，光纤合路器用于将反方向的1550nm反馈光以及反射的ASE光输送到正向光路中，形成正向光路功率的加强，其中心工作波长为1550nm。

8.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，三端环形器用于将光纤合路器输出的光输送到正向光路，将由掺铒微球及器件节点造成的反射光输送到光纤合路器中。

9.根据权利要求1所述的基于微球腔反馈的掺铒微球激光器，其特征在于，拉锥光纤用于将光路的激光耦合进入掺铒微球中谐振放大；拉锥光纤的最窄锥腰半径为1-2μm，锥形区2cm，标准单模光纤直径10μm。