CN109787074A - 一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器属于光纤激光器领域，其结构有泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、双耦合光纤环(4)，偏振分束器(5)，第一2×2光耦合器(6)，布拉格光纤光栅(7)、未泵浦掺铒光纤(8)、第一光隔离器(9)、第二光隔离器(10)、第三光隔离器(11)。本发明中的双光纤耦合环和未泵浦掺铒光纤分别作为模式滤波器和饱和吸收体来共同帮助光纤激光器获得单纵模输出。本发明未泵浦掺铒光纤中形成的自写入光纤光栅具有非常窄的带宽，具有很好的模式滤波特性，因此双光纤耦合环的长度不需要设置的非常短，大大降低了实现难度。本发明可以获得高性能的单频激光输出，可作为激光源应用于高精度时间频率传输系统和微波光子学等应用中。

Description

一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激 光器

技术领域

本发明涉及单频光纤激光器，具体为一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器。

背景技术

相比于其他类型的激光器，光纤激光器具有激光器阈值低、输出光束质量好、转换效率高等显著优点。而且由于光纤的“表面积/体积”比高，散热效果好，可以设计成易于系统集成的高可靠性激光光源。单频光纤激光器凭借其高单色性、高相干性等显著的激光特性，不仅逐步成为相干光通信系统以及激光测距等领域的重要激光光源，而且在微波光子学、光纤探测器以及高精度光谱学等新兴技术中也展现出非常广泛的应用前景。掺铒光纤激光器具有输出功率高、线宽窄而且全光纤结构的优点。由于上述优点，能够实现单频输出的掺铒光纤激光器获得了人们的广泛关注，并在大量研究领域中表现出优异的应用潜力。

光纤激光器内使用多谐振腔结构或者马赫-增德尔干涉结构来获得单纵模输出是一种直接有效的方法，但是谐振腔结构以及马赫-增德尔干涉结构较为复杂，而且需要非常准确地设置结构中耦合器长度或者光纤长度，很多时候设置精度需要达到厘米量级，这大大增加了熔接难度。此外，复杂的谐振腔结构会带来更大的损耗，最终将影响激光器的输出性能。在光纤激光器中使用一段未泵浦掺镱光纤或者未泵浦掺铥光纤作为饱和吸收体完成选模，以及使用窄线宽布拉格光栅也是实现激光器单纵模输出的几种行之有效的方法，但是价格昂贵以及腔内连接损耗较大是显而易见的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器，解决现有技术存在的问题。本发明结构紧凑，并不需要将双光纤耦合环的长度设置的非常低，因为实现难度大大降低。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于所述单频光纤激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、双耦合光纤环，偏振分束器，第一2×2光耦合器，布拉格光纤光栅、未泵浦掺铒光纤、第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器采用光纤熔接的方式连接组成。

泵浦源输出端口与波分复用器的980nm端口相连；波分复用器的1550nm端口与第一光隔离器输入端口相连，第一光隔离器的输出端口与第一2×2光耦合器的1端口相连，第一2×2光耦合器的3端口与未泵浦掺铒光纤的一端相连；未泵浦掺铒光纤的另一端与布拉格光纤光栅相连；第一2×2光耦合器的2端口与偏振分束器的输入端相连；偏振分束器的输出端与双耦合光纤环的输入端相连；双耦合光纤环的输出端与第二光隔离器的输入端相连；第二光隔离器的输出端与增益光纤的一端相连；增益光纤的另一端与波分复用器的公共端相连；第一2×2光耦合器的4端口与第三光隔离器的输入端相连；第三光隔离器的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。

本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的工作原理是：

一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器采用反向泵浦结构，泵浦源发出的980nm泵浦光通过波分复用器来泵浦一段增益光纤，增益光纤为高掺杂浓度的掺铒光纤。布拉格光纤光栅作为反射镜以及粗模式滤波装置来降低腔内的纵模密度。偏振分束器可以将入射光束分成两个正交的线偏振光。第一光隔离器和第二光隔离器可以用来保证谐振腔内激光信号单方向运转，第三光隔离器可以用来抑制不必要的反射。双光纤耦合环可以作为模式滤波器，帮助激光器获得单频输出。基于一段未泵浦掺铒光纤的饱和吸收体可以产生超窄带宽的自适应滤波效果，并最终实现激光器的单频输出。

本发明提供的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器与现有技术相比，其优点和积极效果在于：

1.本发明所述的单频光纤激光器采用紧凑简洁的设计结构，不需要使用复杂的谐振腔结构，也不需要使用价格昂贵的掺镱光纤、掺铥光纤以及超窄光滤波器就能获得稳定的单纵模输出，克服了现有技术存在的谐振结构复杂，成本高，插入损耗大等缺陷。

2.本发明所述的单频光纤激光器采用双光纤耦合环和饱和吸收体结合的模式滤波方案，双光纤耦合环可以有效降低谐振腔内的模式密度，帮助实现激光器的单频输出。饱和吸收体可以产生超窄带宽的模式滤波效应，最终实现激光器的单频输出。与现有技术相比，双光纤耦合环的长度不需要设置的非常短，这大大降低了熔接难度，增加了激光器的实用性。

检索文献以及专利，迄今未发现相同结构的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的专利报道。

附图说明：

图1是本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的结构原理图。

图2是本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的双光纤耦合环的结构原理图。

图3是本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的单频输出原理图。

图4是本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的输出光谱图。

图中：1、泵浦源，2、波分复用器，3、增益光纤，4、双光纤耦合环，5、偏振分束器，6、第一2×2光耦合器，7、布拉格光纤光栅，8、未泵浦掺铒光纤，9、第一光隔离器，10、第二光隔离器，11、第三光隔离器，12、第二2×2光耦合器，13、第三2×2光耦合器。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:

图1为本发明一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的结构原理图，本发明所述单频光纤激光器由泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、双耦合光纤环4，偏振分束器5，第一2×2光耦合器6，布拉格光纤光栅7、未泵浦掺铒光纤8、第一光隔离器9、第二光隔离器10、第三光隔离器11组成。

基于上述构成要件，本发明的构成关系如下：

泵浦源1输出端口与波分复用器2的980nm端口相连，波分复用器2的1550nm端口与第一光隔离器9输入端口相连，第一光隔离器9的输出端口与第一2×2光耦合器6的1端口相连，第一2×2光耦合器6的3端口与未泵浦掺铒光纤8的一端相连；未泵浦掺铒光纤8的另一端与布拉格光纤光栅7相连；第一2×2光耦合器6的2端口与偏振分束器5的输入端相连；偏振分束器5的输出端与双耦合光纤环4的输入端相连；双耦合光纤环4的输出端与第二光隔离器10的输入端相连；第二光隔离器10的输出端与增益光纤3的一端相连；增益光纤3的另一端与波分复用器2的公共端相连；第一2×2光耦合器6的4端口与第三光隔离器11的输入端相连；第三光隔离器11的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。

基于上述具体实施方案，本发明进一步的具体实施方案如下：

所述泵浦源1为980nm泵浦源，本实施案例采用的欧镭泽科技公司生产的980nm泵浦源；

所述波分复用器2为980nm/1550nm泵浦源，本实施案例采用的是康冠公司的980nm/1550nm波分复用器；

所述增益光纤为高掺杂浓度的掺铒光纤，本实施案例采用的LIEKKI公司的掺铒光纤；

所述第一2×2光耦合器、第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器是分光比为50：50的标准单模光纤耦合器，本案例采用的是飞宇公司的标准单模光纤耦合器。

所述未泵浦掺铒光纤为低掺杂浓度掺铒光纤，本案例采用的是Nufern公司的掺铒光纤。

所述布拉格光纤光栅峰值反射率和3dB带宽分别为94％和0.44nm，本案例采用的是筱晓光子技术公司布拉格光纤光栅。

图2为为本发明一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的双光纤耦合环的结构原理图，本发明所述双光纤耦合环由第二2×2光耦合器12和第三2×2光耦合器13组成。

双光纤耦合环的构成关系如下：

第二2×2光耦合器12的1端口作为双光纤耦合环4的输入端，第二2×2光耦合器12的3端口与第三2×2光耦合器13的5端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器13的8端口与第二2×2光耦合器12的2端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器13的7端口作为双光纤耦合环4的输出端口。

图3为本发明一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的单频输出原理图，从图3.(a)中可以发现由于布拉格光纤光栅7的3dB线宽远宽于激光器主腔对应的自由光谱范围，因此腔内存在大量的模式数。从图3.(b)中可以发现加入双光纤耦合环4后，腔内模式密度大大降低，但是依旧不能实现单频输出。从图3.(c)可以发现加入双光纤耦合环4的基础上加入未泵浦掺铒光纤8作为饱和吸收体后，在光纤激光器通带范围内只有一个模式占主导地位，最终实现了激光器的单频输出。

本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的工作原理是：

所述单频窄线宽光纤激光器采用反向泵浦结构，通过主腔内的第一光隔离器9和第二光隔离器10使腔内振荡激光单向运转，保证谐振腔工作在行波状态。在泵浦源1抽运下，光纤环内形成激光振荡，振荡激光经增益光纤放大后，部分经第一2×2光耦合器6的4端口输出，而另一部分则由第二2×2光耦合器6的1端口耦合进3端口，沿未泵浦的掺铒光纤8传输后，最后经布拉格光纤光栅7选频后再次反射回腔内。激光器主腔腔长约为10m，对应的自由光谱范围近似为20MHz，而布拉格光纤光栅7的3dB线宽线宽远大于主腔自由光谱范围，因此激光器通带内存在大量的模式，如图3.(a)所示。系统中的布拉格光纤光栅7可以作为粗滤波器件首先进行模式滤除，但是因为布拉格光纤光栅7的线宽太宽，所以采用双光纤耦合环4结合饱和吸收体的方案来获得单纵模输出。双光纤耦合环4所对应的结构框图如图2所示：当输入光场E₁注入到第二2×2光耦合器12，第二2×2光耦合器12的输出光场E₃被传输入第三2×2光耦合器13，然后光场会被分为E₇和E₈，光场E₈会反馈注入到第二2×2光耦合器12中，而E₇最终作为双光纤耦合环4的输出，双光纤耦合环4所对应的传输函数计算可得：

其中γ是耦合器的损耗强度损耗。k是耦合器的耦合分数比。c是真空中的光速，n是激光器的有效折射率。a是光纤损耗，β是光纤传输常数传输，l＝l₁+l₂是双光纤耦合环4的长度，初步假定双光纤耦合环4长度为1.5m，对应的自由光谱范围约为130MHz，双光纤耦合环4对应的自由光谱范围远大于主腔所对应的自由光谱范围[如图3.(b)]，但只使用双光纤耦合环4依旧不能获得单频激光输出，因为布拉格光纤光栅7的3dB带宽值太大了(约为50GHz)。因此，我们需要使用一段未泵浦的掺铒光纤8作为饱和吸收体，在这段光纤中，入射与反射两相遇光波产生混频干涉，形成周期性的干涉光强分布，这种周期性干涉光强分布导致的增益饱和在掺杂光纤中形成超窄线宽的自适应布拉格光栅，这种自适应布拉格光栅的线宽非常窄，在饱和吸收体中所形成的增益线宽的半高全宽值为：

Δn是折射率的变化量，可以根据Kramers-Kronig等式得到，n_eff是未泵浦掺铒光纤的有效折射率。λ是中心波长，L_g为未泵浦掺铒光纤的长度。因此，在饱和吸收体中形成的自适应增益光栅的半高全宽值可以计算约5MHz，因为饱和吸收体的半高全宽值比谐振腔主腔腔长所对应的FSR还要小，因此在光纤激光器通带内只有一个模式占据主要地位，我们最终实现了单频输出，如图3.(c)所示。

图4是本发明所述的一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器的光谱图。本实施例中光纤激光器输出激光的中心波长为1550.07nm，峰值输出功率为-7.67dBm，对应的光信噪比约为54dB。

最后应说明的是：以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于所述的环形腔单频光纤激光器由泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、双耦合光纤环(4)，偏振分束器(5)，第一2×2光耦合器(6)，布拉格光纤光栅(7)、未泵浦掺铒光纤(8)、第一光隔离器(9)、第二光隔离器(10)、第三光隔离器(11)、第二2×2光耦合器(12)和第三2×2光耦合器(13)组成；

所述基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器泵浦源(1)的输出端与波分复用器(2)的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器(2)的1550nm端口与第一光隔离器(9)的输入端口进行光纤熔接，第一光隔离器(9)的输出端口与第一2×2光耦合器(6)的1端口进行光纤熔接，第一2×2光耦合器(6)的3端口与未泵浦掺铒光纤(8)的一端进行光纤熔接，未泵浦掺铒光纤(8)的另一端与布拉格光纤光栅(7)进行光纤熔接，第一2×2光耦合器(6)的2端口与偏振分束器(5)的输入端进行光纤熔接，偏振分束器(5)的输出端与双耦合光纤环(4)的输入端进行光纤熔接，双耦合光纤环(4)的输出端与第二光隔离器(10)的输入端进行光纤熔接，第二光隔离器(10)的输出端与增益光纤(3)的一端进行光纤熔接，增益光纤(3)的另一端与波分复用器(2)的公共端进行光纤熔接，第一2×2光耦合器(6)的4端口与第三光隔离器(11)的输入端进行光纤熔接，第三光隔离器(11)的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。

2.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为980nm泵浦源。

3.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器(2)为980/1550nm波分复用器。

4.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(3)为具有高掺杂浓度的掺铒光纤。

5.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述双耦合光纤环(4)由第二2×2光耦合器(12)和第三2×2光耦合器(13)组成，第二2×2光耦合器(12)的1端口作为双光纤耦合环(4)的输入端，第二2×2光耦合器(12)的3端口与第三2×2光耦合器(13)的5端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器(13)的8端口与第二2×2光耦合器(12)的2端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器(13)的7端口作为双光纤耦合环(4)的输出端口。

6.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述未泵浦掺铒光纤(8)为低掺杂浓度的掺铒光纤。

7.按照权利要求1所述的基于双光纤耦合环和饱和吸收体的单频光纤激光器，其特征在于：所述第一2×2光耦合器(6)、第二2×2光耦合器(12)和第三2×2光耦合器(13)是分束比为50：50的标准单模光纤耦合器。