CN110535013A - 基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器属于光纤激光器领域，其实验结构由泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、第一光隔离器(4)、凸字型光纤环(5)，第一2×2光耦合器(6)、偏振分束器(7)，光环形器(8)、布拉格光纤光栅(9)、第一1×2光耦合器(10)、未泵浦掺铒光纤(11)、第二光隔离器(12)、第二2×2光耦合器(13)和第三2×2光耦合器(14)组成。本发明中的凸字形光纤环作为一种高性能模式滤波器来抑制谐振腔内的多模振荡。本发明的Sagnca环内的未泵浦掺铒光纤可以作为饱和吸收体并确保光纤激光器最终可以实现单纵模输出。本发明可以实现高稳定度、高信噪比的超窄线宽单频激光输出，可作为光源应用于高精度时间频率传输系统和光通信等应用中。

Description

基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及单频光纤激光器，具体为一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器。
背景技术
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。单频光纤激光器具有高单色性、高相干性等显著优点，而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。因此，高性能的掺铒光纤单频光纤激光器在光学通信、微波光子学、光纤探测器、高精度光谱学以及高精度时间频率传输等领域中展现出非常出色的应用前景。
在光纤激光器内采用多谐振腔结构来实现单频输出是一种行之有效的方案，既不需要使用如超窄线宽光滤波器这样的昂贵器件，也不会给激光器带来如光注入反馈方案般结构复杂度。但是，多谐振腔结构中所使用的具有较大自由光谱范围的子谐振腔一般是由单光纤耦合环和双光纤耦合环级联构成的，子谐振腔中光耦合器的长度和耦合比通常需要严格设定，这大大增加了激光器的熔接实现难度。此外，器件较多的子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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，解决现有技术存在的问题。本发明结构紧凑，在仅使用两个耦合器的情况下所获得的凸字型光纤环具有10GHz数量级的自由光谱范围，可以有效抑制谐振腔内的多模振荡。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，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、第一光隔离器、凸字型光纤环，第一2×2光耦合器、偏振分束器，光环形器、布拉格光纤光栅、第一1×2光耦合器、未泵浦掺铒光纤、第二光隔离器、第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器采用光纤熔接的方式连接组成。
泵浦源的输出端与波分复用器的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器的1550nm端口与光环形器的1端口进行光纤熔接，光环形器的2端口与布拉格光纤光栅进行光纤熔接，光环形器的3端口与偏振分束器的输入端进行光纤熔接，偏振分束器的输出端与第一2×2光耦合器的1端口进行光纤熔接，第一2×2光耦合器的4端口与第一1×2光耦合器的输入端口进行光纤熔接，第一1×2光耦合器的两个输出端口分别与未泵浦掺铒光纤的两端进行光纤熔接。所述凸字型光纤环由第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器组成，第二2×2光耦合器的1端口和第三2×2光耦合器的7端口分别作为凸字型光纤环的输入端口和输出端口，第二2×2光耦合器的3、4端口分别与第三2×2光耦合器的5、6端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器的8端口与第二2×2光耦合器的2端口进行光纤熔接。第一2×2光耦合器的2端口与凸字型光纤环的输入端进行光纤熔接，凸字型光纤环输出端与第一光隔离器输入端进行光纤熔接，第一光隔离器的输出端与增益光纤的一端进行光纤熔接，增益光纤的另一端与波分复用器的公共端进行光纤熔接，第一2×2光耦合器的3端口与第二光隔离器的输入端进行光纤熔接，第二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凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器的工作原理是：
一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器采用反向泵浦结构，增益光纤由泵浦源发出的980nm泵浦光通过波分复用器来泵浦，增益光纤为一段高掺杂浓度的掺铒光纤。第一光隔离器和光环形器可以用来保证谐振腔内激光信号单方向运转，第一光隔离可以用来抑制反向自发辐射噪声，第二光隔离器可以用来抑制不必要的反射。布拉格光纤光栅作为反射镜以及一种模式粗滤波器来降低腔内的纵模密度。偏振分束器可以使腔内的偏振模式变得单一，具有偏振膜锁定的功能，可以作为腔内的一个模式滤波器同时可以将入射光束分成两个正交的线偏振光。凸字型光纤化作为一种高质量模式滤波器，可以有效降低腔内的模式数目，抑制多模振荡，帮助激光器获得单频输出。Sagnac环中的未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体，饱和吸收体中形成的超窄线宽的布拉格光栅作为谐振腔内的超窄带宽自适应模式滤波，并最终实现激光器的单频输出。
本发明提供的一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频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器件就能获得高稳定度、高光信噪比的超窄线宽单频激光输出，克服了现有技术存在的谐振腔结构复杂，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凸字形光纤环和Sagnac环结合的模式滤波方案，凸字形光纤环具有10GHz量级的自由光谱范围，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。Sagnac环中的未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体可以作为超窄带宽的自适应模式滤波器，最终保证谐振腔内只有单一有效模式，实现激光器的单频输出。与传统子谐振腔相比，凸字形光纤环仅使用了两个2×2光耦合器，充分利用这两个2×2光耦合器构成双环结构并获得10GHz量级的自由光谱范围。此外，凸字形光纤环对两个2×2光耦合器的长度和光耦合比没有严格的要求，降低了激光器的设计难度，降低了激光器内的器件插损，提高了激光器的输出性和实用性。
检索文献以及专利，迄今未发现相同结构的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器的专利报道。
附图说明：
图1是本发明所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器的实验结构图。
图2是本发明所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器的单频输出原理图。
图3是本发明所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频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第一光隔离器、5凸字型光纤环，6第一2×2光耦合器、7偏振分束器，8光环形器、9布拉格光纤光栅、10第一1×2光耦合器、11未泵浦掺铒光纤、12第二光隔离器、13第二2×2光耦合器和14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为本发明一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频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、第一光隔离器4、凸字型光纤环5，第一2×2光耦合器6、偏振分束器7，光环形器8、布拉格光纤光栅9、第一1×2光耦合器10、未泵浦掺铒光纤11、第二光隔离器12、第二2×2光耦合器13和第三2×2光耦合器14组成。
基于上述构成要件，本发明的构成关系如下：
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端口与光环形器8的1端口进行光纤熔接，光环形器8的2端口与布拉格光纤光栅9进行光纤熔接，光环形器8的3端口与偏振分束器7的输入端进行光纤熔接，偏振分束器7的输出端与第一2×2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4端口与第一1×2光耦合器10的输入端口进行光纤熔接，第一1×2光耦合器10的两个输出端口分别与未泵浦掺铒光纤11的两端进行光纤熔接，第一2×2光耦合器6的2端口与凸字型光纤环5的输入端进行光纤熔接，凸字型光纤环5的输出端与第一光隔离器4输入端进行光纤熔接，第一光隔离器4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3端口与第二光隔离器12的输入端进行光纤熔接，第二光隔离器12的输出端作为所述单频光纤激光器的输出端口。其中，凸字型光纤环5由第二2×2光耦合器13和第三2×2光耦合器14组成，第二2×2光耦合器13的1端口和第三2×2光耦合器14的7端口分别作为凸字型光纤环5的输入端口和输出端口，第二2×2光耦合器13的3、4端口分别与第三2×2光耦合器14的5、6端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器14的8端口与第二2×2光耦合器13的2端口进行光纤熔接。
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3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6、第二2×2光耦合器13、第三2×2光耦合器14和第一1×2光耦合器10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11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9的峰值反射率和3dB带宽分别为96％和0.18nm，本案例采用的是筱晓光子技术公司的布拉格光纤光栅。
图2为本发明一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器的单频输出原理图，从图2.(a)中可以发现由于布拉格光纤光栅9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2.(b)中可以发现凸字型光纤环5的Ring-1可以使腔内模式密度大大降低，但是其对应的自由光谱范围远小于布拉格光纤光栅9的3dB线宽。从图2.(c)可以发现凸字型光纤环5的Ring-2也可以使腔内模式密度大大降低，但是其对应的自由光谱范围依旧远小于布拉格光纤光栅9的3dB线宽。
从图2.(d)可以发现，谐振腔内加入未泵浦掺铒光纤11作为饱和吸收体后，饱和吸收体内形成的动态布拉格光栅的线宽小于谐振腔主腔对应的自由光谱范围，因此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凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频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4和光环形器8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3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4端口，沿第一1×2光耦合器10输入到未泵浦的掺铒光纤11，最后光反射回腔内。假定激光器主腔腔长为15m，对应的自由光谱范围近似为13.6MHz，而布拉格光纤光栅9的3dB线宽线宽(假定为为20GHz)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2.(a)所示。系统中的布拉格光纤光栅9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9的线宽太宽，所以采用凸字形光纤环5结合Sagnca环的方案来获得单纵模输出。凸字形光纤环5所对应的结构框图如图1所示：当输入光场E1注入到第二2×2光耦合器13，第二2×2光耦合器13的3、4端口分别与第三2×2光耦合器的5、6端口相互连接，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13中，而E7最终作为凸字形光纤环5的输出，凸字形光纤环5可以被视作两个具有不同长度的双光纤耦合环级联在一起，凸字形光纤环5的Ring-1和Ring-2的长度可以视为两个双光纤耦合环的长度，而双光纤耦合环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，lRing-1＝l1+l3是凸字形光纤环5的Ring-1的长度，假定凸字形光纤环5的Ring-1的长度为1.5m，对应的自由光谱范围约为136MHz，其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2.(a)]，但远小于布拉格光纤光栅9的3dB带宽值(20GHz)。lRing-2＝l2+l3是凸字形光纤环5的Ring-1的长度，假定凸字形光纤环5的Ring-2的长度为1m，对应的自由光谱范围约为204MHz，其对应的自由光谱范围远大于主腔所对应的自由光谱范围，但依旧远小于布拉格光纤光栅9的3dB带宽值。根据Vernier效应，此时凸字形光纤环5所对应的自由光谱范围为凸字形光纤环5中Ring-1和Ring-2所对应自由光谱范围的最小公倍数，计算结果为13.8GHz。凸字形光纤环5的有效光谱范围大于布拉格光纤光栅9的3dB带宽值的一半，因此布拉格光纤光栅9内有且只有一个通带。凸字形光纤环5的Ring-1和Ring-2根据传输函数(2)计算所得的3-dB通带带宽分别为29.8MHz和44.2MHz，因此通带内依旧存在多个模式。凸字形光纤环5的Ring-1和Ring-2所分别对应的自由光谱范围和3-dB通带带宽参见图2.(b)和2.(c)。为了实现激光器的单频输出，我们需要使用一段未泵浦的掺铒光纤11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，neff是未泵浦掺铒光纤的有效折射率。λ是中心波长，Lg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自由光谱范围还要小，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2.(d)所示。
图3是本发明所述的一种基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频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1550.160nm，对应的光信噪比约为63dB。
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.基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于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)、第一光隔离器(4)、凸字型光纤环(5)，第一2×2光耦合器(6)、偏振分束器(7)，光环形器(8)、布拉格光纤光栅(9)、第一1×2光耦合器(10)、未泵浦掺铒光纤(11)、第二光隔离器(12)、第二2×2光耦合器(13)和第三2×2光耦合器(14)组成；
所述基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽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端口与光环形器(8)的1端口进行光纤熔接，光环形器(8)的2端口与布拉格光纤光栅(9)进行光纤熔接，光环形器(8)的3端口与偏振分束器(7)的输入端进行光纤熔接，偏振分束器(7)的输出端与第一2×2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4端口与第一1×2光耦合器(10)的输入端口进行光纤熔接，第一1×2光耦合器(10)的两个输出端口分别与未泵浦掺铒光纤(11)的两端进行光纤熔接，第一2×2光耦合器(6)的2端口与凸字型光纤环(5)的输入端进行光纤熔接，凸字型光纤环(5)输出端与第一光隔离器(4)输入端进行光纤熔接，第一光隔离器(4)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3端口与第二光隔离器(12)的输入端进行光纤熔接，第二光隔离器(12)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所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为980nm泵浦源。
3.按照权利要求1所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，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所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，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所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述凸字型光纤环(5)由第二2×2光耦合器(13)和第三2×2光耦合器(14)组成，第二2×2光耦合器(13)的1端口和第三2×2光耦合器(14)的7端口分别作为凸字型光纤环(5)的输入端口和输出端口，第二2×2光耦合器(13)的3、4端口分别与第三2×2光耦合器(14)的5、6端口进行光纤熔接，第三2×2光耦合器(14)的8端口与第二2×2光耦合器(13)的2端口进行光纤熔接。
6.按照权利要求1所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述未泵浦掺铒光纤(11)为低掺杂浓度的掺铒光纤。
7.按照权利要求1所述的基于凸字型光纤环和Sagnac环的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述第一2×2光耦合器(6)、第二2×2光耦合器(13)、第三2×2光耦合器(14)和第一1×2光耦合器(10)是分束比为50：50的标准单模光纤耦合器。
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