CN110571637A - 快速宽调谐的光纤微腔激光器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，包括：泵浦源，用于输出泵浦光；以及微腔谐振器，与所述泵浦源通过光纤及光纤分束器相连；用于将所述泵浦光增益为激光后输出；所述泵浦光通过依次相连的光纤、光纤分束器、光纤输入微腔谐振器；所述激光谐振器，包括：底座，电极，位于所述底座上；压电陶瓷，其负极一面贴合于所述电极上，另一面为正极；光纤V型槽连接器，位于所述压电陶瓷的正极上；光纤，设置于所述光纤V型槽连接器的V型槽中；介质高反镜，与所述光纤的末端对应设置；以及增益片，设置于所述光纤端面与所述介质高反镜之间；本申请的激光器能够缓解现有技术中激光器体积大、成本高，而且调谐范围窄，调谐速度慢等技术问题。

Description

快速宽调谐的光纤微腔激光器

技术领域

本公开涉及基础光学元件和光纤通信技术领域，尤其涉及一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，其通过高精细度光纤法布里-玻罗光纤微腔，增益介质和泵浦源实现微腔激光器。

背景技术

激光器是光电产业的基础器件，同时满足多个指标的高性能激光器是众多应用中的关键器件。单纵模、窄线宽、可调谐是其中的关键指标，目前市场同时保证这几个指标的激光器不仅体积大、成本高，而且调谐范围窄，调谐速度慢。例如，外腔式半导体激光器的无跳模调谐范围只有10GHz量级，调谐速度只能到百赫兹量级；采用光纤光栅结构的光纤激光器，调谐范围在100GHz以下，采用温度调谐，调谐速度极慢；回音壁模式光学腔，也可以产生窄线宽激光，但是同样面临调谐范围小，调谐速度慢的问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，以缓解现有技术中激光器体积大、成本高，而且调谐范围窄，调谐速度慢等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，包括：泵浦源，用于输出泵浦光；以及微腔谐振器，与所述泵浦源通过光纤及光纤分束器相连；用于将所述泵浦光增益为激光后输出。

在本公开实施例中，所述泵浦光通过依次相连的光纤、光纤分束器、光纤输入微腔谐振器。

在本公开实施例中，所述激光谐振器，包括：底座；电极，位于所述底座上；压电陶瓷，其负极一面贴合于所述电极上，另一面为正极；光纤V型槽连接器，位于所述压电陶瓷的正极上；光纤，设置于所述光纤V型槽连接器的V型槽中；介质高反镜，与所述光纤的末端对应设置；以及增益片，设置于所述光纤端面与所述介质高反镜之间。

在本公开实施例中，所述光纤的末端端面具有凹面结构，所述凹面结构的曲率在10um-1000mm之间。

在本公开实施例中，所述凹面结构表面镀有介质高反膜，所述介质高反膜的反射率在90％至99.999％之间；

在本公开实施例中，所述介质高反镜接近所述光纤末端端面的一面镀有介质高反膜。

在本公开实施例中，所述光纤端面的介质高反膜与所述介质高反镜的介质高反膜共同构成法布里-珀罗微腔。

在本公开实施例中，底座的制备材料包括陶瓷或者殷钢，并且底座的厚宽比大于1。

在本公开实施例中，所述压电陶瓷的种类包括剪切压电陶瓷，采用0到100V电压扫描驱动压电陶瓷，可获得250GHz的调谐范围。

在本公开实施例中，，所述增益片的厚度小于法布里-珀罗微腔的腔长。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开快速宽调谐的光纤微腔激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)窄线宽，激光器的瞬时线宽可以到100Hz以下；

(2)单模输出，同时保证激光单横模和单纵模输出；

(3)宽谱调谐，可调谐激光谱宽可以到几十nm量级；

(4)快速调谐，调谐速率可以到几十KHz量级；

(5)电控调谐简单方便；

(6)集成光纤输出，结构简单，体积小，激光器阈值功率低，成本低，可以在同一个装置上可以集成多个不同波长的激光器，实现多波长输出。

附图说明

图1是本公开实施例的快速宽调谐的光纤微腔激光器组成结构示意图。

图2是本公开实施例的快速宽调谐的光纤微腔激光器的微腔谐振器的结构示意图。

图3是本公开实施例的快速宽调谐的光纤微腔激光器的法布里珀罗光纤微腔的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-微腔谐振器；3-分束器；5-泵浦源；

11-底座；13-电极；14-压电陶瓷；15-光纤V型槽连接器；

16-法布里-珀罗微腔；161-光纤端面；17-增益片；18-介质高反镜；

2、4、6、12-光纤；162、181-介质高反膜。

具体实施方式

本公开提供了一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述激光器具有单纵模输出、激光线宽窄、调谐谱宽范围大(无跳模调谐范围可以到达THz量级，在可见和红外波段的调谐带宽到达几十纳米量级)、调谐速度快(调谐速度可以到几十kHz)、低成本、便于光纤集成等众多优点，可当作窄线宽激光器的种子源，应用于光纤传感器、光纤通信、连续波激光雷达等诸多领域。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开技术关键点是采用高精细度光纤法布里-珀罗微腔作为激光器的谐振腔，光纤法布里-珀罗微腔的腔长在几um到1mm之间，比传统激光器的腔长小几个量级，因此这种微腔具有很宽的自由光谱区。由于腔的自由光谱区可以达到几十nm的量级，大于一般发光材料的增益谱宽，通过调节微腔的腔长，使之在整个增益谱内只有一个腔模，因此容易实现单纵模输出。本激光器是光纤器件，因此只需采用单模光纤，即可保证激光具有很纯的单横模。借助激光器上的压电陶瓷可以调节光纤微腔的腔长，从而实现激光波长的电控调谐。光纤微腔的短腔长、大自由光谱区的特性同时也保证了调谐范围很宽，可以到几十nm量级，对应频率变化可以到THz量级。光纤微腔结构同时保证了压电陶瓷上的质量负载很小，整个系统的机械谐振频率很高，因此激光器具有快速调谐的特征，可以到几十kHz量级。此外，激光器的泵浦、输出都集成光纤，激光器的体积小，结构简单，因此成本低，便于大规模生产，便于实用于各种应用场合。

在本公开实施例中，提供一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，如图1所示，所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，包括：

泵浦源5，用于输出泵浦光；

微腔谐振器1，与所述泵浦源5通过光纤及光纤分束器3相连；用于将所述泵浦光增益为激光后输出；

所述泵浦光通过依次相连的光纤4、光纤分束器3、光纤2输入微腔谐振器1；

激光器工作原理如下，泵浦源5产生泵浦光，泵浦光输出至光纤4，经光纤4导入到光纤分束器3，光纤分束器3再将泵浦光导入至光纤2后再进入微腔谐振器1；泵浦光泵浦微腔谐振器1中的增益介质，从而产生激光；微腔谐振器1中产生的激光反向耦合进入光纤2，经过光纤2导入至光纤分束器3后被分至输出光纤6，最终从光纤6上输出激光。

在本公开实施例中，如图2所述，所述激光谐振器1，包括：

底座11，

电极13，位于所述底座11上；

压电陶瓷14，其负极一面贴合于所述电极13上，另一面为正极；

V型槽连接器15，位于所述压电陶瓷14的正极上；

光纤12，设置于所述V型槽连接器15的V型槽中；

介质高反镜18，与所述光纤12的末端对应设置；

增益片，设置于所述光纤12与所述介质高反镜18之间；

所述光纤12的末端端面具有凹面结构161，所述凹面结构161的曲率在10um-1000mm之间；

所述凹面结构161表面镀有介质高反膜162，所述介质高反膜162的反射率在90％至99.999％之间；

所述介质高反镜18接近所述光纤末端端面的一面镀有介质高反膜181；所述光纤12端面的介质高反膜162与所述介质高反镜18的介质高反膜181共同构成法布里-珀罗微腔16。

所述电极13为金属导电材料，其下表面固定在底座11上，一般的可以通过紫外固化胶，或者环氧树脂胶粘合实现；

所述电极13的上表面连接压电陶瓷14的负极，为了保证导电连接，可以采用导电胶(例如导电银胶)粘合。电极13裸露的表面可以连接导线，用于驱动压电陶瓷的负极。

所述压电陶瓷14用于驱动光纤12的轴向位置，从而调节光纤微腔15的腔长，实现激光波长的调谐。所述压电陶瓷14优选剪切压电陶瓷，这种压电陶瓷具有比较高的谐振频率，从而保证激光腔的调谐速度。

所述压电陶瓷14的上表面为压电陶瓷的正极，一部分露出，用于连接导线；另一部分连结光纤V型槽连接器15。压电陶瓷14与光纤V型槽连接器15的连接可以通过紫外固化胶，或者环氧树脂胶粘合实现。

所述光纤12被固定于15的V型槽里；其一个端面与增益片17和介质高反镜18，构成光纤法布里-珀罗微腔16。光纤12远离16的一端，与图1中的输入输出光纤2连接。

在本公开实施例中，如图3所述，光纤12的末端端面具有凹面结构161，凹面结构161的曲率一般在10um-1000mm之间；凹面结构161表面镀介质高反膜162，反射率根据需求一般在90％至99.999％之间。介质高反膜162与高反镜18上的介质高反膜181构成法布里-珀罗微腔16，增益片17位于介质高反膜162与高反镜18的介质高反膜181之间，其厚度小于法布里-珀罗微腔16的腔长即可。

为了保证激光谐振腔的稳定性，底座11可以选择热膨胀系数小的材料，例如陶瓷、殷钢、玻璃等材料。对谐振腔的稳定性无要求情形，底座11的材料可以选择其他材料，例如金属。如果底座选取了金属材料，电极13可以省略，直接将底座11作为压电陶瓷的负极。整个微腔谐振器的尺寸比较小，在厘米量级。如果对激光器的稳定性有更高的要求，可以将整个微腔谐振器密封于定制腔体，并对整个腔体进行控温。

在本公开的实施例中，具体描述了一种通信波段快速宽调谐的光纤微腔激光器。泵浦源5采用980nm半导体激光器，优选带光纤尾纤输出的半导体激光二极管，便于与输入光纤4连接。分束器3采用1550nm和980nm光纤波分复用器，可以将1550nm与980nm分开。增益片7采用铒镱共掺磷酸盐玻璃。光纤2、4、6(12)均采用单模光纤。介质高反膜162和181在1500nm至1600nm波段的反射率为99.8％，透过率大于0.1％；在980nm波段具有较高的透过率，透过率大于90％。这种高反膜可以通过电子束或者离子束溅射镀膜，在光纤端面161和介质高反镜18上制备。由于介质高反膜在1550nm波段具有很高的反射率，组建的法布里-珀罗微腔16的细度在1550nm波段可以到1000左右，Q值可以大于10⁵。161的曲率可以选择100um，此时16的腔长可以设置至100um以下。由激光线宽公式激光器的线宽可达到10KHz量级。在这些条件下，激光谐振器的激光阈值的泵浦功率一般小于100mW，因此使用功率较低的半导体激光器泵浦源即可满足要求，可降低泵浦源的成本。铒镱共掺磷酸盐玻璃荧光谱的增益峰在1535nm附近，半峰宽约25nm，激光器可以在1530nm至1541nm波段输出激光，输出激光的功率在微瓦量级。激光器输出端6后可以连接多个掺铒光纤放大器(EDFA)，进一步将输出功率放大至mW或者W量级。

微腔谐振器1的调谐通过电压驱动压电陶瓷实现。调谐的速率主要受限压电陶瓷14的驱动速率和微腔谐振器1的机械谐振频率影响。因此，为了保证较高的调谐速率，需要优化压电陶瓷14配置和微腔谐振器1的机械设计。压电陶瓷14优选剪切压电陶瓷，譬如Norlica公司的CSAP03型号，这种压电陶瓷片的共振频率为1.7MHz。微腔谐振器1的底座11尽量选择杨氏模量大的材料(例如陶瓷或者殷钢)，并且保证底座11的厚宽比大于1。此外介质高反镜18与底座11的粘合强度要高。这样可以保证微腔谐振器具有较高的机械谐振频率。采用上述设计，微腔谐振器的调谐速率可以达到10KHz以上。剪切压电陶瓷14在100V电压驱动下，伸缩量一般可以达到200nm左右。如果微腔谐振器1的腔长在150um左右，由自由光谱区公式微腔的自由光谱区FSR宽度约为1THz。即在1550nm波段，微腔的腔长变化780nm，激光器会被调谐1THz。相应的，若采用0到100V电压扫描驱动压电陶瓷，可获得250GHz的调谐范围。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开快速宽调谐的光纤微腔激光器有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，采用高精细度光纤法布里-珀罗微腔作为激光器的谐振腔，借助压电陶瓷可以调节光纤法布里-珀罗微腔的腔长，从而实现激光波长的电控调谐，光纤微腔结构同时保证了压电陶瓷上的质量负载很小，整个系统的机械谐振频率很高，因此激光器具有快速调谐的特征，可以达到几十KHz量级。此外，激光器的泵浦、输出都集成光纤，激光器的体积小，结构简单，因此成本低，便于大规模生产，便于实用于各种应用场合。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速宽调谐的光纤微腔激光器，包括：

泵浦源(5)，用于输出泵浦光；以及

微腔谐振器(1)，与所述泵浦源(5)通过光纤及光纤分束器(3)相连；用于将所述泵浦光增益为激光后输出。

2.根据权利要求1所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述泵浦光通过依次相连的光纤(4)、光纤分束器(3)、光纤(2)输入微腔谐振器(1)。

3.根据权利要求1所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述激光谐振器(1)，包括：

底座(11)；

电极(13)，位于所述底座(11)上；

压电陶瓷(14)，其负极一面贴合于所述电极(13)上，另一面为正极；

光纤V型槽连接器(15)，位于所述压电陶瓷(14)的正极上；

光纤(12)，设置于所述光纤V型槽连接器(15)的V型槽中；

介质高反镜(18)，与所述光纤(12)的末端对应设置；以及

增益片(17)，设置于所述光纤(12)端面与所述介质高反镜(18)之间。

4.根据权利要求3所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述光纤(12)的末端端面具有凹面结构(161)，所述凹面结构(161)的曲率在10um-1000mm之间。

5.根据权利要求4所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述凹面结构(161)表面镀有介质高反膜(162)，所述介质高反膜(162)的反射率在90％至99.999％之间。

6.根据权利要求3所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述介质高反镜(18)接近所述光纤(12)末端端面的一面镀有介质高反膜(181)。

7.根据权利要求5或6所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述光纤(12)端面的介质高反膜(162)与所述介质高反镜(18)的介质高反膜(181)共同构成法布里-珀罗微腔(16)。

8.根据权利要求3所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，底座(11)的制备材料包括陶瓷或者殷钢，并且底座(11)的厚宽比大于1。

9.根据权利要求3所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述压电陶瓷(14)的种类包括剪切压电陶瓷，采用0到100V电压扫描驱动压电陶瓷(14)，可获得250GHz的调谐范围。

10.根据权利要求3所述的快速宽调谐的光纤微腔激光器，所述增益片(17)的厚度小于法布里-珀罗微腔(16)的腔长。