CN111162434B - 基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器 - Google Patents

基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，属于双波长窄带宽激光器领域。一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，包括：被脉冲电流调制的半导体光放大器，用于耦合输出腔内激光的光耦合器，用于产生腔内色散的色散补偿光纤，用于引导激光传播的第二光环形器和第一光环形器，用于激光腔长调节的可变光延时线和用于连接激光腔的光纤跳线；构成一个顺时针传播的谐振腔和一个逆时针传播的谐振腔。这种双波长窄带宽光纤激光器能够对物体的两个波长区域同时产生响应，得以应用在光传感、光通信系统、光学检测、激光雷达等多个领域。

Description

基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器
技术领域
本发明涉及双波长光纤激光器技术，特别是提供了一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器。
背景技术
双波长激光器的输出激光光谱具有两个波峰，能够对物体的两个波长区域同时产生响应。在诸如光传感、光通信系统、光学检测、激光雷达等多个领域，该特性能够保证双波长激光器在不显著增加物料和空间成本的前提下完成两倍于单一波长激光器的工作。人们还通过拍频和光学非线性将双波长的输出转化为相应的微波和太赫兹波。因此，双波长激光器具有很好的实用和研究价值。
光纤激光器的光束质量高，环境鲁棒性好，功率转换效率高，成本相对较低，结构简单紧凑，是实现双波长激光输出的一种重要方式。双波长光纤激光器的输出波长由组成激光器的介质增益谱和激光腔损耗谱共同决定，其波长的选择往往由窄带滤波器完成。同时产生的两个波长在不做特殊处理的情况下会由于模式竞争导致此消彼长，因此双波长的稳定机制也十分的重要。典型的双波长光纤激光器系统往往需要两个滤波器来同时选出两个波长，并通过调节腔损耗来稳定这两个波长，这在一定程度上使结构复杂化，也降低了系统的稳定性。此外在这种情况下，波长的调谐精度和连续性难以维持。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，结构简单，操作简便，可实现激光器连续可调谐的窄带宽双波长输出。
一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，包括：被脉冲电流调制的半导体光放大器，用于耦合输出腔内激光的光耦合器，用于产生腔内色散的色散补偿光纤，用于引导激光传播的第二光环形器和第一光环形器，用于激光腔长调节的可变光延时线和用于连接激光腔的光纤跳线；构成一个顺时针传播的谐振腔和一个逆时针传播的谐振腔；其中一个波长的激光以半导体光放大器为起点，依次经过光耦合器的p和g端口、色散补偿光纤、第一光环形器的j和k端口、第二光环形器的e和d端口，最终回到半导体光放大器，形成一个顺时针传播的谐振腔，光耦合器的i端口为该激光的输出口；而另一个波长的激光以半导体光放大器为起点，依次经过第二光环形器的d和q端口、可变光延时线、第一光环形器的m和j端口、色散补偿光纤、光耦合器的g和p端口，最终回到半导体光放大器，形成一个逆时针传播的谐振腔，光耦合器的h端口为该激光的输出口。
所述的半导体光放大器、光耦合器、色散补偿光纤、第一光环形器、第二光环形器、可变光延时线均具有光纤输入和光纤输出端口，且均通过光纤跳线连接。
所述的半导体光放大器为C+L波段放大器，所述的输入、输出光纤和光纤跳线均为标准单模石英光纤，所述的第二光环形器、和第一光环形器、光耦合器和可变光延时线均可工作在1.55微米波段，所述的光耦合器的输出耦合比为8:2。
本发明的有益效果：
通过基于频率调制的半导体光放大器和色散补偿光纤，在双腔结构中实现双波长连续可调谐输出。激光输出的两个波峰可以通过改变半导体光放大器驱动电流的调制频率而被连续调谐，精度可达0.01纳米每2赫兹频率改变。在优化驱动电流的大小和脉冲宽度后，实际输出的两个波长3dB带宽均小于0.07纳米，调谐范围超过了60纳米。整个激光器结构简单，操作简便，稳定可靠。
附图说明
图1是基于色散腔增益调制的原理图；
图2是基于色散腔增益调制下的激光器输出波长的调谐范围示意图；
图3是调整半导体光放大器的驱动电流大小后，输出激光的线宽的变化图；
图4是本发明一种连续可调双波长窄带宽光纤激光器的结构示意图；
图5是本发明激光器的输出双波长随半导体光放大器驱动电流频率调谐的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示为基于色散腔增益调制的原理。基于色散腔增益调制的波长调谐激光器，包括半导体光放大器1、光耦合器2、色散补偿光纤3、光隔离器4、以及若干光纤跳线；光耦合器1的b和a端口的输出比例为8:2。半导体光放大器1的输出端口与光耦合器2的o端口连接，光耦合器2的b端口为激光器输出口，a端口与光隔离器4相连，光隔离器的方向为顺时针方向导通，之后与色散补偿光纤3相连，再与半导体光放大器1的输入端相连，构成环形腔结构。
半导体光放大器受频率和脉冲宽度均可调的驱动电流控制，因此激光器的放大增益也是一个调制信号。在这样一个高度色散的环形激光腔内，各波长的光传播一周所需的时间均不同，如果这个时间与电流调制信号的周期相同，那么这部分波长的激光就会谐振。理论上输出波长值与调制信号的脉宽无关而只与频率有关，因此其线宽能保持很窄。实际过程中，输出激光的线宽受半导体光放大器的饱和增益效应和腔损耗大小所影响而不会无限变窄。当一个波长的光与增益调制的频率不相同时，如果调制信号脉宽足够大，驱动电流足够高，激光腔增益足够大，它也能够在多次谐振偏离出增益调制窗口之前在腔内建立激光。这是输出激光线宽的决定因素。
色散补偿光纤3为谐振腔提供较大的线性色散，这使得不同波长的激光在腔内谐振一周所需的时间不同。腔内各波长光的放大在半导体光放大器1中完成。由于半导体光放大器1的驱动电流是一定调制频率的短脉冲（2纳秒以下），因此只有在脉冲作用范围内完成一周谐振到达半导体光放大器1的波长的光才能被放大，谐振产生激光。其他光在半导体光放大器1未驱动情况下被吸收损耗而不能谐振。这样激光器的实际输出波长就会与驱动电流的调制频率相对应而稳定地存在。当这个频率改变时，激光器的输出波长也会随之改变。输出波长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和调制频率
Figure 638058DEST_PATH_IMAGE002
之间的关系由下式决定：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中λ 0 ，D，l，n，L 0 ，c分别是参考波长，色散补偿光纤的色散参数，色散补偿光纤的长度，群速度折射率，除色散补偿光纤外谐振腔长度以及真空中光速。
图2是色散腔增益调制技术下的波长调谐范围，可以看到，以320赫兹为频率调谐步长，激光器的输出波长的调谐范围覆盖1558.58纳米到1642.88纳米，其范围的3dB带宽达到了60纳米。
图3展示了三个驱动电流值下，输出激光的光谱图。在这一个过程中，激光器的调制频率、脉冲宽度均保持相同。实线曲线、*形曲线和o形曲线分别对应调制的电流为112mA，125mA和176mA。随着调制电流的减小，输出光谱线宽逐渐变窄，而峰值基本保持不便。最窄线宽在驱动电流为112 mA时减小到0.025 纳米，此时光谱仪的分辨率为0.01纳米。
实施例1
如图4所示，本发明提出的一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，包括：被脉冲电流调制的半导体光放大器1，用于耦合输出腔内激光的光耦合器2，用于产生较大腔内色散的色散补偿光纤3，用于引导激光传播的第一光环形器6和第二光环形器5，用于激光腔长调节的可变光延时线7和用于连接激光腔的光纤跳线。所有器件均通过光纤接口连接。光耦合器2的h和i端口为80%输出口，p和g端口为20%输出口。第二光环形器5允许光从端口e入射并从端口d出射，或者从端口d入射并从端口q出射。第一光环形器6允许光从端口j入射并从端口k出射，或者从端口m入射并从端口j出射。
如图4所示，其中一个波长的激光以半导体光放大器1为起点，依次经过光耦合器2的p和g端口、色散补偿光纤3、第一光环形器6的j和k端口、第二光环形器5的e和d端口，最终回到半导体光放大器1，形成一个顺时针传播的谐振腔，光耦合器2的i端口为该激光的输出口。而另一个波长的激光以半导体光放大器1为起点，依次经过第二光环形器5的d和q端口、可变光延时线7、第一光环形器6的m和j端口、色散补偿光纤3、光耦合器2的g和p端口，最终回到半导体光放大器1，形成一个逆时针传播的谐振腔，光耦合器2的h端口为该激光的输出口。两个谐振腔共用除可变光延时线7之外的所有其他器件。在同一个调制频率下，由于两个激光谐振腔的腔长不同，输出两个不同的谐振波长的激光。
图5是所述连续可调谐双波长窄带宽光纤激光器的输出随调制频率调谐的结果，双波长调谐步长同为0.12纳米每20赫兹。使用2赫兹的频率调谐将达到更精确的0.01纳米调谐步长，扫描更大的调制频率范围将获得更大的调谐范围。两个光谱峰的线宽分别为0.07纳米和0.05纳米。
调节可变光延时线的延时，可以更加精确地调整逆时针谐振的激光的输出波长，其调谐精度随可变光延时线的最小分辨率而定。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解，根据已经公开的教导和启示，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (3)

1.一种基于色散腔增益调制的连续可调双波长窄带宽光纤激光器，其特征在于，
包括：被脉冲电流调制的半导体光放大器（1），用于耦合输出腔内激光的光耦合器（2），用于产生腔内色散的色散补偿光纤（3），用于引导激光传播的第二光环形器（5）和第一光环形器（6），用于激光腔长调节的可变光延时线（7）和用于连接激光腔的光纤跳线；
构成一个顺时针传播的谐振腔和一个逆时针传播的谐振腔；
其中一个波长的激光以半导体光放大器（1）为起点，依次经过光耦合器（2）的p和g端口、色散补偿光纤（3）、第一光环形器（6）的j和k端口、第二光环形器（5）的e和d端口，最终回到半导体光放大器（1），形成一个顺时针传播的谐振腔，光耦合器（2）的i端口为该激光的输出口；而另一个波长的激光以半导体光放大器（1）为起点，依次经过第二光环形器（5）的d和q端口、可变光延时线（7）、第一光环形器（6）的m和j端口、色散补偿光纤（3）、光耦合器（2）的g和p端口，最终回到半导体光放大器（1），形成一个逆时针传播的谐振腔，光耦合器（2）的h端口为该激光的输出口。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的半导体光放大器（1）、光耦合器（2）、色散补偿光纤（3）、第一光环形器（6）、第二光环形器（5）、可变光延时线（7）均具有光纤输入和光纤输出端口，且均通过光纤跳线连接。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的半导体光放大器（1）为C+L波段放大器，所述的光纤跳线为标准单模石英光纤，所述的第二光环形器（5）、和第一光环形器（6）、光耦合器（2）和可变光延时线（7）均可工作在1.55微米波段，所述的光耦合器（2）的输出耦合比为8:2。
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