CN111864509A - 片上超窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种片上超窄线宽激光器，包括激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜，激光发生增益单元对其生成宽光谱的初始光信号进行波长选择，获得特定波长的光信号，特定波长的光信号的一部分通过第一光准直透镜传输给分布式散射回馈单元，另一部分通过第二光准直透镜输出；分布式散射回馈单元对特定波长的光信号进行线宽压缩，并通过第一光准直透镜将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给激光发生增益单元，激光发生增益单元对回馈的光信号进行增益放大，增益放大后的光信号一部分通过第二光准直透镜输出，另一部分通过第一光准直透镜再次传输给分布式散射回馈单元做进一步线宽压缩。

Description

片上超窄线宽激光器
技术领域
本发明属于激光线宽压缩领域，具体涉及一种片上超窄线宽激光器。
背景技术
单纵模运转的超窄线宽激光器由于其超长的相干长度和极低的相位噪声在光纤传感、光纤通信、激光雷达及引力波探测等领域具有重要的应用前景。而激光的单纵模运转是实现激光线宽压缩的前提基础。迄今，除了包括采用短腔结构、饱和吸收体等的模式选择方法外，光学注入反馈已成为获得激光线宽窄化的常用方法。然而，传统的光注入反馈作为一种单路径的功率回馈，由于其引入的额外腔长将导致同等条件下自由光谱范围(FSR)的减小，难以实现激光的单纵模运转。同时，由于其仅仅是一种功率回馈，有限的回馈腔长将限制了其线宽的进一步压缩。另外，通过增加回馈腔长来实现激光线宽窄化的方式难以实现激光器的集成化和小型化。因此，寻找一种能够使得激光呈无纵模输出，并具有集成化潜能的激光线宽深压缩方法是当前超窄线宽激光器领域所面临的重要问题。
发明内容
本发明提供一种片上超窄线宽激光器，以解决窄线宽激光器领域中采用传统光学反馈方式在获得模式选择的同时难以实现激光线宽深压缩的难题；同时该发明克服了通过增加回馈腔长来实现激光线宽窄化的方式难以实现激光器的集成化和小型化的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种片上超窄线宽激光器，包括激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜，所述激光发生增益单元的第一输出端通过所述第一光准直透镜连接所述分布式散射回馈单元的第一端，第二输出端连接所述第二光准直透镜的第一端；所述激光发生增益单元用于生成宽光谱的初始光信号，并对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜传输给所述分布式散射回馈单元的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜输出；
所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到特定波长的光信号后，对该光信号进行线宽压缩，并通过所述第一光准直透镜将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述激光发生增益单元，所述激光发生增益单元在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分通过所述第二光准直透镜输出，另一部分通过所述第一光准直透镜再次传输给所述分布式散射回馈单元的第一端做进一步线宽压缩，当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光准直透镜输出。
在一种可选的实现方式中，所述分布式散射回馈单元包括具有高散射系数的特殊光纤、特殊气体材料波导，或刻写在基底上的特殊散射波导。
在另一种可选的实现方式中，通过对所述分布式散射回馈单元的散射系数和信号回馈比例进行调节，实现光信号线宽的深压缩和单纵模输出。
在另一种可选的实现方式中，所述激光发生增益单元包括增益介质和光纤光栅FBG，所述增益介质在电激励作用下生成宽光谱的初始光信号，生成的光信号传输给所述FBG，所述FBG对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜传输给所述分布式散射回馈单元的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜输出；
所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到特定波长的光信号，对该光信号进行线宽压缩后，依次通过所述第一光准直透镜、所述FBG将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述增益介质，所述增益介质在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分依次通过所述FBG、第二光准直透镜输出，另一部分依次通过所述FBG、第一光准直透镜再次传输给所述分布式散射回馈单元的第一端做进一步线宽压缩。
在另一种可选的实现方式中，还包括第一光隔离器，所述第二光准直透镜的第二端连接所述第一光隔离器。
在另一种可选的实现方式中，还包括第二光隔离器，所述分布式散射回馈单元的第二端连接所述第二光隔离器，所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到光信号，对该光信号进行线宽压缩后，通过所述第二光隔离器将线宽压缩后向前传输的光信号输出；当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光隔离器输出。
在另一种可选的实现方式中，所述分布式散射回馈单元是包括瑞利散射在内的所有分布式散射机制，通过所述分布式散射回馈单元来实现激光波长与有效分布式反馈腔的自匹配。
在另一种可选的实现方式中，所述激光发生增益单元的增益介质可覆盖激光增益的任意波段，其不具波长的选择性，适用于任意波段和任意类型激光线宽的深压缩。
在另一种可选的实现方式中，所述激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜、第二光准直透镜、第一光隔离器和第二光隔离器中至少激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜集成在基板上。
本发明的有益效果是：
1、本发明设置有激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜，在将光信号传输给分布式散射回馈单元进行循环线宽压缩之前，激光发生增益单元首先选择出特定波长的光信号，然后将特定波长的光信号传输给分布式散射回馈单元进行循环线宽压缩，由此可以提高压缩效率；本发明通过分布式散射回馈单元来实现输出波长与有效反馈腔的自匹配，从而实现在模式选择的同时实现激光线宽的深压缩，获得边模抑制比较高的单纵模输出，并且整个激光器结构简单、体积较小；
2、本发明可以通过选择设置第一光隔离器和第二光隔离器，可以实现单纵模超窄线宽光信号的单端稳定输出或双端稳定输出。
3、本发明通过将对应组件集成于基板上，可以实现集成化和稳定性。
附图说明
图1是本发明片上超窄线宽激光器的一个实施例结构示意图；
图2是本发明片上超窄线宽激光器的另一个实施例结构示意图。
图中：1、分布式散射回馈单元，2、第一光准直透镜，3、激光发生增益单元，4、第二光准直透镜，5、光隔离器，300、增益介质，301、FBG。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明片上超窄线宽激光器的一个结构示意图。该片上超窄线宽激光器可以包括激光发生增益单元3、分布式散射回馈单元1、第一光准直透镜2和第二光准直透镜4，所述激光发生增益单元3的第一输出端通过所述第一光准直透镜2连接所述分布式散射回馈单元1的第一端，第二输出端连接所述第二光准直透镜4的第一端；所述激光发生增益单元3用于生成宽光谱的初始光信号，并对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜2传输给所述分布式散射回馈单元1的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜4输出；所述分布式散射回馈单元1的第一端在接收到特定波长的光信号后，对该光信号进行线宽压缩，并通过所述第一光准直透镜2将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述激光发生增益单元3，所述激光发生增益单元3在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分通过所述第二光准直透镜4输出，另一部分通过所述第一光准直透镜2再次传输给所述分布式散射回馈单元1的第一端做进一步线宽压缩，当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元1循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光准直透镜4输出。
本实施例中，所述分布式散射回馈单元1包括具有高散射系数的特殊光纤、特殊气体材料制成的波导结构，或者刻写在基底上的特殊散射波导。本发明通过对所述分布式散射回馈单元1的散射系数和信号回馈比例进行调节，可以实现光信号线宽的循环压缩和单纵模输出的调控；该分布式散射回馈单元1包括瑞利散射在内的所有分布式散射机制，分布式散射回馈单元1回馈传输的光信号是一个涵盖瑞利散射特征的分布式散射回馈信号，通过所述分布式散射回馈单元来实现激光波长与有效分布式反馈腔的自匹配。本发明是通过分布式散射回馈单元产生的后向回馈信号来实现激光波长的自腔长匹配和无纵模输出，可以通过设计分布式散射回馈单元的结构来避免其他非线性效应对激光线宽压缩的影响。由于以瑞利散射为代表的分布式散射回馈单元1在激光的每次振荡过程中产生一个频域线宽相比于原始注入信号更窄的后向散射信号并回馈到激光发生增益单元1中进行增益放大，因而本发明能够实现激光线宽的深压缩。
所述激光发生增益单元3包括增益介质300和光纤光栅FBG(Fiber BraggGrating，光纤布拉格光栅)301，所述增益介质300在电激励作用下生成宽光谱的初始光信号，生成的光信号传输给所述FBG 301，所述FBG 301对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜2传输给所述分布式散射回馈单元1的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜4输出；所述分布式散射回馈单元1的第一端在接收到特定波长的光信号，对该光信号进行线宽压缩后，依次通过所述第一光准直透镜2、所述FBG 301将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述增益介质300，所述增益介质300在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分依次通过所述FBG 301、第二光准直透镜4输出，另一部分依次通过所述FBG 301、第一光准直透镜2再次传输给所述分布式散射回馈单元1的第一端做进一步线宽压缩。其中，所述激光发生增益单元3的增益介质300可覆盖激光增益的任意波段，其不具波长的选择性，适用于任意波段和任意类型激光线宽的深压缩。该增益介质300可以为线型，该FBG 301可以刻写在线型的增益介质300的下侧，该增益介质300通过其下侧与该FBG 301进行光信号交互，该FBG 301的左端作为该激光发生增益单元的3的第一输出端，右端作为该激光发生增益单元3的第二输出端。
由上述实施例可见，本发明设置有激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜，在将光信号传输给分布式散射回馈单元进行循环线宽压缩之前，激光发生增益单元首先选择出特定波长的光信号，然后将特定波长的光信号传输给分布式散射回馈单元进行循环线宽压缩，由此可以提高压缩效率；本发明通过分布式散射回馈单元来实现输出波长与有效反馈腔的自匹配，从而可以在实现模式选择的同时实现激光线宽的深压缩，获得边模抑制比较高的单纵模输出，并且整个激光器结构简单、体积较小。
另外，本发明片上超窄线宽激光器还可以包括第一光隔离器5，结合图1所示，所述第二光准直透镜4的第二端连接所述第一光隔离器5。片上超窄线宽激光器还可以还包括第二光隔离器5，结合图2所示，所述分布式散射回馈单元1的第二端连接所述第二光隔离器5，所述分布式散射回馈单元1的第一端在接收到光信号，对该光信号进行线宽压缩后，通过所述第二光隔离器5将线宽压缩后向前传输的光信号输出；当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元1循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光隔离器5输出。本发明通过将第二光准直透镜的第二端连接所述第一光隔离器或者将分布式散射回馈单元的第二端连接所述第二光隔离器，可以实现单纵模超窄线宽光信号的单端稳定输出。当然，当第二光准直透镜4的第二端连接所述第一光隔离器5，并且分布式散射回馈单元1的第二端连接所述第二光隔离器5时，可以实现单纵模超窄线宽光信号的双端稳定输出。
由于本发明激光器结构简单、体积较小，因此在实现激光器集成化、芯片化的进程中，本发明尤其适用，其中所述激光发生增益单元3、分布式散射回馈单元1、第一光准直透镜2、第二光准直透镜4、第一光隔离器和第二光隔离器中至少激光发生增益单元3、分布式散射回馈单元1、第一光准直透镜2和第二光准直透镜4集成在基板上。
本发明中以瑞利散射为代表的瑞利散射单元实现激光线宽深压缩为例，其原理可解释为：
Figure BDA0002284936020000081
其中：
Figure BDA0002284936020000082
表示在第k次激光振荡过程中输出的信号谱，
Figure BDA0002284936020000083
表示第k-1次回馈到激光增益介质中的分布式回馈信号，FRBS表示以瑞利散射为代表的分布式对每次注入信号的线宽衰减因子，可表示为：
Figure BDA0002284936020000084
由于此过程属于一个线性散射过程，因此线宽衰减FRBS是一个常数。在激光振荡过程中，由于瑞利散射单元对每次注入的激光线宽的线宽都是以一定的比例压缩后再次回馈到增益单元中进行放大。类似周而复始的循环，线宽在激光到达动态平衡时将得到深压缩。
需要注意的是：分布式散射回馈单元是集成于激光芯片上的高散射系数的材料，其可以是具有高散射系数的特殊光纤(Fiber)、特殊气体材料，或利用飞秒加工等技术写在芯片上的特殊散射波导。激光发生增益单元的增益介质所应有的激光波段可覆盖激光任意波段，该发明在线宽激光线宽深压缩和模式选择上不具有波长的选择性。所述的光学器件可以是光纤连接，也可以是空间耦合连接。另外，不论所述激光增益单元是半导体类型还是光纤激光增益类型，利用该方法都能将激光输出线宽压缩至Hz量级。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种片上超窄线宽激光器，其特征在于，包括激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜，所述激光发生增益单元的第一输出端通过所述第一光准直透镜连接所述分布式散射回馈单元的第一端，第二输出端连接所述第二光准直透镜的第一端；所述激光发生增益单元用于生成宽光谱的初始光信号，并对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜传输给所述分布式散射回馈单元的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜输出；
所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到特定波长的光信号后，对该光信号进行线宽压缩，并通过所述第一光准直透镜将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述激光发生增益单元，所述激光发生增益单元在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分通过所述第二光准直透镜输出，另一部分通过所述第一光准直透镜再次传输给所述分布式散射回馈单元的第一端做进一步线宽压缩，当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光准直透镜输出。
2.根据权利要求1所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，所述分布式散射回馈单元包括具有高散射系数的特殊光纤、特殊气体材料波导，或刻写在基底上的特殊散射波导。
3.根据权利要求1或2所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，通过对分布式散射回馈单元的散射系数和信号回馈比例进行调节，实现光信号线宽的深压缩和单纵模输出。
4.根据权利要求1所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，所述激光发生增益单元包括增益介质和光纤光栅FBG，所述增益介质在电激励作用下生成宽光谱的初始光信号，生成的光信号传输给所述FBG，所述FBG对生成的光信号进行波长选择，获得具有特定波长的光信号，所述特定波长的光信号的一部分通过所述第一光准直透镜传输给所述分布式散射回馈单元的第一端，另一部分通过所述第二光准直透镜输出；
所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到特定波长的光信号，对该光信号进行线宽压缩后，依次通过所述第一光准直透镜、所述FBG将线宽压缩后向后回馈的光信号传输给所述增益介质，所述增益介质在接收到回馈的光信号后，对回馈的光信号进行增益放大，针对增益放大后的光信号，将其一部分依次通过所述FBG、第二光准直透镜输出，另一部分依次通过所述FBG、第一光准直透镜再次传输给所述分布式散射回馈单元的第一端做进一步线宽压缩。
5.根据权利要求1所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，还包括第一光隔离器，所述第二光准直透镜的第二端连接所述第一光隔离器。
6.根据权利要求1或5所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，还包括第二光隔离器，所述分布式散射回馈单元的第二端连接所述第二光隔离器，所述分布式散射回馈单元的第一端在接收到光信号，对该光信号进行线宽压缩后，通过所述第二光隔离器将线宽压缩后向前传输的光信号输出；当达到稳态时，所述特定波长的光信号经过所述分布式散射回馈单元循环线宽压缩后，获得的单纵模超窄线宽光信号从所述第二光隔离器输出。
7.根据权利要求1或2所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，所述分布式散射回馈单元是包括瑞利散射在内的所有分布式散射机制，通过所述分布式散射回馈单元来实现激光波长与有效分布式反馈腔的自匹配。
8.根据权利要求1或4所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，所述激光发生增益单元的增益介质可覆盖激光增益的任意波段，其不具波长的选择性，适用于任意波段和任意类型激光线宽的深压缩。
9.根据权利要求6所述的片上超窄线宽激光器，其特征在于，所述激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜、第二光准直透镜、第一光隔离器和第二光隔离器中至少激光发生增益单元、分布式散射回馈单元、第一光准直透镜和第二光准直透镜集成在基板上。
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