CN112117630A - 基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于双环型谐振腔的全保偏结构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)、双环型无源谐振腔(4)、1×2光耦合器(5)、光隔离器(6)、第一光环形器(7)、光纤布拉格光栅(8)、第一2×2光耦合器(9)、第二2×2光耦合器(10)、第二光环形器(11)、第三光环形器(12)和未泵浦低掺杂光纤(13)组成。本发明中的双环型无源谐振腔可以作为一种高性能模式滤波器确保光纤激光器实现稳定的窄线宽单频激光输出。本发明采用全保偏结构，可以实现一种高信噪比、高稳定性、超窄线宽的全保偏单频光纤激光器，可应用于高精度时间频率传输等领域中。

Description

基于双环型谐振腔的全保偏结构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，具体为一种基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器。
背景技术
单频光纤激光器具有输出光束质量好、噪声性能好、输出线宽窄等显著优点。基于掺铒光纤的单频光纤激光器具有超窄输出线宽、高稳定性、超高光信噪比以及易于制作、应用广泛等优点。因此，具有高性能的掺铒光纤单频光纤激光器在高精度时间频率传输以及其他诸多工学领域中具有非常出色的应用前景。
与短直腔结构单频光纤激光器相比，采用多谐振腔结构的环形腔激光器可以避免由于空间烧孔效应所引起的多模振荡。此外，环形腔单频光纤激光器腔内不需要使用类似于超窄线宽光滤波器、超高掺杂浓度的掺杂光纤等昂贵器件，也不需要采用如光注入反馈方案等复杂的结构就可以实现有效的单频激光输出。因此，在环形腔激光器中采用多谐振腔结构来获得窄线宽单频激光输出是一种有效的方案。但是，之前已经报道过的采用多谐振腔结构的光纤激光器存在稳定性不好、跳模频繁以及最佳输出偏振态调整困难等问题，因此，研究设计一种更加高效的基于新型双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器对于进一步提升单频激光器的输出性能具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双环型谐振腔的全保偏结构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，在双环型无源谐振腔内形成了两个单耦合光纤环可以有效增大腔内的自由光谱范围，此外，谐振腔内形成的饱和吸收体可以作为具有超窄线宽的模式滤波器来确保实现光纤激光器的单频运转。本发明中的所有光器件均为保偏型器件，因此不需要使用偏振控制器件来调整腔内偏振态就可以实现稳定单频输出，具有更好的实用性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于双环型谐振腔的全保偏结构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、双环型无源谐振腔、1×2光耦合器、光隔离器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第一2×2光耦合器、第二2×2光耦合器、第二光环形器、第三光环形器和未泵浦低掺杂光纤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，波分复用器的公共端口与增益光纤的一端进行光纤熔接，增益光纤的另一端与光环形器的1端口进行光纤熔接，光环形器的2端口与光纤布拉格光栅进行光纤熔接，光环形器的3端口与1×2光耦合器的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器的2端口与双环型无源谐振腔的输入端进行光纤熔接，双环型无源谐振腔的输出端与与波分复用器的1550nm端进行光纤熔接。1×2光耦合器的3端口与光隔离器的输入端进行光纤熔接，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环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器的工作原理是：
基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器采用正向泵浦结构，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。光环形器可以保证谐振腔内激光单方向运转，光隔离器可以用来抑制不必要的反射。光纤布拉格光栅可以作为一种模式粗滤波器来降低纵模数目并且决定激光器的输出波长。双环型无源谐振腔作为一种高质量的模式滤波器，可以有效降低腔内的模式数目并保证激光器的单频输出。激光器所有光器件均为保偏型光器件，因此不需要使用偏振控制器件就可以实现最优的线偏振单频输出。
本发明提供的一种基于双环型谐振腔的全保偏结构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全保偏结构，因此不需要使用偏振控制器件来调整腔内偏振态，使用时供电就可以实现稳定单频输出，与非保偏结构单频光纤激光器相比具有更好的实用性。
2.本发明所述的单频光纤激光器采用紧凑简洁的设计结构，不需要使用复杂的激光器结构，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实验结构复杂，成本高，插入损耗大等缺陷。
3.本发明所述的单频光纤激光器利用双环型无源谐振腔的高效模式滤波性能实现单频输出，双环型无源谐振腔中包含了两个级联的单耦合光纤环，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。同时谐振腔内形成的饱和吸收体中可以作为一种超窄带模式滤波器，其对应的通带带宽小于主腔的纵模间隔，可以实现激光器的单频输出。此外，饱和吸收体还具有稳频以及压窄线宽的效果。与现有子谐振腔相比，双环型无源谐振腔结构具有非常高的模式滤波性能，不需要使用昂贵的实验器件或者复杂的实验结构，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双环型谐振腔的全保偏结构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双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器的结构原理图。
图2是本发明所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构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双环型谐振腔的全保偏结构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双环型无源谐振腔、5 1×2光耦合器、6光隔离器、7第一光环形器、8光纤布拉格光栅、9第一2×2光耦合器、10第二2×2光耦合器、11第二光环形器、12第三光环形器和13未泵浦低掺杂光纤。
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环型谐振腔的全保偏结构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、双环型无源谐振腔4、1×2光耦合器5、光隔离器6、第一光环形器7、光纤布拉格光栅8、第一2×2光耦合器9、第二2×2光耦合器10、第二光环形器11、第三光环形器12和未泵浦低掺杂光纤13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的公共端口与增益光纤3的一端进行光纤熔接，增益光纤3的另一端与光环形器7的1端口进行光纤熔接，光环形器7的2端口与光纤布拉格光栅8进行光纤熔接，光环形器7的3端口与1×2光耦合器5的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器5的2端口与双环型无源谐振腔4的输入端进行光纤熔接，双环型无源谐振腔4的输出端与与波分复用器2的1550nm端进行光纤熔接。1×2光耦合器5的3端口与光隔离器6的输入端进行光纤熔接，光隔离器6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980/1550nm保偏波分复用器，本实施案例采用的是北京极量光电公司的980/1550nm保偏波分复用器；
所述增益光纤为高掺杂浓度的保偏掺铒光纤，本实施案例采用iXblue公司的保偏掺铒光纤；
所述未泵浦掺铒光纤为低掺杂浓度的保偏掺铒光纤，本实施案例采用iXblue公司的保偏掺铒光纤；
所述1×2光耦合器是分光比为50：50的保偏单模光纤耦合器，本案例采用的是北京极量光电公司的保偏单模光纤耦合器。
所述第一2×2光耦合器和第二2×2光耦合器是分光比为90：10的保偏单模光纤耦合器，本案例采用的是北京极量光电公司的保偏单模光纤耦合器。
所述光纤布拉格光栅峰值反射率和3dB带宽分别为>90％和<0.1nm，本案例采用的是北京极量光电公司的保偏光纤布拉格光栅。
所述光隔离器、第一光环形器、第二光环形器和第三光环形器均为保偏型光器件，本案例采用的是北京极量光电公司的保偏隔离器和保偏环形器。
图2为本发明一种基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器的单频输出原理图，从图2.(a)中可以发现由于光纤布拉格光栅8的3dB带宽远宽于激光器主腔对应的主腔模式间隔(约为15MHz)，因此腔内存在大量的模式数。从图2.(b)和图2.(c)中可以发现双环型无源谐振腔4的两个单耦合光纤环(Ring-1和Ring-2)可以使腔内模式密度大大降低，但是因为双环型无源谐振腔对应的有效自由光谱范围小于布拉格光纤光栅8的3-dB带宽，因此不能保证光纤布拉格光栅8的3-dB带宽内只有一个通带。双环型无源谐振腔4内一段未泵浦掺铒光纤13可以作为饱和吸收体，其对应的通带带宽小于激光器主腔对应的自由光谱范围，因此在光纤激光器通带范围内有且只有一个模式占主导地位，最终实现了激光器的单频输出，如图2.(d)所示。
本发明所述的一种基于双环型谐振腔的全保偏结构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为全保偏结构，泵浦方式为正向泵浦结构，通过主腔内的光环形器7使腔内振荡激光单向运转，保证谐振腔工作在行波状态，可以避免由于驻波效应所带来的多纵模振荡。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3放大后，部分经1×2光耦合器5的3端口后经过隔离器6输出，而另一部分则由1×2光耦合器5的2端口重新输入回腔内。激光器主腔腔长约为13m，对应的自由光谱范围近似为15MHz，而光纤布拉格光栅8的3-dB带宽远大于主腔纵模间隔，因此激光器通带内存在大量的模式，如图2.(a)所示。系统中的光纤布拉格光栅10可以作为粗滤波器件首先进行模式滤除，但是因为光纤布拉格光栅10的3-dB带宽太宽，即使双环型无源谐振腔4内存在两个级联的单耦合光纤环可以有效进行滤波依旧不能获得单纵模输出(如图2.(b)和图2.(c)所示)。此时，一段未泵浦的掺铒光纤13作为饱和吸收体,在这段光纤中,其对应的通带带宽小于激光器主腔对应的自由光谱范围，因此在光纤激光器通带范围内有且只有一个模式占主导地位，最终实现了激光器的单频输出，如图2.(d)所示
双环型无源谐振腔4所对应的结构框图如图1所示：第一2×2光耦合器9的4端口与第二光环形器11的1端口进行光纤熔接，第二光环形器11的2端口与未泵浦低掺杂光纤13的一端进行光纤熔接，未泵浦低掺杂光纤13的另一端与第三光环形器12的2端口进行光纤熔接，第三光环形器12的3端口与第一2×2光耦合器9的2端口进行光纤熔接。第一2×2光耦合器9的3端口与第二2×2光耦合器10的5端口进行光纤熔接，第二光环形器11的3端口与第二2×2光耦合器10的6端口进行光纤熔接，第二2×2光耦合器10的8端口与第三光环形器12的1端口进行光纤熔接。第一2×2光耦合器9的1端口和第二2×2光耦合器10的7端口作为双环型无源谐振腔4的输入端口和输出端口。
假定双环型无源谐振腔4中Ring-1和Ring-2所对应的长度分别为3.7m和4.3m，因此这两个光纤环所对应的自由光谱范围分别可以计算为55.1MHz和47.4MHz。因此双环型无源谐振腔4所对应的自由光谱范围为Ring-1和Ring-2所对应自由光谱范围的最小公倍数，计算结果小于光纤布拉格光栅8的3dB带宽，不能保证光纤布拉格光栅10的3-dB带宽内有且只有一个模式通带。为了实现单纵模输出，我们必须要保证这一个模式通带内有且只有一个模式被选出。在双环型无源谐振腔4中一段未泵浦的掺铒光纤13可以作为饱和吸收体，由于入射光与反射光这两束相遇光波产生混频干涉,会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可以在形成超窄线宽的动态布拉格光栅，这种动态布拉格光栅的线宽非常窄，由于在饱和吸收体中所形成的动态布拉格光栅的半高全宽值比激光器对应的主腔模式间隔还要小，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双环型谐振腔的全保偏结构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1550.096nm，对应的光信噪比约为83dB。
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 (8)

1.基于双环型谐振腔的全保偏结构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)、双环型无源谐振腔(4)、1×2光耦合器(5)、光隔离器(6)、第一光环形器(7)、光纤布拉格光栅(8)、第一2×2光耦合器(9)、第二2×2光耦合器(10)、第二光环形器(11)、第三光环形器(12)和未泵浦低掺杂光纤(13)组成；
所述基于双环型谐振腔的全保偏结构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)的公共端口与增益光纤(3)的一端进行光纤熔接，增益光纤(3)的另一端与光环形器(7)的1端口进行光纤熔接，光环形器(7)的2端口与光纤布拉格光栅(8)进行光纤熔接，光环形器(7)的3端口与1×2光耦合器(5)的1端口进行光纤熔接，1×2光耦合器(5)的2端口与双环型无源谐振腔(4)的输入端进行光纤熔接，双环型无源谐振腔(4)的输出端与与波分复用器(2)的1550nm端进行光纤熔接。1×2光耦合器(5)的3端口与光隔离器(6)的输入端进行光纤熔接，光隔离器(6)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所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构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所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构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保偏型波分复用器。
4.按照权利要求1所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构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保偏掺铒光纤。
5.按照权利要求1所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述未泵浦低掺杂光纤(13)为具有低掺杂浓度的保偏掺铒光纤。
6.按照权利要求1所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述光隔离器(6)、光纤布拉格光栅(8)、第一光环形器(7)、第二光环形器(11)和第三光环形器(12)均为保偏型光器件。
7.按照权利要求1所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述双环型无源谐振腔(4)由第一2×2光耦合器(9)、第二2×2光耦合器(10)、第二光环形器(11)、第三光环形器(12)和未泵浦低掺杂光纤(13)组成组成。第一2×2光耦合器(9)的4端口与第二光环形器(11)的1端口进行光纤熔接，第二光环形器(11)的2端口与未泵浦低掺杂光纤(13)的一端进行光纤熔接，未泵浦低掺杂光纤(13)的另一端与第三光环形器(12)的2端口进行光纤熔接，第三光环形器(12)的3端口与第一2×2光耦合器(9)的2端口进行光纤熔接。第一2×2光耦合器(9)的3端口与第二2×2光耦合器(10)的5端口进行光纤熔接，第二光环形器(11)的3端口与第二2×2光耦合器(10)的6端口进行光纤熔接，第二2×2光耦合器(10)的8端口与第三光环形器(12)的1端口进行光纤熔接。第一2×2光耦合器(9)的1端口和第二2×2光耦合器(10)的7端口作为双环型无源谐振腔(4)的输入端口和输出端口。
8.按照权利要求1所述的基于双环型谐振腔的全保偏结构超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述1×2光耦合器(5)是耦合比为50：50的保偏型单模光纤耦合器。所述第一2×2光耦合器(9)和第二2×2光耦合器(10)是耦合比为90：10的保偏型单模光纤耦合器。
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