CN112397979B - 基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器 - Google Patents

基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双耦合光纤环和马赫‑曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器。包括：第一光隔离器(1)、980nm半导体激光器(2)、980/1500nm波分复用器(3)、具有凹陷包层结构的掺铒光纤(4)、光环形器(5)、未泵浦掺铒光纤(6)、光纤布拉格光栅(7)、基于双耦合光纤环和马赫‑曾德尔滤波器的无源谐振腔(8)、偏振分束器(9)、1×2光耦合器(10)、第二光隔离器(11)组成。其中(8)由第一2×2光耦合器(12)、第二2×2光耦合器(13)、第三2×2光耦合器(14)构组成。本发明中设计的基于双耦合光纤环和马赫‑曾德尔滤波器的无源谐振腔，形成了两个双耦合光纤环和马赫‑曾德尔滤波器，可以作为一种窄带选模器件来抑制谐振腔内的多模振荡，并结合未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，其超窄带滤波效果可以使得环形腔实现稳定的单频激光输出。本发明中的激光器具有窄线宽、低噪声、高信噪比、结构简单易于与光纤系统集成的优点，在精密激光测距、光纤通信、光学遥感等多个领域拥有巨大潜力。

Description

基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光 纤激光器
技术领域
本发明涉及环形腔单频光纤激光器，具体为一种基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器。
背景技术
光纤激光器由于其高输出激光质量，高功率转换效率，抽运阈值低，调谐范围宽，结构紧凑便于集成，具有极好的相干特性且易于与光纤通信系统兼容等优势，被认为是光通信系统中的优质光源。而窄线宽光纤激光器也由于其窄线宽和低噪声的优点，被广泛应用于光纤传感，光纤遥感和高精度光谱等领域。
用于单频窄线宽光纤激光器的腔型结构有线形腔、行波环形腔以及复合腔。长线形腔由于驻波效应在增益介质中形成空间烧孔而导致多纵模振荡，造成光频谱线宽展宽。行波环形谐振腔通过控制环形谐振腔内激光的单向传输，使得腔内振荡激光工作在行波状态，有效消除空间烧孔效应，抑制多纵模振荡。同时，更长的谐振腔长有利于获得更窄的激光线宽输出。另外，在谐振腔内插入高精细度滤波器或饱和吸收体等光学器件，可以获得稳定的单纵模窄线宽激光输出。
发明内容
本发明的目的在于利用行波环形腔，通过设计三个耦合器的相关参数及连接方式，构成了两个双耦合光纤环滤波器和马赫-曾德尔滤波器相结合的新型高精细度滤波结构，并结合饱和吸收体的模式滤波效应，进一步优化环形腔激光器的性能，实现稳定的单纵模窄线宽激光输出。
本发明的目的通过以下技术方案实现：基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于所述光纤激光器由第一光隔离器、半导体激光器、波分复用器、具有凹陷包层结构的掺铒光纤、光环形器、未泵浦掺铒光纤、光纤布拉格光栅、基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔、偏振分束器、1×2光耦合器、第二光隔离器通过光纤熔接搭建。
其连接方式为：980nm半导体激光器作为环形腔单纵模窄线宽光纤激光器的泵浦源，其输出端与波分复用器的980nm端口进行熔接，波分复用器的输出端口与一段具有凹陷包层结构的掺铒光纤进行熔接，具有凹陷包层结构的掺铒光纤的另一端与光环形器的1端口进行熔接，光环形器的2端口与一段未泵浦的掺铒光纤进行熔接，未泵浦的掺铒光纤的另一端与光纤布拉格光栅进行熔接，光环形器的3端口与基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的输入端即端口4进行熔接，基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的输出端即端口11与偏振分束器的输入端进行熔接，偏振分束器的输出端与1×2光耦合器的输入端熔接，1×2光耦合器的一个输出端与第一光隔离器的输入端熔接，第一光隔离器的输出端与波分复用器的1500nm端口进行熔接，1×2光耦合器的另一个输出端与第二光隔离器的输入端熔接，第二光隔离器的输出端作为激光器的总输出端。
本发明所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的工作原理是：采用980nm的半导体激光器作为泵浦光源，通过980/1500nm的波分复用器对具有凹陷包层结构的掺铒光纤进行泵浦，产生受激辐射光；采用具有单向传输特性的环形器来构造环形腔，使得整个腔中的受激辐射光沿顺时针方向单向运转，消除驻波效应在增益介质中形成的空间烧孔而导致的多纵模振荡；采用的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔是通过三个光耦合器搭建的，通过巧妙的设计耦合器的连接方式，构成了两个双耦合光纤环滤波器和一个马赫-曾德尔滤波器，一方面有效的扩大了激光器的自由光谱范围，另一方面双耦合光纤环形成的一种窄带梳状滤波器，可以实现模式的选择；环形器的2端口与一段未泵浦的掺铒光纤相连，未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，其另一端接入光纤布拉格光栅作为反射镜，反射光与入射光在饱和吸收体中发生混频干涉，形成一种自写入的增益光栅和折射率光栅，进一步实现模式滤波，获得稳定的单频激光输出；采用偏振分束器来控制激光器环形腔的偏振态，进一步实现偏振滤波。
本发明提供的一种基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器与现有技术相比，其优点和积极效果在于：
本发明采用的光纤激光器设计了一种基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔结构，有效的扩大了环形腔的有效纵模间隔，解决了环形腔激光器多纵模振荡的问题。并且，采用一段未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，起到了稳频和压窄线宽的作用。因此，本发明所述的激光器利用了新型的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔结构，实现了稳定的窄线宽单频激光输出。与传统的利用光注入技术及窄带滤波器件实现单频光纤激光器的方法相比，本发明提供的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器制作简单，成本低廉且易于集成。另外，谐振腔的设计简单易于实现，无需复杂的熔接工艺。
检索文献以及专利，迄今未发现相同结构的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽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耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的结构原理图。
图2是基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的结构示意图。
图3(a)是双耦合光纤环的结构示意图；图3(b)是基于耦合器搭建的马赫-曾德尔滤波器结构示意图。
图4是本发明所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的单频输出原理图。
图5是本发明所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的输出光谱图。
图中：1第一光隔离器、2泵浦源、3波分复用器、4具有凹陷包层结构的掺铒光纤、5光环形器、6未泵浦掺铒光纤、7光纤布拉格光栅、8基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔、9偏振分束器、101×2光耦合器、11第二光隔离器。
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为本发明所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的结构原理图。其组成部分包括：1第一光隔离器、2泵浦源、3波分复用器、4具有凹陷包层结构的掺铒光纤、5光环形器、6未泵浦掺铒光纤、7光纤布拉格光栅、8基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔、9偏振分束器、101×2光耦合器、11第二光隔离器。
本发明所述的激光器的关键点之一为基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔，基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的结构示意图如图2所示。第一2×2耦合器和第二2×2耦合器构成一个双耦合光纤环，第二2×2耦合器和第三2×2耦合器构成一个双耦合光纤环，第一2×2光耦合器，第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器构成马赫-曾德尔滤波器。设该激光器主腔的纵模间隔为FSR1，基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔提供的两个双耦合光纤环和一个马赫-曾德尔滤波器的纵模间隔分别为FSR2，FSR3，FSR4。纵模间隔定义为：
Figure BDA0002780414400000031
其中c为真空中的光速，neff为光纤中的有效折射率，在环形谐振腔中L为腔长，在线形谐振腔中L为两倍腔长，在光纤环滤波器中L为滤波器环长，在马赫-曾德尔滤波器中L为上下臂长差。利用游标效应，激光器的等效自由光谱范围FSRe为主腔及各辅腔纵模间隔的最小公倍数，需要满足FSRe＝M·FSR1＝N·FSR2＝P·FSR3＝Q·FSR4,其中M，N，P，Q是没有公约数的正整数。因此，激光器的等效纵模间隔得到进一步扩大，可以有效抑制模式跳变。
另外，双耦合光纤环也是一种超窄带的模式滤波器，其结构示意图如图3(a)所示，根据耦合器的耦合方程，其双耦合器光纤环滤波器的传输函数为：
Figure BDA0002780414400000032
其中：
Figure BDA0002780414400000033
其中γ0和γ1分别为OC1和OC2的强度耦合损耗因子；k1和k2分别为OC1和OC2的强度耦合系数；γ2和γ3为双耦合器光纤环滤波器的上、下臂熔接损耗因子；α和β分别为光纤衰减系数和传输系数；L1和L2为DCFR滤波器的上、下臂长。
基于耦合器搭建的马赫-曾德尔滤波器也是一种梳状滤波结构，其结构示意图如图3(b)所示，其传输函数为：
Figure BDA0002780414400000034
其中γ0和γ1分别为OC1和OC3的强度耦合损耗因子；k1和k2分别为OC1和OC3的强度耦合系数；γ2和γ3为马赫-曾德尔滤波器的上、下臂熔接损耗因子；α和β分别为光纤衰减系数和传输系数；L1和L2为滤波器的上、下臂长。
本发明所述的激光器的关键点之二为激光器中采用了一段未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，从环形器2端口输出的光信号进入未泵浦的掺铒光纤中，经过光纤布拉格光栅反射后，入射光信号及反射光信号在未泵浦的掺铒光纤中发生混频干涉，形成一种自写入的增益光栅和折射率光栅。这种动态光栅的半高全宽可以表示为：
Figure BDA0002780414400000041
其中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。通过适当调整饱和吸收体的长度使得动态光栅的半高全宽值小于主腔纵模间隔时，在其通带内仅有一个主要模式被选择。
本发明所述的激光器的关键点之三为采用偏振分束器对非保偏器件构成的腔内的偏振态进行控制，实现偏振滤波。
为了验证本发明例是否能够有效地解决环形腔掺铒光纤激光器的多纵模振荡问题，实现稳定的窄线宽单频激光输出，故做相关测试用以验证。
所述泵浦源为980nm泵浦源，本实施案例采用的深圳市高光特光电科技有限公司生产的980nm泵浦源；所述波分复用器为980/1500nm泵浦源，本实施案例采用的是康冠公司的980/1500nm波分复用器；所述增益光纤为具有凹陷包层结构的掺铒光纤，本实施案例采用的Lightwave Electronics Corporation的具有凹陷包层结构的掺铒光纤；所述未泵浦掺铒光纤为低掺杂浓度的掺铒光纤，本实施案例采用的Nufern公司的掺铒光纤，其在1530nm处的吸收系数为6dB/m；所述1×2光耦合器、第一2×2光耦合器、第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器是分光比为50：50的标准单模光纤耦合器，本案例采用的是深圳市光林通讯科技有限公司的标准单模光纤耦合器；所述光纤布拉格光栅中心波长，峰值反射率和3-dB带宽分别为1499.756nm，94.98％和0.196nm，本案例采用的是深圳市光林通讯科技有限公司光纤布拉格光栅。
基于上述选模原理，本发明所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器的单频输出原理图如图4所示。设置主腔腔长约40m，对应的主腔纵模间隔约为5MHz。设置第一2×2光耦合器和第二2×2光耦合器构成的双耦合光纤环的上臂长为0.8m，下臂长为1m，其对应的纵模间隔为182MHz。设置第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器构成的双耦合光纤环的上臂长为0.9m，下臂长为1m，其对应的纵模间隔为105MHz。设置第一2×2光耦合器和第三2×2光耦合器构成的马赫-曾德尔滤波器的上臂长为2m，下臂长为3.1m，臂长差为1.1米，其对应的纵模间隔为111MHz。因此，扩大的等效纵模间隔为101GHz。另外，饱和吸收体形成的动态光栅是一种超窄带的模式滤波器，其带宽小于主腔纵模间隔，使得主腔中仅有一个模式被选择，最终实现稳定的单频输出。
图5是本发明所述的一种基于三环型无源谐振腔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1499.748nm，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 (5)

1.基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于包括以下部件：第一光隔离器、半导体激光器、波分复用器、具有凹陷包层结构的掺铒光纤、光环形器、未泵浦掺铒光纤、光纤布拉格光栅、基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔、偏振分束器、1×2光耦合器、第二光隔离器组成，各部件之间的连接关系为：
980nm半导体激光器作为环形腔单纵模窄线宽光纤激光器的泵浦源，其输出端与波分复用器的980nm端口进行熔接，波分复用器的输出端口与一段具有凹陷包层结构的掺铒光纤进行熔接，具有凹陷包层结构的掺铒光纤的另一端与光环形器的1端口进行熔接，光环形器的2端口与一段未泵浦的掺铒光纤熔接，未泵浦的掺铒光纤的另一端与光纤布拉格光栅进行熔接，光环形器的3端口与基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的输入端即端口4进行熔接，基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔的输出端即端口11与偏振分束器的输入端进行熔接，偏振分束器的输出端与1×2光耦合器的输入端进行熔接，1×2 光耦合器的一个输出端与第一光隔离器的输入端熔接，第一光隔离器的输出端与波分复用器的1500nm端口进行熔接，1×2光耦合器的另一个输出端与第二光隔离器的输入端熔接，第二光隔离器的输出端作为激光器的总输出端；
采用的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的无源谐振腔是通过三个50：50的光耦合器搭建的，第一2×2光耦合器和第二2×2光耦合器之间构成了一个双耦合光纤环，第一2×2光耦合器的输入4端口连接光环形器的3端口，同时第一2×2光耦合器的输入2端口连接第二2×2光耦合器的输出5端口；第一2×2光耦合器的输出1端口连接第二2×2光耦合器的输入8端口；第一2×2光耦合器的输出3端口连接第三2×2光耦合器的输入12端口；第二2×2光耦合器的输入6端口同时接入第三2×2光耦合器的输出9端口，第二2×2光耦合器的输出7端口同时接入第三2×2光耦合器的输入10端口，第三2×2光耦合器的输出11端口同时连接偏振分束器；使得第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器之间构成了一个双耦合光纤环，第一2×2光耦合器、第二2×2光耦合器和第三2×2光耦合器构成了马赫-曾德尔滤波器；一方面有效的扩大了激光器的自由光谱范围，另一方面双耦合光纤环形成的一种窄带梳状滤波器，实现模式的选择。
2.按照权利要求1所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于：采用980nm的半导体激光器作为泵浦光源，通过980/1500nm的波分复用器对具有凹陷包层结构的掺铒光纤进行泵浦，产生受激辐射光。
3.按照权利要求1所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于：采用具有单向传输特性的环形器来构造环形腔，使得整个腔中的受激辐射光沿顺时针单向运转。
4.按照权利要求1所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于：环形器的2端口与一段未泵浦的掺铒光纤相连，未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体，其另一端接入光纤布拉格光栅作为反射镜，反射光与入射光在饱和吸收体中发生混频干涉，形成一种自写入的增益光栅或折射率光栅，进一步实现模式滤波，获得稳定的单频激光输出。
5.按照权利要求 1 所述的基于双耦合光纤环和马赫-曾德尔滤波器的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于：采用偏振分束器来控制激光器环形腔的偏振态，进一步实现偏振滤波。
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