CN113488836A

CN113488836A - 一种窄线宽光源

Info

Publication number: CN113488836A
Application number: CN202110697542.9A
Authority: CN
Inventors: 柯旭; 尹琦; 成金涛; 莫文静; 邓乐武
Original assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2041-06-23
Also published as: CN113488836B

Abstract

本申请涉及光学技术领域，公开了一种窄线宽光源，本申请通过使用弱耦合的互注入技术的光源结构实现了光源线宽的降低，通过使用两个线宽特性较差的光源实现一个具有较好线宽特性的窄线宽光源，与强耦合互注入结构不同的是两个激光器之间的耦合强度很弱，可显著提升光源的线宽，且具有量级的改变，经过分立器件的实验验证，本申请可实现长时间稳定工作。

Description

一种窄线宽光源

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种窄线宽光源。

背景技术

半导体激光器被应用于众多技术领域，如光纤通信、成像、固态激光器泵浦光源等，具有高可靠性、高转化效率以及便于集成等优点。在光纤通信中，单模激光器的线宽特性对系统有着重要影响，在过去的几十年中，产业及学术界为提高半导体激光器的噪声特性投入了大量的人力物力。

当前降低半导体激光器线宽的主要方法有三种：第一种是在保证激光单模特性的前提下提高激光器的输出功率，使用该技术可以使线宽降低到300 kHz以下，然而空间烧孔效应以及热效应引入的非线性限制了激光器在高功率输出环境下的单模特性；第二种是采用外腔结构，采用高Q值的外腔以增加光子寿命，但是这种方法需要对外腔进行精确控制以避免多模的产生；第三种则是采用单向注入锁定技术，其原理是从激光器的线宽与主激光器相同，用窄线宽的主激光器注入锁定从激光器以降低其线宽，这种方法的前提是需要有一个窄线宽的主激光器，因此限制了其应用。

最近研究发现互注入锁定技术是提高激光器的线宽特性的新选择。当前激光器互注入锁定的研究主要集中于复杂的非线性，如混沌、同步等。在减小线宽方面的研究较少，且主要是强耦合的互注入锁定，即两个激光器之间的耦合强度较高，需要考虑激光器自反馈的影响。这种强耦合的注入锁定技术，虽然使得激光器的线宽有了一定的提升，但是提升能力有限，其线宽降低程度都没有超过一个量级。强耦合条件下的物理本质为在于，强耦合使得两个互注入的激光器更像是一个整体，可看作一个激光器进行研究，其线宽的降低是由于等效地增加腔长、输出功率、光子寿命导致的。

例如在现有技术中，公开号为CN104143757A，公开日为2014年11月12日，发明名称为“基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐窄线宽光源”的发明专利，其技术方案为：本发明公开了一种基于分布布拉格反射激光器的波长可调谐窄线宽光源。该光源中，将单片集成的分布布拉格反射半导体激光器(Distributed ragg eflector emiconductor aser)激射的光作为种子光，通过外部的两个并列的、不同长度的光纤环，对DBR激光器进行自注入反馈实现线宽的压缩。最后充分利用DBR激光器的波长可调谐特性实现一种输出波长可调谐的窄线宽光源。

上述现有技术本质上就是采用的背景技术中的第二种方式，即采用外腔结构，利用高Q值的外腔以增加光子寿命，因此上述方法存在需要对外腔进行精确控制以避免多模的产生的缺点。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题和缺陷，本申请提出了一种窄线宽光源，通过使用弱耦合的互注入技术的光源结构以实现光源线宽的降低。

为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：

本申请的窄线宽光源结构采用光纤光栅、衰减器、延时器等元器件进行耦合，利用其衰减、色散、延时、相位特性对两个激光器之间的耦合特性进行调节。所述窄线宽光源具体包括第一激光器、第二激光器、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器以及两个激光器之间的耦合结构，所述耦合结构包括压电陶瓷、可调光衰减器、光相位调制器、光延时器以及偏振控制器，压电陶瓷上紧密缠绕有光纤，在实际应用过程中，耦合结构包含压电陶瓷、可调光衰减器、光相位调制器、光延时器以及偏振控制器其中的一种或几种；其中，第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为一端输入、两端输出的1×2耦合器，所述第一激光器的输出端与第一单模光纤的输入端连接，第一单模光纤的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的一个输出端为光输出端口，另一个输出端与压电陶瓷连接，压电陶瓷的另一端与可调光衰减器的一端连接，可调光衰减器的另一端与光相位调制器的一端连接，光相位调制器的另一端与光延时器的一端连接，光延时器的另一端与偏振控制器的一端连接，偏振控制器的另一端与第二光纤耦合器的一个输出端连接，第二光纤耦合器的另一个输出端为光输出，第二光纤耦合器的输入端与第二单模光纤的输出端连接，第二单模光纤的输入端与第二激光器的输出端连接；

所述第一激光器和第二激光器用于为该窄线宽光源提供种子光源；

所述第一单模光纤和第二单模光纤用于产生一定的耦合延时，使得光在其中真实的传播一段时间；

所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器用于将两个激光器的光进行耦合输出；

所述压电陶瓷用于改变两个激光器之间的耦合相位；

所述可调光衰减器用于改变两个激光器之间的光耦合强度；

所述光相位调制器的功能于压电陶瓷类似，用于改变两个激光器之间的耦合相位，当系统中无压电陶瓷时，光相位调制器可以代替压电陶瓷。

所述光延时器用于产生一定的耦合延时，使得光在其中真实的传播一段时间

所述偏振控制器用于控制两个激光器注入到对方时，光偏振方向一致。

在本申请中，压电陶瓷上紧密缠绕有光纤光栅，当压电陶瓷缠绕的光纤变为光纤光栅时，压电陶瓷不仅可以改变两个激光器的耦合相位，同时还可以改变互注入的强度噪声、相位噪声以及耦合强度。

在本申请中，第一激光器和第二激光器两者性能保持一致，两者的阈值电流、相同电流下的输出功率、温漂特性以及波长特性等相一致，最好采用相同制作工艺下的同一批器件。两个激光器光源可以是半导体激光器也可以是其他形式的激光器，并且所述第一激光器以及第二激光器的光输出端不能有光隔离器，否则无法实现互注入锁定。

本申请的有益效果：

（1）本申请通过使用弱耦合的互注入技术的光源结构实现了光源线宽的降低，通过使用两个线宽特性较差的光源实现一个具有较好线宽特性的窄线宽光源，与强耦合互注入结构不同的是两个激光器之间的耦合强度很弱，本申请可显著提升光源的线宽，且具有量级的改变，经过分立器件的实验验证，本申请可实现长时间稳定工作。

（2）本申请可以实现双端输出，通过改变耦合相位、耦合延时以及耦合强度，可实现对波长的调节。

附图说明

本申请的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本申请整体结构示意图；

图2为本申请实施例1结构示意图；

图3为本申请实施例2结构示意图；

图4为本申请实施例3结构示意图；

图5为本申请实施例4结构示意图。

图中：

1、第一激光器；2、第二激光器；3、第一单模光纤；4、第二单模光纤；5、第一光纤耦合器；6、第二光纤耦合器；7、耦合结构；71、压电陶瓷；72、可调光衰减器；73、光相位调制器；74、光延时器；75、偏振控制器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

在本申请中，所述窄线宽光源主要包括两个激光器、两个单模光纤以及两个光纤耦合器和一个耦合结构7。具体的，两个激光器分别为第一激光器1和第二激光器2，两个单模光纤分别为第一单模光纤3和第二单模光纤4，两个光纤耦合器分别为第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器6，进一步地，耦合结构7具体包括压电陶瓷71、可调光衰减器72、光相位调制器73、光延时器74和偏振控制器75，在实际应用过程中，耦合结构7中的元器件可以只有其中一种或几种，无需全部使用。

实施例1

参照说明书附图2，本实施例公开了一种窄线宽光源，包括第一激光器1、第二激光器2、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6以及两个激光器之间的耦合结构7，所述耦合结构7包括压电陶瓷71和偏振控制器75；其中，两个激光器选用商用蝶形封装的半导体激光器，其输出端无光隔离器，两个光纤耦合器的分光比为50:50，压电陶瓷71上紧密缠绕着一段光纤光栅，所有的光纤均采用标准单模光纤。

该结构的光源开启与调试步骤如下：

1）先开启第一激光器1，通过测量第一光纤耦合器5的光输出端口，记录其自由激射时的输出功率与工作波长；

2）关闭第一激光器1，开启第二激光器2，通过测量第二光纤耦合器6的光输出端口，调整其注入电流与工作温度，使得其自由激射时的输出功率与工作波长与第一激光器1接近，并且波长处于第一激光器1的长波长方向，波长差控制在0.1 nm以内。这里需要说明的是，若同时打开两个激光器，则由于耦合结构没有进行调整，很可能耦合强度过大导致系统出现混沌等现象而无法观察到第二激光器2的准确工作波长；

3）按照步骤1）和步骤2）的条件，同时开启第一激光器1和第二激光器2，调节偏振控制器75，观察第一光纤耦合器5的光输出端口的功率，当其达到最小值时代表两个激光器的偏振方向一致。

4）调节压电陶瓷71的工作电压，寻找两个激光器稳定锁定的工作点。

实施例2

参照说明书附图3，本实施例公开了一种窄线宽光源，包括第一激光器1、第二激光器2、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6以及两个激光器之间的耦合结构7，所述耦合结构7包括可调光衰减器72和偏振控制器75；其中，两个激光器选用商用蝶形封装的半导体激光器，其输出端无光隔离器，两个光纤耦合器的分光比为50:50，所有的光纤均采用标准单模光纤，并且两个激光器之间光通路的光纤长10米左右。

该结构的光源开启与调试步骤如下：

1）先开启第一激光器1，通过第一光纤耦合器5的光输出端口，记录其自由激射时的输出功率与工作波长；

3）按照步骤1）和步骤2）的条件，同时开启两个激光器，调节偏振控制器75，观察第一光纤耦合器5的光输出端口的功率，当其达到最小值时代表两个激光器的偏振方向一致；

4）调节可调光衰减器72的损耗值，直至两个激光器稳定工作；

5）若步骤4）不能实现两个激光器稳定工作，则调节第一激光器1或第二激光器2的工作电流，再进行步骤4），直至实现两个激光器稳定工作。

实施例3

参照说明书附图4，本实施例公开了一种窄线宽光源，包括第一激光器1、第二激光器2、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6以及两个激光器之间的耦合结构7，所述耦合结构7包括可调光衰减器72；其中，两个激光器选用商用蝶形封装的半导体激光器，其输出端无光隔离器，两个光纤耦合器的分光比为50:50，所有的光纤均采用单模保偏光纤，两个激光器之间光通路的光纤长10米左右。

该结构的光源开启与调试步骤如下：

1）先开启第一激光器，通过测量第一光纤耦合器5的光输出端口，记录其自由激射时的输出功率与工作波长。

2）关闭第一激光器1，开启第二激光器2，通过测量第二光纤耦合器6的光输出端口，调整其注入电流与工作温度，使得其自由激射时的输出功率与工作波长与第一激光器1接近，并且波长处于第一激光器1的长波长方向，波长差控制在0.1 nm以内。这里需要说明的是，若同时打开两个激光器，则由于耦合结构没有进行调整，很可能耦合强度过大导致系统出现混沌等现象而无法观察到第二激光器的准确工作波长；

3）调节可调衰减器72的损耗值，直至两个激光器稳定工作。

4）若步骤3）不能实现两个激光器稳定工作，则调节第一激光器1或第二激光器2的工作电流，再进行步骤3），直至实现两个激光器稳定工作。

实施例4

参照说明书附图5，本实施例公开了一种窄线宽光源，包括第一激光器1、第二激光器2、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6以及两个激光器之间的耦合结构7，所述耦合结构7包括可调光衰减器72和光延时器74；其中，两个激光器选用商用蝶形封装的半导体激光器，其输出端无光隔离器，两个光纤耦合器的分光比为50:50，系统中所有光纤均采用单模保偏光纤。

该结构的光源开启与调试步骤如下：

1）先开启第一激光器1，通过测量第一光纤耦合器5的光输出端口，记录其自由激射时的输出功率与工作波长。

3）根据专利《一种互注入锁定光源线宽的设计与评估方法》与设计的目标线宽对耦合延时做初步估计，设定光延时器

4）调节可调光衰减器72的损耗值，直至两个激光器稳定工作。

5）若步骤4）不能实现两个激光器稳定工作，则调节两个激光器的工作电流，再进行步骤4），直至实现两个激光器稳定工作。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种窄线宽光源，其特征在于：包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、第一单模光纤（3）、第二单模光纤（4）、第一光纤耦合器（5）、第二光纤耦合器（6）以及耦合结构（7），所述耦合结构（7）包括压电陶瓷（71）、可调光衰减器（72）、光相位调制器（73）、光延时器（74）以及偏振控制器（75），压电陶瓷（71）上紧密缠绕有光纤；其中，第一光纤耦合器（5）和第二光纤耦合器（6）为一端输入、两端输出的1×2耦合器，所述第一激光器（1）的输出端与第一单模光纤（3）的输入端连接，第一单模光纤（3）的输出端与第一光纤耦合器（5）的输入端连接，第一光纤耦合器（5）的一个输出端为光输出端口，另一个输出端与压电陶瓷（71）连接，压电陶瓷（71）的另一端与可调光衰减器（72）的一端连接，可调光衰减器（72）的另一端与光相位调制器（73）的一端连接，光相位调制器（73）的另一端与光延时器（74）的一端连接，光延时器（74）的另一端与偏振控制器（75）的一端连接，偏振控制器（75）的另一端与第二光纤耦合器（6）的一个输出端连接，第二光纤耦合器（6）的另一个输出端为光输出，第二光纤耦合器（6）的输入端与第二单模光纤（4）的输出端连接，第二单模光纤（4）的输入端与第二激光器（2）的输出端连接；

所述第一激光器（1）和第二激光器（2）用于为该窄线宽光源提供种子光源；

所述第一单模光纤（3）和第二单模光纤（4）用于产生一定的耦合延时，使得光在其中真实的传播一段时间；

所述第一光纤耦合器（5）和第二光纤耦合器（6）用于将两个激光器的光进行耦合输出；

所述压电陶瓷（71）用于改变两个激光器之间的耦合相位；

所述可调光衰减器（72）用于改变两个激光器之间的光耦合强度；

所述光相位调制器（73）用于改变两个激光器之间的耦合相位；

所述光延时器（74）用于产生一定的耦合延时，使得光在其中真实的传播一段时间

所述偏振控制器（75）用于控制两个激光器注入到对方时，光偏振方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种窄线宽光源，其特征在于：所述压电陶瓷（71）上紧密缠绕有光纤光栅，压电陶瓷（71）用于改变两个激光器互注入的强度噪声、相位噪声、耦合相位以及耦合强度。

3.根据权利要求1所述的一种窄线宽光源，其特征在于：第一激光器（1）和第二激光器（2）的性能相同。

4.根据权利要求1所述的一种窄线宽光源，其特征在于：所述第一激光器（1）以及第二激光器（2）的光输出端无光隔离器。