CN1145828C - 单模光纤环状激光器及从中产生单模激光输出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单模光纤环状激光器(100)及从中产生单模激光输出的方法。在本发明中，将光纤法布里-珀罗谐振器(130)和光纤光栅耦合器组合，以产生单模激光输出(120)。

Description

单模光纤环状激光器及从中产生单模激光输出的方法

                         相关专利申请

本申请要求1999年8月12日提交的美国临时申请号60/149,239的优先权。

                             背景

本申请涉及光纤装置和激光器，具体而言，涉及单模光纤环状激光器。

可以通过使用光纤闭合回路形成环状光谐振器，而构造光纤环状激光器。光纤环包括至少一部分掺杂光纤作为激光增益媒介，它可以在响应被选泵激波长处光泵激射束的光谱范围中或特定的泵激光谱范围中产生光学增益。光纤环提供光反馈，使得增益光谱范围中一个或多个波长处的光子循环。

当符合两个运行条件时，在增益光谱范围中的激光波长处发生光纤环中的激光振荡。第一个条件是激光波长处总的光增益超过光纤环中总的光损耗，第二个条件是与光纤环中全程关联的光相位延迟是360°或360°的倍数。掺杂光纤，如掺饵光纤的增益光谱范围通常具有较大的带宽，因此允许不同频率处的多模同时振荡。通过选择一个特定的模式，使之振荡并抑制其它模式，可以获得单模振荡。

各种应用都要求单模激光振荡。例如，波分复用(WDM)已用于通过在不同WDM波长上同时发送不同光波，而扩展光纤通信链路的能力。一种常用的WDM波长标准是国际电信联盟(IT)标准，其中要求不同光波的WDM波长都符合ITU网络频率。因此，每个激光发射机都需要在指定的WDM波长上单模地工作。单模激光振荡的其它应用包括精密光谱测量和非线性光学工程，等等。

作为新型的紧凑、便宜、坚固的激光源形成光纤环激光器，以产生单模振荡，用于WDM系统和期望单模激光振荡的其它应用。

                           发明内容

本申请包括使用光纤和光纤光栅装置构成单模光纤环激光器的技术和装置。

                           附图说明

图1显示了根据一个实施例的单模光纤环激光器。

图2显示了用于图1所示激光器中的光纤光栅耦合器的工作。

图3显示了耦合到图1所示激光器的频率扩展伺服器。

图4A和4B显示了光纤激光器的两个实例，其中光纤激光器带有两个或多个通过共用公共泵激射束而耦合到公共光纤的光纤环激光器。

图5显示了单模光纤环激光器的另一实施例。

各个附图中类似的标号都指示类似的元件。

                         具体实施方式

这里揭示的技术和装置根据光纤光栅定义了不同类型的波长选择光纤装置，以获得光纤环谐振器中的单模工作。

第一种类型是作为滤光器的光纤光栅耦合器，使得在光纤环谐振器中只光学放大光纤光栅耦合器反射带宽中波长处的光能，而抑制任何其它波长处的放大的自发射增益。第二种类型是带有两个作为谐振器反射器的布拉格光栅的光纤法布里-帕罗谐振器，它只选择与法布里-帕罗谐振器之透射峰值发生谐振的单环激光模式。

图1显示了根据本发明一个实施例的光纤环激光器100。光纤环谐振器包括两个光纤110和120，它们通过两个不同位置处的两个光纤光栅耦合器102和104耦合在一起。光纤110的至少一部分是掺杂的作为激光增益媒介112，当在选择泵激波长处或泵激光谱范围中被光泵激时，它在其增益光谱范围中的每个波长处产生光增益。光纤环谐振器中的其它光纤片段，如光纤120，也可以是掺杂的，以增加总的增益。在光纤110或120位置处使用光隔离器114，使光纤环中的光子在单个方向上循环。在光纤110或120中构造两个相同并离开很近的光纤光栅131和132，以形成光纤法布里-帕罗谐振器130，并每次选择一个环谐振腔模式用于振荡。

光纤增益媒介112是掺杂的，它在增益光谱范围中具有期望的光跃迁用于激光振荡。例如，稀土离子中的原子跃迁可用于产生从可见波长到远红外波长的激光。用于产生1.55微米处光信号的掺饵光纤放大器(EDFA)在光纤通信应用中尤其有用，因为常用石英光纤的光损耗在大约1.55微米处为最小值。如图1中所示，耦合器102和104之间光纤110的部分或整段可以是掺杂的。或者，在耦合器102和104之间光纤120，或两个光纤110和120的部分或全部可以是掺杂的。

耦合到光纤110中的泵激射束106可以光学泵激光纤环激光器100。合适的泵激波长最好是掺杂区域增益光谱范围之外的波长，并且通常短于激光波长。例如Er+3离子可掺杂入石英/氟化物光纤中，当在980nm或1480nm处被光学泵激时，在1.55微米处产生激光振荡。产生泵激射束106的泵激光源可以包括LED或激光二极管，在与掺杂光纤增益媒介112中至少一个光跃迁发生谐振的一个或多个泵激波长处产生泵激光，用于在激光波长处产生光子。光纤110可以直接耦合到光源或通过光耦合器间接接收泵激射束106。

参考图2，每个光纤光栅耦合器102和104是4-端口耦合器，在耦合区域200处它将两个光纤110和120连接在一起。在耦合区域200中形成光纤光栅202。设计光纤110和120、耦合区域200、和光纤光栅202，使得4-端口耦合器作为专用波长选择耦合器工作。具体地说，当一个光纤(如光纤110中的光纤终端210)接收到光纤光栅202反射带宽中的被选波长时，该被选波长将被反射回光纤耦合器同侧的另一光纤(如光纤120中的光纤终端220)。该反射射束不会返回初始的输入光纤。然而，当光栅反射带宽之外波长处的射束被发送到耦合器的光纤(如光纤110中的终端210)中时，射束不会与光纤光栅202互相作用，也不会耦合到另一光纤。而是，该射束在同一光纤中穿过耦合区域200继续传播，并在同一光纤的另一端(如光纤110中的终端230)出射。

可以用两种不同的结构设计以上的光纤光栅耦合器。在全反射结构中，设计光纤光栅202，使得被选波长处的射束实质上全反射入另一光纤中。或者，在部分反射结构中，设计光纤光栅202，使得它将射束(如光纤110终端210中的241)中被选波长处的一部分(如242)反射回耦合区域200同侧的另一光纤(如光纤120的终端220)，而将射束的剩余部分(如243)透射到同一光纤中耦合区域的另一侧(如光纤110中的终端230)。例如在图1的系统100中，可以将耦合器102设计成几乎全反射，耦合器104可以是部分反射，从光纤120产生激光输出。

光纤光栅耦合器102和104的典型实施包括Kewitsch等人发明的美国专利号5,805,751和5,875,272中揭示的光栅辅助模式耦合器。两个光纤110和120在耦合区域200中是局部不同的，所以它们支持不同的波导模式。结果，在布拉格条件下反射带宽中被选波长处的输入射束在从光纤110的端口210进入耦合区域200之后，以相同被选波长处光纤120支持的不同波导模式，被光纤光栅202反射到另一光纤120中的端口220。该光栅辅助模式耦合可以实质地减小或消除光损耗。因此，以上的光纤光栅耦合器102和104可以提供比通常用于一些加/减滤光器中的传统循环器更有效地光耦合和滤光。

在图1所示的光纤环激光器100中，可以将光纤光栅耦合器102和104设计成具有公共反射带宽，该带宽覆盖掺杂光纤增益媒介112中的期望激光波长。在操作中，耦合入光纤110的泵激射束106留在光纤110中，而不耦合到光纤120。这是因为泵激波长与一个或多个激光波长不同，它位于反射带宽之外。光纤110中的掺杂部分112吸收一部分泵激射束106，并在增益光谱范围中的一个或多个激光波长处，和其它被长处产生自发射。未被吸收的泵激射束106从相同光纤110的光纤环中出射，并可用于泵激耦合到光纤110的一个或多个其它光纤环激光器，以共用相同的泵激射束并在不同的激光波长处发射激光。

光纤光栅耦合器102和104过滤掺杂增益媒介112产生的不同波长处的自发射，所以只有反射带宽中波长处的光子被反射回光纤环，并在掺杂部分112中进一步倍增。因此，在光隔离器114面前，反射带宽中波长处的光子在耦合器104处被从光纤120反射到光纤110，在耦合器102处被从光纤110反射到光纤120，使得光子以逆时针方向在光纤环中循环。然而，反射带宽之外其它波长处的光子通过透射过光纤光栅耦合器102和104从光纤环出射。因此，非期望的自发射被有效地抑制。此外，耦合器102和104还将同时发射激光的光纤环模式数限制在耦合器102和104之反射带宽与两个邻近模式之频率间隔的比值之内。该耦合器102和104执行的波长选择滤光可用于获得相当高的信噪比和激光振荡的工作稳定性。

掺杂增益媒介112的增益光谱范围一般较宽，因此允许多个谐振器模式在耦合器102和104的反射带宽中的光纤环中同时共存。光纤法布里-帕罗谐振器130的一个功能是每次从所有可能的环谐振腔模式中选择一个模式，用于单模振荡。光纤法布里-帕罗谐振器的光纤布拉格光栅131和132可以具有相同的光栅周期，并彼此隔开一个间隙。每个光纤光栅作为反射器，选择性地反射满足布拉格相位符合条件的布拉格波长处的光，并透射其它光谱分量。该布拉格波长等于光纤有效折射率和光栅周期之积的两倍。

由于光栅131和132都具有相同的光栅周期，所有它们在相同的波长处反射。光栅131和132的反射不限于单个波长，而是具有一个反射带宽，其中每个光栅反射带宽中任何波长处的光。每个光栅的反射带宽是光栅强度的函数，光栅强度依赖于光纤折射率的周期调制深度和每个光栅的周期数。因此，两个分离的光栅131和132只为反射带宽中布拉格波长处的光形成法布里-帕罗谐振腔。

这种法布里-帕罗谐振腔130中布拉格波长处的光将被光栅131和132反射，而前后振动以引起光干涉。当全程相位延迟为360°或360°的任何倍数时，相长干涉使得在谐振处产生透射峰值。当相位延迟偏离谐振时法布里-珀罗谐振腔130的光透射将衰减，当相位延迟偏离谐振正好180°时光透射将变成0。随着相位延迟的连续变化光透射开始增加，并符合另一谐振条件时达到峰值。相对于全程的相位延迟这种行为是周期性的。用光纤有效折射率和间隙133之积实质确定该全程相位延迟，并且当该积等于波长的一半时出现谐振峰值。当用频率表示时，全程相位延迟表示两个邻近谐振峰值之间的频率差，并被称为法布里-珀罗谐振腔的自由光谱区(FSR)。

如果光纤光栅131和132的反射带宽小于FSR，那么光纤法布里-珀罗谐振腔130中只可能有一个反射带宽中的透射峰值。当光纤环谐振器的特定模式与光纤法布里-珀罗谐振腔130的单个透射峰值重叠时，就选中该模式。光纤光栅131和132可以使光纤法布里-珀罗谐振器的单个透射峰值实质位于光纤光栅耦合器102和104的反射带宽中心。例如这可以通过延伸其中形成光栅131和132的光纤部分而调节光栅周期而获得。在装配了光纤环激光器100之后，可以通过使用反馈伺服系统延伸或改变光纤的温度，而动态地保持环谐振腔模式之一和光纤法布里-珀罗谐振器之透射峰值之间的重叠。

在单模工作中，由于各种内部过程(如散粒噪声和其它波动)或环境因素(如温度或振动的变化)，光纤环激光器的输出频率可以可以漂移或波动。用温度补偿包装技术，包括使用具有适当温度膨胀系数的材料，并通过稳定激光器部件的温度，可以将温度的变化保持在最小值。此外，激光器工作频率可以自然地锁住光纤法布里-珀罗谐振。在法布里-珀罗谐振比环谐振腔自由光谱范围Δv＝c/nL(其中c是光速，L是环谐振腔长度)窄时，该机构可以大大地增强激光器的工作稳定性。这是由于法布里-珀罗谐振的尖锐色散曲线造成的。激光器频率f的增强稳定性如下：

$\frac{\∂f}{f}=-\frac{\∂\left(\mathrm{nL}\right)}{\mathrm{nL}}\frac{1}{1-{\mathrm{\Φ}}^{\′}\mathrm{\Δv}/2\mathrm{\π}}$

其中Φ′是法布里-珀罗色散的斜率。例如：Δv＝0.5GHz，Φ′＝-2πRad/0.25GHz，激光器相对于其光程(nL)变化的工作稳定性(由于机构受力或温度)为比不带光纤法布里-珀罗的环激光器的高3倍。

除了以上自锁机构，还可以实现频率控制伺服系统，以相对于频率参考值稳定激光器频率。频率参考值可以是内部法布里-珀罗谐振或外部锁。

在内部锁的情况下，因为激光器环模式偏离谐振的峰值透射，所以激光器的功率将减小。因此，逻辑伺服电路可以恢复环模式，以符合法布里-珀罗谐振。

图3显示了带有外部频率参考值的光纤环激光器300。伺服系统包括误差信号产生器310、频率控制电路320和耦合到光纤110或光纤120的光纤延伸单元330。误差信号产生器310从光纤环的任一部分(如从光纤耦合器102的漏出部分)接收一部分激光束，并将激光频率和频率参考值比较。激光频率和频率参考值之间的频率差可用于产生误差信号。控制电路320根据误差信号产生纠正信号并传送给光纤延伸单元330。光纤延伸单元330依次调节光纤环的总长度，以降低或最小化激光频率和频率参考值之差。

误差信号产生器310的一个实施例包括在光纤中形成的另一光纤光栅法布里-珀罗谐振器，它具有沿两条垂直于光纤的正交轴的不同折射率。对于两个沿轴的正交偏振可以产生两个间隔很近的谐振峰值。两个峰值中间的频率可用作频率参考值。在另一实施例中，误差信号产生器310包括两个带有稍微不同光栅周期的光纤光栅法布里-珀罗谐振器，以产生两个间隔很近的谐振峰值。2000年8月11日提交的基于1999年8月13日美国临时申请号60/149,002之优先权的美国专利申请“In Fiber Frequency Locker”中详细描述了这些技术，其内容通过引用结合于此。

图4A显示了带有两个或多个光纤环激光器的光纤激光器400，光纤环激光器以串联的结构耦合到公共光纤110上。所示的光纤环激光器410和420分别产生在不同波长处的两个不同激光输出411和421。第一光纤环激光器410中的光纤光栅装置102A、104A和130A，与第二光纤环激光器420中的光纤光栅装置102B、104B和130B相比，具有不同的反射波长。公共光纤110可用于将公共泵激射束106传送到两个光纤环激光器410和420。分别位于两个激光器410和420中的光纤110的两个片段是掺杂的，以形成增益区域112A和112B。来自第一光纤环激光器410的泵激射束106的透射部分可用于泵激第二光纤环激光器420。只要光纤环激光器出射的透射泵激充分强，就可以将附加的光纤环激光器加到公共光纤110上。

图4B显示了在第一光纤环激光器410中产生激光输出的光纤120A可以连接到在第二光纤环激光器420中产生激光输出的光纤120B。因为两个激光波长是不同的，所以第一激光器410的激光输出可以通过光纤120B传播，而不与耦合器102B和104B耦合，并与第二光纤环激光器420的激光输出混合，以产生波分复用输出430。

图5显示了只有一个光纤光栅耦合器的光纤环激光器500。单个光纤510用于形成光纤环，它使用光栅耦合器104将光纤510的两个不同片段耦合在一起。光纤环中光纤510的至少一部分112是掺杂的，以形成增益区域。

已经描述了多个实施例。然而，可以进行各种变化和改进。例如，图1中的两个光纤光栅耦合器102和104可以具有两个稍微偏移的反射带宽，以限制残留在两个带宽之间部分重叠光谱范围中光纤环内的光子的波长。与激光器100相比，这样还可以进一步降低非期望放大的自发射，在激光器100中两个耦合器102和104的反射带宽实质上完全重叠。作为另一个实例，以上的结构和技术还可用于以波导形成的环状激光器。

以下的权利要求书试图包括这些和其它变化和改变。

Claims (19)

1.一种单模光纤环状激光器，其特征在于，它包括：

光纤环，具有至少一部分是掺杂的，形成激光增益媒介，以吸收具有某一泵激波长的泵激射束，并产生具有不同于所述泵激波长的激光波长的激光束；

光纤法布里-珀罗谐振器，包括在所述光纤环中形成的、并反射具有所述激光波长的光线的两个隔开的光纤光栅，所述光纤法布里-珀罗谐振器可用于选择并允许被选光纤环谐振腔模式的透射；

光纤光栅耦合器，它将两个不同的光纤片段耦合在一起，并具有在所述光纤片段中形成的光纤光栅，其中所述光纤光栅耦合器中的光纤光栅将具有所述激光波长的直射光从所述光纤环中的一个光纤片段至少部分反射到另一片段，而透射所述泵激波长处的光，将所述泵激射束发送出所述光纤环；和

在所述光纤环中的光隔离器。

2.如权利要求1所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤法布里-珀罗谐振器的自由光谱范围大于所述光纤光栅的反射带宽。

3.如权利要求1所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述激光增益媒介包括稀土元素。

4.如权利要求1所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，耦合到所述光纤耦合器的所述两个不同的光纤片段相互是不同的。

5.如权利要求1所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤环中通过所述光纤光栅耦合器耦合在一起的所述两个光纤片段位于所述光纤光栅耦合器的同一侧。

6.一种单模光纤环状激光器，其特征在于，它包括：

第一光纤，在两个被选位置之间具有至少一部分是掺杂的，它响应所述增益光谱范围之外的泵激波长处的光泵激射束，在增益光谱范围中产生光增益；

第二光纤，具有在所述两个被选位置处耦合到所述第一光纤的两个部分，它们分别形成第一和第二耦合区域，从而所述第一和所述第二光纤形成光纤环；

在所述光纤环中的光隔离器；

第一和第二光纤光栅耦合器，它们分别在所述第一和所述第二耦合区域中形成，它们每个都具有光纤光栅，光纤光栅将所述增益光谱范围中波长处的光从所述光纤环中所述第一和所述第二光纤之一反射到另一个，而将所述泵激波长处的光透射出光纤环；和

光纤法布里-珀罗谐振器，它包括两个隔开的光纤光栅，光纤光栅在所述光纤环中一位置处形成，并反射所述增益光谱范围中波长处的光，所述光纤法布里-珀罗谐振器可用于选择并允许至少一个光纤环谐振腔模式的透射。

7.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述第一和所述第二光纤光栅耦合器具有公共的反射带宽。

8.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述第一和第二光纤光栅耦合器具有不同但重叠的反射带宽。

9.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤法布里-珀罗谐振器的自由光谱范围大于其光纤光栅的反射带宽。

10.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，还包括：

误差信号产生器，被连接用于从所述光纤环接收所述光谱增益媒介中波长处的光，以确定与被选参考值的偏离；

光纤元件，连接到所述光纤环中的被选位置，如果所述光纤环响应控制信号，它用于改变光程；和

控制电路，被连接用于接收指示所述偏离的信息，并产生所述控制信号。

11.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，还包括：

另一掺杂部分，在所述第一光纤中，在所述两个位置之间的部分之外，用于响应所述泵激波长处的所述光泵激射束产生另一增益光谱范围中的光增益，所述泵激波长位于所述另一增益光谱范围之外；

第三光纤，具有在另外两个被选位置处耦合到所述第一光纤的两个部分，它们分别形成第三和第四耦合区域，所以所述第一和所述第三光纤形成与所述光纤环分离的另一光纤环；

第三和第四光纤光栅耦合器，它们分别在所述第三和所述第四耦合区域中形成，它们每个都具有光纤光栅，光纤光栅将所述另一增益光谱范围中波长处的光从所述另一光纤环中所述第一和所述第三光纤之一反射到另一个，而将所述泵激波长处的光透射出所述另一光纤环；和

另一光纤法布里-珀罗谐振器，它包括两个隔开的光纤光栅，光纤光栅在所述另一光纤环中一位置处形成，并反射所述另一增益光谱范围中波长处的光，所述另一光纤法布里-珀罗谐振器可用于选择并允许至少一个所述另一光纤环谐振腔模式的透射。

12.如权利要求11所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述第三光纤被连接用于接收来自所述第二光纤的光。

13.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤法布里-珀罗谐振器的自由光谱范围大于所述光纤光栅的反射带宽。

14.如权利要求6所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤环中接收来自所述第一和第二光纤光栅耦合器之一的反射光的所述第二光纤的一部分耦合到所述一个光纤光栅耦合器，并与所述光纤环中所述第一光纤的一部分在同一侧。

15.一种在单模光纤环状激光器中产生单模激光输出的方法，其特征在于，它包括：

将泵激波长处的泵激射束耦合到带有掺杂增益片段的光纤环，掺杂增益片段在不同于所述泵激波长的波长处产生光子；

使用光纤光栅耦合器，将所述光纤环的两个不同片段耦合在一起，它透射所述泵激射束，并反射一个和多个所述波长；和

使用两个光纤光栅，在所述光纤环中形成光纤法布里-珀罗谐振器，以选择所述光纤环的一个模式，产生激光。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括使所述光纤法布里-珀罗谐振器的自由光谱范围大于所述光纤光栅的反射带宽。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：

接收一部分激光，以确定所述激光相对于频率参考值的频率差；和

使用该频率差控制所述光纤的长度或温度，以降低频率差。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

使用作为频率参考值的内部光纤谐振器和一部分激光功率，以确定频率差；和

使用频率差控制所述光纤环的长度，以降低频率差。

19.如权利要求15所述的单模光纤环状激光器，其特征在于，所述光纤环中通过所述光纤光栅耦合器耦合在一起的所述两个光纤片段位于所述光纤光栅耦合器的同一侧。

Images