CN115102023B - 一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器及系统，包括：波长可调谐激光光源DFB、第一光环形器、光纤放大器、移频器、第一光纤耦合器、隔离器、第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、第二光纤耦合器，波长可调谐激光光源DFB、第一光环形器、光纤放大器和第二光环形器依次连接，第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、隔离器、第二光纤耦合器依次环形连接组成布里渊激光腔，第二光纤耦合器、第一光纤耦合器、隔离器和第一光环形器依次连接，第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均包括一个输入端口和两个输出端口。本发明基于移频注入，可抑制模式跳变，可将激光线宽压窄到百mHz级别，并降低激光频率噪声。

Description

一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器及系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器及系统。
背景技术
单频窄线宽激光器具有光谱纯度高和相干性好等特点，在高精度雷达、相干光通信、引力波探测等实用领域，以及量子光学，硅基光子学、冷原子物理等基础科学研究都有着广泛的应用前景。
单频布里渊激光器是目前单频窄线宽激光器的一个重要发展方向，它凭借布里渊增益光纤中的受激布里渊效应的特性，对泵浦光进行线宽压窄和相噪抑制，可将泵浦线宽压窄几个数量级。目前布里渊激光器已经在微波光子学、相干光通信、集成光信号处理等领域发挥巨大作用。
然而，基于现有技术方案的单频布里渊光纤激光光源通常仅将泵浦光经过一次受激布里渊散射效应来产生布里渊激光，其获得的线宽往往只能达到KHz级别，不能完全满足在对激光线宽要求高的空间相干光通信、干涉测量传感器等领域的需求，所以目前亟需一种新的窄线宽激光器来解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于超窄线宽、超低噪声的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，其包括：
波长可调谐激光光源DFB（Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器）、第一光环形器、光纤放大器、移频器、第一光纤耦合器、隔离器、第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、第二光纤耦合器，所述波长可调谐激光光源DFB、第一光环形器、光纤放大器和第二光环形器依次连接，所述第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、隔离器、第二光纤耦合器依次环形连接组成布里渊激光腔，所述第二光纤耦合器、第一光纤耦合器、隔离器和第一光环形器依次连接，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均包括一个输入端口和两个输出端口；
所述波长可调谐激光光源DFB发出的激光由所述第一光环形器进入所述光纤放大器，所述光纤放大器用于将激光放大，并由所述第二光环形器进入布里渊激光腔；激光在所述布里渊增益光纤中发生受激布里渊效应，产生与激光传播方向相反的一阶布里渊激光；所述第一偏振控制器用于调整泵浦光的偏振以最大化所述布里渊增益光纤的布里渊增益；所述第二光纤耦合器用于将产生的布里渊激光分成第一路激光和第二路激光，第一路激光在所述布里渊激光腔内循环，所述隔离器用于隔离一阶布里渊激光再次经过所述布里渊增益光纤后产生的反向二阶布里渊激光，第二路激光经过所述第一光纤耦合器被分成第三路激光和第四路激光，第三路激光经过所述移频器调制后由所述第一光环形器进入所述波长可调谐激光光源DFB，以锁定所述波长可调谐激光光源DFB的波长和线宽，并作为新的光源在所述布里渊激光腔内产生线宽被压缩的二阶布里渊激光，多次循环后，布里渊激光的线宽达到极限，并作为所述第四路激光输出。
作为本发明的进一步改进，所述移频器用于将布里渊激光的窄线宽特征转化为移频器的边带，通过调节直流电压来抑制移频器的载波边带和偶次边带。
作为本发明的进一步改进，所述第一光环形器包括三个端口，分别与所述波长可调谐激光光源DFB、光纤放大器、移频器连接。
作为本发明的进一步改进，所述第二光环形器包括三个端口，分别与所述光纤放大器、第一偏振控制器和第二光纤耦合器连接。
作为本发明的进一步改进，所述移频器的射频是布里渊散射增益最大值所对应的频率。
作为本发明的进一步改进，所述移频器为电光调制器。
作为本发明的进一步改进，所述光纤放大器为C波段光纤放大器。
本发明还提供了一种激光器系统，其包括如上述任一所述的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器。
本发明的有益效果：
本发明移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器基于移频注入，可抑制模式跳变，可以将激光线宽压窄到百mHz级别，并且有效降低激光的频率噪声。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明优选实施例中移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器的示意图；
图2是本发明优选实施例中激光线宽测量光路示意图；
图3是本发明优选实施例中波长可调谐激光光源DFB和最终测得的超窄线宽布里渊激光的相噪图；
图4是本发明优选实施例中波长可调谐激光光源DFB、一阶布里渊激光和移频注入锁定布里渊激光的频率噪声。
标记说明：1、波长可调谐激光光源DFB；2、第一光环形器；3、光纤放大器；4、移频器；5、第一光纤耦合器；6、隔离器；7、第二光环形器；8、第一偏振控制器；9、布里渊增益光纤；10、第二光纤耦合器；11、移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器；12、声光调制器AOM；13、第二偏振控制器；14、单模光纤；15、光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明优选实施例中的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，包括：波长可调谐激光光源DFB1、第一光环形器2、光纤放大器3、移频器4、第一光纤耦合器5、隔离器6、第二光环形器7、第一偏振控制器8、布里渊增益光纤9、第二光纤耦合器10。
所述波长可调谐激光光源DFB1、第一光环形器2、光纤放大器3和第二光环形器7依次连接，所述第二光环形器7、第一偏振控制器8、布里渊增益光纤9、隔离器6、第二光纤耦合器10依次环形连接组成布里渊激光腔，所述第二光纤耦合器10、第一光纤耦合器5、隔离器6和第一光环形器2依次连接，所述第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器10均包括一个输入端口和两个输出端口。
所述波长可调谐激光光源DFB1发出的激光由所述第一光环形器2进入所述光纤放大器3，所述光纤放大器3用于将激光放大，并由所述第二光环形器7进入布里渊激光腔；激光在所述布里渊增益光纤9中发生受激布里渊效应，产生与激光传播方向相反的一阶布里渊激光；所述第一偏振控制器8用于调整泵浦光的偏振以最大化所述布里渊增益光纤9的布里渊增益；所述第二光纤耦合器10用于将产生的布里渊激光分成第一路激光和第二路激光，第一路激光在所述布里渊激光腔内循环，所述隔离器6用于隔离一阶布里渊激光再次经过所述布里渊增益光纤9后产生的反向二阶布里渊激光，第二路激光经过所述第一光纤耦合器5被分成第三路激光和第四路激光，第三路激光经过所述移频器4调制后由所述第一光环形器2进入所述波长可调谐激光光源DFB1，以锁定所述波长可调谐激光光源DFB1的波长和线宽，并作为新的光源在所述布里渊激光腔内产生线宽被压缩的二阶布里渊激光，多次循环后，布里渊激光的线宽达到极限，并作为所述第四路激光输出。可选地，所述光纤放大器3为C波段光纤放大器。
本发明通过移频注入锁定机制从而防止由于泵浦频率漂移引起的一阶布里渊激光发生模式跳变，一阶布里渊激光将窄线宽特性发送到波长可调谐激光光源DFB1，并锁定波长可调谐激光光源DFB1的激光频率。之后，移频注入锁定的泵浦光将形成二阶布里渊激光。同样由于移频注入锁定效应，与一阶布里渊线宽相比，二阶布里渊线宽由于受激布里渊散射效应进一步压缩了。此外，二阶布里渊线宽特性将通过移频注入锁定系统再次传输到泵浦，压缩泵浦的线宽，然后再次产生布里渊激光，循环往复，直到布里渊激光的线宽达到极限。
本发明移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器基于移频注入，可抑制模式跳变，可以将激光线宽压窄到百mHz级别，并且有效降低激光的频率噪声。
其中，移频器4用于将布里渊激光的窄线宽特征转化为移频器4的边带，通过调节直流电压来抑制移频器4的载波边带和偶次边带。优选地，所述移频器4的射频是布里渊散射增益最大值所对应的频率。可选地，移频器4为电光调制器等。
在其中一实施例中，第一光环形器2包括三个端口，分别与所述波长可调谐激光光源DFB1、光纤放大器3、移频器4连接。
在其中一实施例中，第二光环形器7包括三个端口，分别与所述光纤放大器3、第一偏振控制器8和第二光纤耦合器10连接。
在其中一实施例中，波长可调谐激光光源DFB是窄线宽单频连续激光输出，中心波长为1548nm-1552nm，光谱线宽小于400KHz，最大运行功率大于10mw，边模抑制比大于30dB的连续运行激光器。通过光纤放大器3将激光放大，最大增益为26dB，设置为连续功率输出模式。然后通过第二光环形器7注入到布里渊激光腔中，第一偏振控制器8调整泵浦光的偏振以最大化布里渊增益光纤9的布里渊增益，布里渊增益光纤9长15m，由于高度布里渊增益光纤的增益峰值较大，与单模光纤相比，该布里渊增益光纤9的光纤腔的布里渊阈值仅为21dBm。
如图2所示，为激光线宽测量光路示意图，用于测量上述实施例中移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器11输出的超窄线宽布里渊激光的线宽，其包括声光调制器AOM12、第二偏振控制器13、单模光纤14、光电探测器15。
移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器11输出的超窄线宽布里渊激光经耦合器分成两路，一路经过第二偏振控制器13和单模光纤14，另一路则经过声光调制器AOM12 ，然后再会聚到另一个耦合器上进行干涉拍频，之后利用光电探测器15对其进行变换，并在频谱仪上分析电流信号的功率谱，利用维纳-辛钦定理，对其进行自相关运算后，再进行傅里叶变换，得到激光信号的功率谱密度，从而直接读取线宽值。
图3是本发明优选实施例中波长可调谐激光光源DFB和最终测得的超窄线宽布里渊激光的相噪图。其中，波长可调谐激光光源DFB是一个分布式反馈激光器，最大输出功率为10mw，线宽为400kHz；经过移频注入锁定后的激光作为产生布里渊激光的泵浦源，最终产生的激光线宽约为百mHz级别。
图4是本发明优选实施例中波长可调谐激光光源DFB、一阶布里渊激光和移频注入锁定布里渊激光的频率噪声。其中，对于100Hz至1MHz的偏移频率，一阶布里渊激光的频率噪声相对于泵浦光的频率噪声降低了约22dB，而移频注入锁定布里渊激光的频率噪声相对于一阶布里渊激光的频率噪声降低了约30dB。
本发明优选实施例还提供了一种激光器系统，其包括上述实施例中移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，其特征在于，包括：
波长可调谐激光光源DFB、第一光环形器、光纤放大器、移频器、第一光纤耦合器、隔离器、第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、第二光纤耦合器，所述波长可调谐激光光源DFB、第一光环形器、光纤放大器和第二光环形器依次连接，所述第二光环形器、第一偏振控制器、布里渊增益光纤、隔离器、第二光纤耦合器依次环形连接组成布里渊激光腔，所述第二光纤耦合器、第一光纤耦合器、移频器和第一光环形器依次连接，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均包括一个输入端口和两个输出端口；
所述波长可调谐激光光源DFB发出的激光由所述第一光环形器进入所述光纤放大器，所述光纤放大器用于将激光放大，并由所述第二光环形器进入布里渊激光腔；激光在所述布里渊增益光纤中发生受激布里渊效应，产生与激光传播方向相反的一阶布里渊激光；所述第一偏振控制器用于调整泵浦光的偏振以最大化所述布里渊增益光纤的布里渊增益；所述第二光纤耦合器用于将产生的布里渊激光分成第一路激光和第二路激光，第一路激光在所述布里渊激光腔内循环，所述隔离器用于隔离一阶布里渊激光再次经过所述布里渊增益光纤后产生的反向二阶布里渊激光，第二路激光经过所述第一光纤耦合器被分成第三路激光和第四路激光，第三路激光经过所述移频器调制后由所述第一光环形器进入所述波长可调谐激光光源DFB，以锁定所述波长可调谐激光光源DFB的波长和线宽，并作为新的光源在所述布里渊激光腔内产生线宽被压缩的二阶布里渊激光，多次循环后，布里渊激光的线宽达到极限，并作为所述第四路激光输出；
所述移频器用于将布里渊激光的窄线宽特征转化为移频器的边带，通过调节直流电压来抑制移频器的载波边带和偶次边带；
所述第一光环形器包括三个端口，分别与所述波长可调谐激光光源DFB、光纤放大器、移频器连接；
所述第二光环形器包括三个端口，分别与所述光纤放大器、第一偏振控制器和第二光纤耦合器连接。
2.如权利要求1所述的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，其特征在于，所述移频器的射频是布里渊散射增益最大值所对应的频率。
3.如权利要求1所述的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，其特征在于，所述移频器为电光调制器。
4.如权利要求1所述的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器，其特征在于，所述光纤放大器为C波段光纤放大器。
5.一种激光器系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的移频注入锁定的超窄线宽布里渊激光器。
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