CN1154208C

CN1154208C - 自注入锁定单频光纤环形激光器

Info

Publication number: CN1154208C
Application number: CNB001190512A
Authority: CN
Inventors: 许立新; 明海; 谢建平; 王安廷; 张晓世; 安伟; 吴云霞; 黄文才
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: CN1348239A

Abstract

本发明涉及光纤激光器。它由一短腔激光器和半导体激光器、有源光纤、波分复用器、偏振控制器经普通单模光纤连接而成环形腔，其中短腔激光器由两个光纤光栅及一段有源光纤组成，通过分布布拉格反射产生单纵模的激光源，并且通过调节两个光栅的反射特性使其单向输出，保证整个环形腔工作在行波模式，从而消除了空间烧孔现象，整个结构是自适应的。短腔激光器同时起着注入种子源和等效隔离器的作用。

Description

自注入锁定单频光纤环形激光器

本发明涉及激光器，尤其涉及光纤激光器。

单频光纤激光器在光通信、光纤传感、精密光学计量等领域有重要的应用。目前的单频光纤激光器主要有两大类。一类是利用光纤中的受激布里渊散射来提供增益，即受激布里渊光纤激光器。如：利用632.8nm的单频He-Ne激光器泵浦，从逆时针的方向耦合进单模非保偏光纤环形腔中，获得受激布里渊光纤激光，虽然其线宽可小于30Hz，但由于体积大、功率较小、结构复杂且为非全光纤结构、不利于实际应用。另一类是利用稀土掺杂光纤作为增益的单频光纤激光器。这类光纤激光器利用半导体激光泵浦，为全光纤结构，可以做成小型化、全固化系统、便于在要求重量轻、体积小的应用领域中进行应用。但由于稀土掺杂光纤以均匀展宽为主，均匀展宽介质在驻波能引起空间烧孔现象，而空间烧孔将引起激光器多模振荡，不利于实现单频工作。目前已有许多方案来解决这类空间烧孔问题，例如：直接将激光器设计成短腔激光器；或者，在单向环形激光器的腔中加入一定的滤波器；还有，利用旋转模式(即圆偏振光)、Fox-smith腔、可饱和吸收体等设计而成的各种激光器；其中，利用注入锁定方法设计的单频光纤激光器因其结构简单而被人们看好。光纤激光器的注入锁定主要有两种方法，即外注入锁定和自注入锁定：①外注入锁定是从外部用一中心波长与光纤激光器工作波长相同但线宽较宽的外部光源注入到光纤激光器中，将激光的工作波长锁定在外部光源的中心波长处，同时将其线宽压窄。但这类激光器的工作稳定性依赖于注入光的稳定性。②自注入锁定一般利用两个腔结构，其中一个腔产生一弱单频激光，其线宽较宽，将它注入到长腔中，使产生单频窄线宽的光纤激光。1998年山下真司等人报道了在直腔中实现了自注入锁定的单频光纤激光振荡。该系统采用Er、Yb双掺杂作为工作物质、外粘介质膜从而形成短腔激光器，再与掺Er光纤放大器连接形成自注入锁定光纤激光器。其边模压缩达60db[见：S.Yamashitaand K.Hsu，”Single-frequency，single-polarization operation of tunableminiature erbium：ytterbium fiber Fabry-perot Lasers by use of self-injectionlocking”，Optics Letters，23(15)，1998年，pp1200-1202.]。但因该结构损耗较大，使得其单频线宽仍较宽。

本发明的目的在于提供一种结构简单、单纵模窄线宽的自注入锁定单频光纤环形激光器。

本发明通过以下方式来实现：

整个光纤激光器由一短腔激光器和半导体激光器、有源光纤、波分复用器及偏振控制器经普通单模光纤连接而成环形腔，其中短腔激光器由两个反射率不同但布拉格波长相同的光纤光栅及一段有源光纤组成。

本发明是将一种自行设计的、容易实现单频及单向工作状态的短腔激光器与普通的长腔激光器有机地结合起来，使之形成自注入锁定环形激光器。它由半导体激光器、有源光纤、波分复用器、偏振控制器等与短腔激光器共同组成，其中的短腔激光器为一种特殊的分布布拉格反射短腔光纤激光器(简称DBR)。具体结构为：将带尾纤的半导体激光器LD与波分复用器WDM₁的一输入端相熔接，WDM₁的一输出端与有源光纤REDF的一端相熔接，REDF的另一端与短腔激光器DBR的输出端相熔接，DBR的另一端与波分复用器WDM₂的一个输入端熔接，WDM₂的一个输出端与WDM₁的另一个输入端相熔接即形成自注入锁定单频光纤环形激光器，两个偏振控制器PC₁、PC₂可分别放置于WDM、REDF及DBR的两端，例如放置于WDM₁与REDF之间及DBR与WDM₂之间；其中短腔激光器DBR是由两个具有相同布拉格反射波长的光纤光栅G₁、G₂与一段有源光纤组成，其中G₁的反射率为大于99％，G₂的反射率为75～85％，以保证激光器DBR单向工作即可，此时光纤光栅G₂作为DBR的输出端，即DBR的输出方向与半导体激光器反向。有源光纤可以是稀土掺杂光纤、染料掺杂光纤或其它具有相应能级结构的掺杂光纤，以稀土掺杂光纤为主，在光纤环长腔中的REDF浓度一般为3～10dB、长度则相应为3～10m即可，而在DBR中为了保证单模工作状态，掺杂光纤的长度一般只能为1cm左右(例如1～1.5cm)，这时应采用掺杂浓度大于30dB的高掺杂光纤；其余的普通单模光纤均可为对工作波长单模的单模光纤。环形腔的总长度可根据输出功率及线宽要求而选取，腔长越短则稳定性越好。半导体激光器的波长视有源光纤中工作物质的吸收峰而定，通常的泵浦波长有650nm、780nm、800nm、915nm、980nm及1480nm等；波分复用器对工作波长和泵浦波长的隔离比均要求在18dB以上；偏振控制器由光纤绕接在两个铜环上制作而成，铜环面法线可连续调节。如果需要激光器输出为单偏振状态，还可在腔中以偏振分束器PBS取代WDM₂。

本发明的工作过程如下：半导体激光器发出的光波通过波分复用器进入光纤环中；泵浦有源光纤的工作物质，产生粒子数反转，当满足阈值条件和谐振条件时便产生激光；当泵浦激光的功率足够大时，对短腔激光器再进行泵浦，使其产生激光，所产生的激光为单纵模状态，且其方向与泵浦光的方向相反，以使环形腔的最后输出光中避免泵浦光的存在、消除了泵浦光对输出光的影响；此单纵模激光即可作为种子源注入到环形腔中，进行放大及线宽压窄，环形腔中的工作波长锁定为单纵模的激光波长；两个偏振控制器用于控制激光偏振，使激光器工作的偏振方向与腔的本征偏振模相匹配，从而减小损耗；偏振分束器使激光器工作在单偏振状态。由于对两个光纤光栅的特殊选择，使分布布拉格反射光纤激光器DBR为单向输出，通过它的注入迫使整个激光器工作在行波模式，从而消除了空间烧孔现象。也就是说，本发明的创新之处在于：在环形腔内，利用由两个反射率不同但布拉格波长相同的光纤光栅及一段有源光纤组成的特殊分布布拉格反射短腔激光器来提供单向工作的单纵模种子源，通过调节DBR中的两个光栅的反射特性，使DBR单向输出，保证整个环形腔工作在行波模式，从而消除了空间烧孔现象，整个结构是自适应的。DBR同时起着注入种子源和等效隔离器的作用。

本发明的优点为：(1)由于采用在长腔中加入能单向输出的短腔激光器DBR的方法构成自注入锁定单频光纤环型激光器，消除了环型腔工作时的空间烧孔现象；(2)DBR同时起着注入种子源和等效隔离器的作用，在环型腔中锁定了与DBR所产生的单纵模波长相对应的工作波长，整个过程为自适应过程，操作简便，无须复杂的调节元件，使整个激光器性能稳定；(3)由于整个系统是长短腔结合的全光纤的自注入锁定腔，因此，通过调节环型腔的腔长和系统损耗，可极大地压窄激光线宽，使激光的线宽小于1.0kHz；(4)通过改变泵浦功率及掺杂光纤的掺杂浓度和长度，可以提高激光的输出功率；使单频工作的激光功率可达20mW以上。

本发明可适用于高精度光纤传感器，光纤通信系统(尤其是DWDM系统和相干光通信系统)，高精度的干涉计量，以及其他需要高相干性光源的系统中。

附图1为非偏振输出时的整体结构示意图。

附图2为偏振输出时的整体结构示意图。

下面结合附图对本发明的实施例进行描述。从图中可看出，半导体激光器LD为通常用于泵浦稀土掺杂光纤的激光器QLM9S470-911，工作波长为980nm，输出功率110mW；有源光纤REDF为稀土掺杂光纤，取掺Yb³⁺光纤QYDF-M，长度为3m，其对泵浦波长的吸收为6.5db/m；两个波分复用器WDM₁、WDM₂均为980/1053nm；偏振控制器PC₁、PC₂均为由光纤绕接在两个铜环上制作而成，铜环面法线可连续调节；偏振分束器PBS的分束比为90/10；光纤光栅G₁和G₂的布拉格反射波长为1053nm，其中G₁的反射率为99.99％，G₂的反射率为80％，连接G₁和G₂的有源光纤为高掺杂Yb³⁺稀土光纤YDF-H，长1.2cm，其在泵浦波长处的吸收为20dB/m。总腔长5m。整个系统用导热胶固定在一小紫铜板槽中。

Claims

1.一种自注入锁定单频光纤环形激光器，其特征在于整个光纤激光器由一短腔激光器和半导体激光器(LD)、有源光纤(REDF)、波分复用器(WDM)及偏振控制器(PC)经普通单模光纤连接而成环形腔，其中短腔激光器(DBR)由两个光纤光栅(G₁、G₂)及一段有源光纤连接组成，两个光纤光栅(G₁、G₂)具有相同布拉格反射波长，其中第一光纤光栅(G₁)的反射率为大于99％，第二光纤光栅(G₂)的反射率为75～85％；半导体激光器(LD)的尾纤与第一波分复用器(WDM₁)的一输入端相接，第一波分复用器(WDM₁)的一输出端与有源光纤(REDF)的一端相接，有源光纤(REDF)的另一端与短腔激光器(DBR)的输出端相接，短腔激光器DBR的另一端与第二波分复用器(WDM₂)的一个输入端相接，第二波分复用器(WDM₂)的一个输出端与第一波分复用器(WDM₁)的另一个输入端相接，两个偏振控制器(PC₁、PC₂)分别放置于波分复用器(WDM)或有源光纤(REDF)或短腔激光器(DBR)的两端。