CN115566534A - 一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，属于半导体激光器技术领域。包括分布反馈半导体激光器、电流驱动器、第一温度控制器、保偏光纤环行器、波导谐振环、第二温度控制器、保偏光纤耦合器、保偏光纤可调衰减器。本发明自注入锁定窄线宽激光器中，光学元件的输入输出端均为保偏光纤，全光纤器件解决了精准调节激光器与外腔位置的困难；通过调节保偏光纤可调衰减器控制反馈光强度，减弱了空气流动、机械振动等环境扰动对反馈光路的影响，具有更好的稳定性；在半导体激光器的外部谐振腔中引入双直波导谐振环结构，利用透射光进行反馈，抑制了高频噪声，可以获得连续窄线宽输出。

Description

一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，该激光器可以应用于相干通信、光纤传感、量子测量等领域。
背景技术
自注入锁定窄线宽激光器因其具有超稳定、窄线宽、体积小、功耗低等特点，在激光传感、探测与测量、高灵敏度相干光通信和微波光子学等系统中有广阔的应用前景和巨大的应用价值。
目前自注入锁定窄线宽激光器主要是利用单量子阱分布反馈半导体激光器作为激光源，将法布里-珀罗谐振腔(共焦腔)的共振激光重新注入到分布反馈半导体激光器。只要分布反馈激光器的频率足够接近共焦腔的共振频率，激光频率将锁定到共焦腔的共振频率。由于激光器的锁定范围很大程度上取决于反馈功率，需要在分布反馈半导体激光器和共焦腔之间插入一个衰减器调整反馈功率，共焦腔的简单结构和小尺寸使得整个激光模块更加紧凑，共振光反馈激光器的输出线宽可压缩到15.7Hz，输出功率超过50mW(Lewoczko-Adamczyk W,Pyrlik C,Hger J,et al.Ultra-narrow linewidth DFB-laser withoptical feedback from a monolithic confocal Fabry-Perot cavity.OpticsExpress,2015,23(8):9705-9)。然而，上述方案需要精准调节激光器与外腔的相对位置，在实际操作中调节难度较大，并且激光器性能对该相对位置的精确度很敏感，工作过程中容易因为振动等原因造成相对位置偏移，使得激光器性能下降；同时上述方案的单向注入反馈也无法很好的抑制高频噪声。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器。本发明激光器利用波导谐振环的透射光对分布反馈半导体激光器进行反馈注入，通过调整反馈强度、分布反馈半导体激光器的驱动电流以及温度，可以输出波导谐振环不同透射峰处激发的窄线宽激光，实现连续的窄线宽激光输出，并改善高频频率噪声的抑制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，包括分布反馈半导体激光器1、电流驱动器2、第一温度控制器3、保偏光纤环行器4、波导谐振环5、第二温度控制器6、保偏光纤耦合器7、保偏光纤可调衰减器8；
所述电流驱动器2的输出端与分布反馈半导体激光器1的驱动电流输入端相连，第一温度控制器3的输出端与分布反馈半导体激光器1的温度控制输入端相连，所述分布反馈半导体激光器1的光输出端与保偏光纤环行器4的②端口相连，保偏光纤环行器4的③端口与波导谐振环5的上直波导的左端口相连，所述波导谐振环5的下直波导的左端口与保偏光纤耦合器7的输入端相连，保偏光纤耦合器的一个输出端与保偏光纤可调衰减器8的输入端相连，另一个输出端作为窄线宽激光器的输出端，保偏光纤可调衰减器8的输出端与保偏光纤环行器4的①端口相连，所述第二温度控制器6的输出端与波导谐振环的温度控制端相连；
所述电流驱动器2输出的驱动电流信号和第一温度控制器3输出的温度控制信号输入至分布反馈半导体激光器1，控制分布反馈半导体激光器输出的激光的频率和功率；分布反馈半导体激光器输出的激光通过保偏光纤环行器输入至波导谐振环，通过第二温度控制器输出的温度控制信号控制波导谐振环的透射峰中心频率，与波导谐振环的透射峰中心频率相等的激光经波导谐振环的下直波导左端口输出，通过保偏光纤耦合器后，一路作为窄线宽激光器的输出，进行线宽测量，由于激光经过波导谐振环滤掉了高频部分，因此在线宽测量时减弱了高频噪声；另一路通过保偏光纤可调衰减器调整激光的强度后，通过保偏光纤环行器反馈注入至分布反馈半导体激光器1，实现波导谐振环中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定，反馈光的注入使得激光谐振腔的等效品质因子提高，从而实现线宽压缩。
本发明的核心思想为：利用分布反馈半导体激光器的自注入锁定技术，结合高品质因子波导谐振环的窄透射谱对半导体激光器的相位噪声抑制作用，实现窄线宽输出。波导谐振环由上直波导、微环波导和下直波导构成，由于多光束干涉作用，波导谐振环的透射谱为具有等频率间隔的一系列梳状窄透射峰，频率间隔与微环波导的环长有关，通常为GHz量级。这些透射峰具有很高的消光比，透射峰之外的光透过率很小，对半导体激光器来说可以避免宽谱强光反馈引起的不稳定现象；同时，波导谐振环可以在C波段(1530-1565nm)正常工作，较长的工作范围使得分布反馈半导体激光器可以在较长的波长范围内获得窄线宽激光。分布反馈半导体激光器本身具有选模特性，可避免多模振荡；通过设置合适的温度和电流就可以将分布反馈半导体激光器的输出频率锁定在波导谐振环的透射峰上，实现频率的锁定；由于波导谐振环的品质因子很高，通过反馈注入可以将分布反馈半导体激光器的线宽压缩3个数量级以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提供的一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，光学元件的输入输出端均为保偏光纤，全光纤器件解决了精准调节激光器与外腔位置的难题。
2.本发明提供的一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，通过调节保偏光纤可调衰减器控制反馈光强度，减弱了空气流动、机械振动等环境扰动对反馈光路的影响，具有更好的稳定性。
3.本发明提供的一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，在半导体激光器的外部谐振腔中引入双直波导谐振环结构，利用透射光进行反馈，抑制了高频噪声，可以获得连续窄线宽输出。
附图说明
图1为本发明自注入锁定窄线宽激光器的结构示意图。
图2为本发明自注入锁定窄线宽激光器输出激光的拍频谱。
图3为波导谐振环透射率与光频率的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，同时需要说明的是本发明保护的范围并不仅仅局限于实施例表述的范围。
实施例
图1为本发明实施例自注入锁定窄线宽激光器的结构示意图，包括分布反馈半导体激光器1、电流驱动器2、第一温度控制器3、保偏光纤环行器4、波导谐振环5、第二温度控制器6、保偏光纤耦合器7、保偏光纤可调衰减器8；所述电流驱动器2的输出端与分布反馈半导体激光器1的驱动电流输入端相连，第一温度控制器3的输出端与分布反馈半导体激光器1的温度控制输入端相连，所述分布反馈半导体激光器1的光输出端与保偏光纤环行器4的②端口相连，保偏光纤环行器4的③端口与波导谐振环5的上直波导的左端口相连，所述波导谐振环5的下直波导的左端口与保偏光纤耦合器7的输入端相连，保偏光纤耦合器的一个输出端与保偏光纤可调衰减器8的输入端相连，另一个输出端作为窄线宽激光器的输出端，保偏光纤可调衰减器8的输出端与保偏光纤环行器4的①端口相连，所述第二温度控制器6的输出端与波导谐振环的温度控制端相连；所述电流驱动器2输出的驱动电流信号和第一温度控制器3输出的温度控制信号输入至分布反馈半导体激光器1，控制分布反馈半导体激光器输出的激光的频率和功率；分布反馈半导体激光器输出的激光通过保偏光纤环行器输入至波导谐振环，通过第二温度控制器输出的温度控制信号控制波导谐振环的透射峰中心频率，与波导谐振环的透射峰中心频率相等的激光经波导谐振环的下直波导左端口输出，通过保偏光纤耦合器后，一路作为窄线宽激光器的输出，进行线宽测量，由于激光经过波导谐振环滤掉了高频部分，因此在线宽测量时减弱了高频噪声；另一路通过保偏光纤可调衰减器调整激光的强度后，通过保偏光纤环行器反馈注入至分布反馈半导体激光器1，实现波导谐振环中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定，反馈光的注入使得激光谐振腔的等效品质因子提高，从而实现线宽压缩。
实施例自注入锁定窄线宽激光器的具体使用步骤为：
1.将电流驱动器2和第一温度控制器3的输出端与分布反馈半导体激光器1的输入端相连，温度控制在25～35℃，调整半导体激光器的电流在70～100mA范围内，采用的分布反馈激光器为thorlabs公司生产的型号为L1550P5DFB的DFB激光二极管，并按图1连接保偏光纤环行器4、波导谐振环5、保偏光纤耦合器7、保偏光纤可调衰减器8，通过调保偏光纤可调衰减器8可以调整注入分布反馈半导体激光器1的功率。
2.将保偏光纤耦合器7的另外一个输出端接到线宽测量系统的输入口，对输出激光线宽进行测量，缓慢调节保偏光纤可调衰减器8，仔细观察频谱分析仪上的谱形直至分布反馈半导体激光器的光谱线宽得到明显压缩，如图2所示，表明此时激光器处于反馈注入锁定状态，线宽压缩至了kHz量级，所采用的频谱仪为Anritsu公司生产的型号MS2725C的频谱仪。
3.在上述操作2的基础上，缓慢调节半导体激光器的电流，观察到频谱分析仪上的谱形从明显压缩状态，逐步展宽，而后随着电流的增加谱形又会变成压缩状态，这说明激光频率已锁定到相邻的透射峰上。
4.将分布反馈半导体激光器1、保偏光纤环形器4、波导谐振环5、保偏光纤耦合器7、保偏光纤可调衰减器8全部置入恒温隔振密封机箱中。
图3为在193THz(约1550nm)附近，波导谐振环的透射率与光频率的关系图。选取的波导环的长度为l＝15mm，环折射率为n＝1.5，耦合效率α＝50％，透射率公式为：
Figure BDA0003866875270000051
仿真结果如图3所示，波导谐振环的透射率为具有等频率间隔的一系列梳状窄透射峰，在透射峰处的激光透过率为1，在透射峰之外的激光频率几乎不能透过。
综上，本发明提出的一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，利用波导谐振环作为激光器的外部谐振腔，通过将波导谐振环的透射光反馈注入分布反馈半导体激光器，实现窄线宽激光输出。

Claims (1)

1.一种基于波导谐振环的自注入锁定窄线宽激光器，其特征在于，包括分布反馈半导体激光器(1)、电流驱动器(2)、第一温度控制器(3)、保偏光纤环行器(4)、波导谐振环(5)、第二温度控制器(6)、保偏光纤耦合器(7)、保偏光纤可调衰减器(8)；
所述电流驱动器(2)的输出端与分布反馈半导体激光器(1)的驱动电流输入端相连，第一温度控制器(3)的输出端与分布反馈半导体激光器(1)的温度控制输入端相连，所述分布反馈半导体激光器(1)的光输出端与保偏光纤环行器(4)的②端口相连，保偏光纤环行器(4)的③端口与波导谐振环(5)的上直波导的左端口相连，所述波导谐振环(5)的下直波导的左端口与保偏光纤耦合器(7)的输入端相连，保偏光纤耦合器的一个输出端与保偏光纤可调衰减器(8)的输入端相连，另一个输出端作为窄线宽激光器的输出端，保偏光纤可调衰减器(8)的输出端与保偏光纤环行器(4)的①端口相连，所述第二温度控制器(6)的输出端与波导谐振环的温度控制端相连；
所述电流驱动器输出的驱动电流信号和第一温度控制器输出的温度控制信号输入至分布反馈半导体激光器，控制分布反馈半导体激光器输出的激光的频率和功率；分布反馈半导体激光器输出的激光通过保偏光纤环行器输入至波导谐振环，通过第二温度控制器的温度控制信号控制波导谐振环的透射峰中心频率，与波导谐振环的透射峰中心频率相等的激光经波导谐振环的下直波导左端口输出，通过保偏光纤耦合器后，一路作为窄线宽激光器的输出，另一路通过保偏光纤可调衰减器调整激光的强度后，通过保偏光纤环行器反馈注入至分布反馈半导体激光器，实现波导谐振环中的谐振激光对分布反馈半导体激光器的注入锁定。
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