CN116799597A - 一种可切换单纵模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种可切换单纵模光纤激光器，包括：主腔，无源眼型复合环腔滤波器模块。本发明提供的无源眼型复合环腔滤波器模块需要从主腔的密集纵模中选出单纵模，这就对眼型复合环腔滤波器模块提出要求：其有效通带3dB带宽须为主腔纵模间隔的1～1.5倍，其有效自由光谱范围须为波长选择通道带宽的0.5～1倍，这样组成激光器时即可以实现任意波长切换下单纵模激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及红外激光器技术领域，尤其涉及一种可切换单纵模光纤激光器。
背景技术
单波长/多波长可切换/连续可调谐单纵模光纤激光器在整个光纤激光器领域中占据着极其重要的地位，它们除了具有普通光纤激光器的所有优点之外，还具有非常优秀的相干性及单色性。这类激光器一般作为高质量相干光源或高质量种子源进一步注入后续光纤放大级以达到高功率窄线宽的输出。2μm波段单纵模掺铥光纤激光器的人眼安全、强大气分子与水分子吸收性及高大气透射率等特性，使其不但具有单纵模光纤激光器的普遍优点，相对于其他波段单纵模光纤激光器还具有无可匹敌的应用优势，在工业、科学研究及民用等领域至关重要，其主要应用有相干光通信、相干多普勒激光雷达、超长距离光纤传感、光载无线通信系统等。
根据光纤激光器的腔长，实现单纵模输出的光纤激光器的腔结构一般分为两种，一种是短腔结构，包括分布式反馈光纤激光器和分布式布拉格反射光纤激光器。另一种是具有适当的模式选择机制的长腔结构。到目前为止，单纵模掺铥光纤激光器的短腔结构及长腔结构均有大量报道，但大多数2μm波段的掺铥光纤激光器工作都集中在1900-2000nm区域，也就是掺铥光纤的高增益区域。面向更长的波段，如2050nm波段的单纵模掺铥光纤激光器却鲜有报道。由于2050nm的激光波长位于掺铥光纤的低增益区域，这使得搭建短线腔结构2050nm波段的单纵模掺铥光纤激光器非常具有挑战性。除了采用掺钬光纤替代掺铥光纤之外，则需要通过长腔结构来延长腔内掺铥光纤的长度来提供在2050nm波段足够的增益，再配合其他选模机制来实现2050nm波段的单纵模输出。对比几种长腔结构单纵模选模方案，环形复合腔结构更具优势，由光纤耦合器组合搭建的复合子环成本低，易于实现且灵活性高，更适用于2μm这一缺少优化器件的波段。并且复合环腔结构搭配其他多波长通道滤波器，实现每个通道都处于单纵模状态的多波长可切换2050nm掺铥光纤激光器，非常有望用于下一代激光雷达及波分复用自由空间光通信。
掺铥光纤在2050nm附近增益较低,因此在该波段范围搭建单纵模掺铥光纤激光器具有一定的挑战性。现已提出的在2050nm波段的单纵模激光器均采用铥钬共掺光纤作为增益光纤的短腔结构或商用分布反馈型半导体激光器,其他结构的激光器还鲜有报道。采用长腔结构增长掺铥光纤的长度来提供足够的增益也是一种解决方案,与短腔结构的单纵模激光器相比,长腔结构由于允许加入调节器件,因而更具有灵活性和性能拓展性。但是,长腔结构导致了更小的纵模间隔,需要可靠的机制来抑制多纵模振荡，比如利用超窄带滤波器进行纵模选择，然而相对于1μm及1.5μm波段的掺镱光纤激光器及掺铒光纤激光器，目前2050nm波段单纵模光纤激光器的搭建仍受限于缺少优化的光纤元件及有效的测量手段。而且，相比于1μm波段及1.5μm波段，2μm波段的激光对腔内的损耗更敏感，在单纵模掺镱光纤激光器或单纵模掺铒光纤激光器的腔内使用低透射率的滤波器件可能对其输出性能没有显着影响，但对单纵模掺铥光纤激光器则极为不利，因为2μm波段的光具有更高的传输损耗。这种由低透射率滤波器件引入的大腔内损耗会导致单纵模掺铥光纤激光器输出激光不稳定，甚至无法产生激光。因此，对于单纵模掺铥光纤激光器必须提高所使用的滤光器的透射率，并且避免引入其他损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何提高单纵模掺铥光纤激光器所使用的滤光器的透射率，并且避免引入其他损耗。有鉴于此，本发明提供一种可切换单纵模光纤激光器。
本发明采用的技术方案是，所述一种可切换单纵模光纤激光器，包括：
主腔，无源眼型复合环腔滤波器模块；
其中，主腔包括：泵浦源、光纤合束器、掺铥光纤、光纤隔离器、光纤环形器、挤压式偏振控制器、取样光纤Bragg光栅、起偏器、光纤耦合器、光纤激光器输出端口；
所述泵浦源与所述合束器的泵浦输入端口连接，所述合束器的信号臂输出端口与所述掺铥光纤连接，所述掺铥光纤的输出与所述光纤隔离器的输入臂连接，光纤隔离器的输出端与所述光纤环形器的输入第一端口相连接，所述光纤环形器的输出第二端口与所述挤压式偏振控制器的输出端口连接，所述挤压式偏振控制器的输出端口连接所述取样光纤Bragg光栅，所述光纤环形器输出第三端口连接所述光纤起偏器的输入端口，所述光纤起偏器的输出端口与所述无源眼型复合环腔滤波器输入端口的连接，所述无源眼型复合环腔滤波器的输出端口与所述光纤耦合器的输入端口连接，所述光纤耦合器的输出臂与所述光纤合束器信号输入纤连接，所述光纤耦合器的输出臂作为可切换单纵模光纤激光器输出端。
在一个实施方式中，所述无源眼型复合环腔滤波器模块，包括；
第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第四光纤耦合器，光纤输入端口，光纤输出端口；
其中，所述第一光纤耦合器的第一端口与所述光纤输入端口连接，所述第一光纤耦合器的第三端口空置，所述第一光纤耦合器的第四端口与所述第二光纤耦合器的第五端口连接，所述第二光纤耦合器的第七端口与所述第三光纤耦合器的第十端口连接，所述第二光纤耦合器的第八端口与所述第四光纤耦合器的第十三端口连接，所述第三光纤耦合器第九端口空置，所述第三光纤耦合器的第十一端口与所述第四光纤耦合器的第十四端口连接，所述第四光纤耦合器的第十五端口与所述第二光纤耦合器的第六端口连接，所述第四光纤耦合器的第十六端口与所述第一光纤耦合器的第二端口连接，所述第三光纤耦合器的第十二端口与所述光纤输出端连接。
在一个实施方式中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器均为2X2光纤耦合器，其分光比依次为70:30、99.99:0.01、99.99:0.01、70:30。。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述的一种可切换单纵模光纤激光器，无源眼型复合环腔滤波器模块需要从主腔的密集纵模中选出单纵模，这就对眼型复合环腔滤波器模块提出要求：其有效通带3dB带宽须为主腔纵模间隔的1～1.5倍，其有效自由光谱范围须为波长选择通道带宽的0.5～1倍，这样组成激光器时即可以实现任意波长切换下单纵模激光输出。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种可切换单纵模光纤激光器结构示意图；
图2为根据本发明实施例的主腔中所用取样光纤Bragg光栅参数图；
图3为根据本发明实施例的眼型复合环腔滤波器模块的输出透射谱。
附图标记
泵浦源101、光纤合束器102、掺铥光纤103、光纤隔离器104、光纤环形器105、挤压式偏振控制器106、取样光纤Bragg光栅107、起偏器108、第一光纤耦合器110，第二光纤耦合器111，第三光纤耦合器112，第四光纤耦合器113，光纤输入端口109，光纤输出端口114、光纤耦合器115、光纤激光器输出端口116。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
应理解，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
本发明的实施例提供了一种可切换单纵模光纤激光器，如图1所示，包括：主腔及无源眼型复合环腔滤波器模块。其中主腔包括：泵浦源101、光纤合束器102、掺铥光纤103、光纤隔离器104、光纤环形器105、挤压式偏振控制器106、取样光纤Bragg光栅107、起偏器108、光纤耦合器115、光纤激光器输出端口116。无源眼型复合环腔滤波器模块包括：第一光纤耦合器110，第二光纤耦合器111，第三光纤耦合器112，第四光纤耦合器113，光纤输入端口109，光纤输出端口114。
主腔中：泵浦源101与合束器102泵浦输入端口连接为掺铥光纤提供增益，合束器102信号臂输出端口与掺铥光纤103连接，掺铥光纤103输出与光纤隔离器104输入臂连接确保激光器的单向运转，光纤隔离器104输出端与光纤环形器105输入1端口相连接，光纤环形器105输出2端口与挤压式偏振控制器106输出端口连接，挤压式偏振控制器106输出端口连接取样光纤Bragg光栅107，经取样光纤Bragg光栅107反射回的相应的波长下的光信号由光纤环形器105的2端口传输至光纤环形器105的3端口，光纤环形器输出3端口连接光纤起偏器108输入端口，光纤起偏器108输出端口与所述无源眼型复合环腔滤波器输入端口109连接，所述无源眼型复合环腔滤波器输出端口114与光纤耦合器115输入端口连接，光纤耦合器115输出臂117与光纤合束器102信号输入纤连接，光纤耦合器115输出臂116作为所述三波长可切换单纵模光纤激光器输出端。
进一步地，挤压式偏振控制器106、取样光纤Bragg光栅107与光纤起偏器108共同构成对激光腔的偏振依赖损耗调制，通过调节挤压式偏振控制器106，取样光纤Bragg光栅107的各个反射波长的可以被单独切换。当由增益光纤产生的具有任意偏振态的自发辐射光通过光纤环行器105的2端口时，光的偏振态将被挤压式偏振控制器106改变，然后在取样光纤Bragg光栅107的各个波长处反射,各反射波长参数如图2所示。反射回光的偏振态会被取样光纤Bragg光栅107前的调节挤压式偏振控制器106再次旋转，经过光纤环形器2后注入到随后连接的光纤起偏器108。由于光纤起偏器108只允许特定线偏振态的光通过，因此当不同偏振态的光通过光纤起偏器108后会产生不同的偏振依赖损耗。根据激光振荡条件，单环传输损耗最低的波长可以激射。这里，每个波长的总损耗包括腔损耗和偏振依赖损耗。基于均匀展宽的稀土掺杂光纤的增益竞争效应，通过调节调节挤压式偏振控制器106来调整偏振依赖损耗，最终可以获得由取样光纤Bragg光栅107确定的三个波长之间的可切换激光。
无源眼型复合环腔滤波器模块中，第一光纤耦合器110的第一端口与光纤输入端口109连接，第一光纤耦合器110的第三端口空置，第一光纤耦合器110的第四端口与第二光纤耦合器111的第五端口连接，第二光纤耦合器111的第七端口与所述第三光纤耦合器112的第十端口连接，第二光纤耦合器111的第八端口与第四光纤耦合器113的第十三端口连接，第三光纤耦合器112第九端口空置，第三光纤耦合器112的第十一端口与第四光纤耦合器113的第十四端口连接，第四光纤耦合器113的第十五端口与第二光纤耦合器111的第六端口连接，第四光纤耦合器113的第十六端口与第一光纤耦合器110的第二端口连接，第三光纤耦合器112的第十二端口与光纤输出端114连接。
优选地，第一光纤耦合器110、第二光纤耦合器111、第三光纤耦合器112、第四光纤耦合器113均为2X2光纤耦合器，其分光比分别为70:30、99.99:0.01、99.99:0.01、70:30。
本发明中无源眼型复合环腔滤波器模块需要从主腔所产生的密集纵模中选出单纵模，这就对无源眼型复合环腔滤波器模块提出要求：其有效通带3dB带宽须为主腔纵模间隔的1～1.5倍，其有效自由光谱范围须为波长选择通道带宽的0.5～1倍，这样组成激光器时即可以实现任意波长切换下单纵模激光输出。
根据图2中给出的取样光纤Bragg光栅107各反射峰带宽，无源眼型复合环腔滤波器模块所形成的传输通带的有效自由光谱范围(FSReff)应该为取样光纤Bragg光栅107的反射带宽的0.5-1倍，由此在取样光纤Bragg光栅107的每个反射通带内只有无源眼型复合环腔滤波器的一个有效传输通带占优势。无源眼型复合环腔滤波器的有效自由光谱范围由该复合环腔内各次子腔的自由光谱范围(FSR)决定，FSR＝c/(nL),c为光速，n为折射率，L为各子腔腔长，根据游标效应，无源眼型复合环腔滤波器的FSReff为各次子腔自由光谱范围的最小公倍数。由图2可见取样光纤Bragg光栅107反射波长处的最大3dB透射带宽为0.16nm，由图3可见无源眼型复合环腔滤波器的FSReff为0.135nm，满足0.5-1倍反射带宽的要求。
本发明为长为L0的有源环形主腔设计一体化无源眼型复合环腔，则主腔对应的纵模间隔为Δνq＝c/(nL0),其中，c为光速，n为单模光纤纤芯折射率，于是一体化无源眼型复合环腔滤波器的一个有效自由光谱范围内的主透射峰的3dB带宽Δνc须为主腔纵模间隔的1-1.5倍，即Δνc＝(1～1.5)×Δνq。无源复合环腔的谱线宽度的计算公式为：Δνc＝cδ/(2πLc)，Lc为无源眼型复合环腔最长子腔的光纤长度，δ为无源眼型复合环腔的单程损耗，其中包括第一光纤耦合器110，第二光纤耦合器111，第三光纤耦合器112，第四光纤耦合器113的耦合分光比的损耗和各熔接点的熔接损耗。一般来说，激光器的有源主腔的腔长一般在10-15m左右，对应纵模间隔在20.8MHz-13.9MHz，本发明提出的眼型复合环腔滤波器模块的谱线宽度为26.38MHz,如图3所示，该谱宽满足1-1.5倍主腔纵模间隔的要求。
按照上述设计，本实施例所提出的无源眼型复合环腔滤波器可以满足主腔单纵模滤波的要求，可实现在2050nm波段的基于无源眼型复合环腔滤波器的三波长可切换单纵模激光输出。
综上，相较于现有技术，本发明至少具备以下优点：
1)本实施例使用取样光纤Bragg光栅，为2050nm波段提供了多波长选择通道。
2)本实施例可实现在2050nm波段三波长可切换单纵模激光输出。
3)本实施例中无源眼型复合环腔滤波器模块需要从主腔的密集纵模中选出单纵模，这就对眼型复合环腔滤波器模块提出要求：其有效通带3dB带宽须为主腔纵模间隔的1～1.5倍，其有效自由光谱范围须为波长选择通道带宽的0.5～1倍，这样组成激光器时即可以实现任意波长切换下单纵模激光输出。
4)本实施例激光器结构优势在于价格较低廉、灵活性高，通过优化眼型复合环腔滤波器模块中各子腔长度及光纤耦合器的耦合比，可以实现不同的滤波效果，尤其适用于关键滤波器件相对缺乏的2050nm波段光纤激光器的单纵模滤波。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (3)
1.一种可切换单纵模光纤激光器，其特征在于，包括：
主腔，无源眼型复合环腔滤波器模块；
其中，主腔包括：泵浦源、光纤合束器、掺铥光纤、光纤隔离器、光纤环形器、挤压式偏振控制器、取样光纤Bragg光栅、起偏器、光纤耦合器、光纤激光器输出端口；
所述泵浦源与所述合束器的泵浦输入端口连接，所述合束器的信号臂输出端口与所述掺铥光纤连接，所述掺铥光纤的输出与所述光纤隔离器的输入臂连接，光纤隔离器的输出端与所述光纤环形器的输入第一端口相连接，所述光纤环形器的输出第二端口与所述挤压式偏振控制器的输出端口连接，所述挤压式偏振控制器的输出端口连接所述取样光纤Bragg光栅，所述光纤环形器输出第三端口连接所述光纤起偏器的输入端口，所述光纤起偏器的输出端口与所述无源眼型复合环腔滤波器输入端口的连接，所述无源眼型复合环腔滤波器的输出端口与所述光纤耦合器的输入端口连接，所述光纤耦合器的输出臂与所述光纤合束器信号输入纤连接，所述光纤耦合器的输出臂作为可切换单纵模光纤激光器输出端。
2.根据权利要求1所述的可切换单纵模光纤激光器，其特征在于，所述无源眼型复合环腔滤波器模块，包括；
第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，第三光纤耦合器，第四光纤耦合器，光纤输入端口，光纤输出端口；
其中，所述第一光纤耦合器的第一端口与所述光纤输入端口连接，所述第一光纤耦合器的第三端口空置，所述第一光纤耦合器的第四端口与所述第二光纤耦合器的第五端口连接，所述第二光纤耦合器的第七端口与所述第三光纤耦合器的第十端口连接，所述第二光纤耦合器的第八端口与所述第四光纤耦合器的第十三端口连接，所述第三光纤耦合器第九端口空置，所述第三光纤耦合器的第十一端口与所述第四光纤耦合器的第十四端口连接，所述第四光纤耦合器的第十五端口与所述第二光纤耦合器的第六端口连接，所述第四光纤耦合器的第十六端口与所述第一光纤耦合器的第二端口连接，所述第三光纤耦合器的第十二端口与所述光纤输出端连接。
3.根据权利要求2所述的可切换单纵模光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器均为2X2光纤耦合器，其分光比依次为70:30、99.99:0.01、99.99:0.01、70:30。
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| CN202310529257.5A CN116799597A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种可切换单纵模光纤激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116799597A true CN116799597A (zh) | 2023-09-22 |
Family
ID=88035276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310529257.5A Pending CN116799597A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种可切换单纵模光纤激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116799597A (zh) |
-
2023
- 2023-05-11 CN CN202310529257.5A patent/CN116799597A/zh active Pending
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