CN212230769U - 一种单频窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种单频窄线宽光纤激光器包括1550nmDFB激光器、第一光纤耦合器、2×2光纤耦合器、掺铒光纤放大器、第一光隔离器、双包层铒镱共掺光纤放大器、第二光纤耦合器、带宽滤波器、第二光隔离器及偏振控制器，掺铒光纤放大器包括环形器、980nm泵浦激光器、波分复用器及反射镜。本实用新型采用于注入式有源双环腔结构，可获得单频、线宽为千赫兹级的窄线宽激光输出，输出为稳定且无跳模的单纵模激光。

Description

一种单频窄线宽光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种单频窄线宽光纤激光器。

背景技术

高稳定、窄线宽、中心波长位于1550nm的单频光纤激光器是应用于光纤传感与相干光通信系统的重要光源，为实现单频、窄线宽激光，光纤谐振腔设计是关键，复合型谐振腔(复合腔)基于Vernier效应进行腔内纵模选择，无需窄带滤波器就能实现单纵模激光输出，并且复合腔内采用长增益介质可提高激光器输出功率。然而，目前的复合腔光纤激光器普遍采用无源腔结构，输出激光频谱宽度大于兆赫兹；此外，无源长腔易受环境因素的干扰，激光器长期运行的稳定性不高，容易产生跳模现象。

实用新型内容

有鉴于此本实用新型提出了一种，以解决传统无源复合腔光纤激光器输出激光频谱宽度大于兆赫兹、长期运行的稳定性不高且容易产生跳模现象的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种单频窄线宽光纤激光器，包括1550nmDFB激光器、第一光纤耦合器、2×2光纤耦合器、掺铒光纤放大器、双包层铒镱共掺光纤放大器、第二光纤耦合器及偏振控制器，其中：

所述1550nmDFB激光器的输出端与所述第一光纤耦合器的1端口相连，所述第一光纤耦合器的3端口与所述2×2光纤耦合器的4端口相连，所述2×2光纤耦合器的3端口与所述第一光纤耦合器的2端口相连；

所述2×2光纤耦合器的2端口依次经所述掺铒光纤放大器、所述双包层铒镱共掺光纤放大器与所述第二光纤耦合器的1端口相连，所述第二光纤耦合器的2端口依次经所述偏振控制器的输入端、所述偏振控制器的输出端与所述2×2光纤耦合器的1端口相连，所述第二光纤耦合器的3端口作为所述单频窄线宽光纤激光器的输出端口。

可选的，所述掺铒光纤放大器包括环形器、980nm泵浦激光器、波分复用器及反射镜，所述环形器接入所述2×2光纤耦合器的2端口与所述双包层铒镱共掺光纤放大器之间；

所述环形器的1端口与所述2×2光纤耦合器的2端口相连，所述环形器的3端口与所述双包层铒镱共掺光纤放大器的输入端相连；

所述波分复用器的两复用端分别连接所述980nm泵浦激光器、所述环形器的2端口，所述波分复用器的公共端经掺铒光纤连接所述反射镜。

可选的，所述单频窄线宽光纤激光器还包括第一光隔离器，所述第一光隔离器接入所述环形器与所述双包层铒镱共掺光纤放大器之间；

所述环形器的3端口与所述第一光隔离器的输入端相连，所述第一光隔离器的输出端与所述双包层铒镱共掺光纤放大器的输入端相连。

可选的，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器。

可选的，所述单频窄线宽光纤激光器还包括带宽滤波器，所述带宽滤波器接入所述第二光纤耦合器的2端口与所述偏振控制器之间；

所述第二光纤耦合器的2端口与所述带宽滤波器的输入端相连，所述带宽滤波器的输出端与所述偏振控制器的输入端相连。

可选的，所述单频窄线宽光纤激光器还包括第二光隔离器，所述第二光隔离器接入所述带宽滤波器与所述偏振控制器之间；

所述带宽滤波器的输出端与所述第二光隔离器的输入端相连，所述第二光隔离器的输出端与所述偏振控制器的输入端相连。

可选的，所述第二光纤耦合器为耦合系数可调的光纤耦合器。

本实用新型的单频窄线宽光纤激光器相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本实用新型的单频窄线宽光纤激光器采用于注入式有源双环腔结构，可获得单频、线宽为千赫兹级的窄线宽激光输出，输出为稳定且无跳模的单纵模激光；

(2)本实用新型的第一级掺铒光纤放大器采用双程结构，环形器和反射镜使光信号两次通过掺铒光纤然后输出，降低了引入的噪声、提高了放大效果，提高了第一级掺铒光纤放大器的增益，同时降低了噪声系数。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的单频窄线宽光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例的单频窄线宽光纤激光器包括1550nmDFB激光器、第一光纤耦合器、2×2光纤耦合器、掺铒光纤放大器、第一光隔离器、双包层铒镱共掺光纤放大器、第二光纤耦合器、带宽滤波器、第二光隔离器及偏振控制器，掺铒光纤放大器包括环形器、980nm泵浦激光器、波分复用器及反射镜，其中：

1550nmDFB激光器的输出端与第一光纤耦合器的1端口相连，第一光纤耦合器的3端口与2×2光纤耦合器的4端口相连，2×2光纤耦合器的3端口与第一光纤耦合器的2端口相连；

波分复用器的两复用端分别连接980nm泵浦激光器、环形器的2端口，波分复用器的公共端经掺铒光纤连接反射镜；

环形器的1端口与2×2光纤耦合器的2端口相连，环形器的3端口与第一光隔离器的输入端相连，第一光隔离器的输出端与双包层铒镱共掺光纤放大器的输入端相连，双包层铒镱共掺光纤放大器的输出端与第二光纤耦合器的1端口相连，第二光纤耦合器的2端口与带宽滤波器的输入端相连，带宽滤波器的输出端与第二光隔离器的输入端相连，第二光隔离器的输出端与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与2×2光纤耦合器的1端口相连，第二光纤耦合器的3端口作为单频窄线宽光纤激光器的输出端口。

其中，1550nmDFB激光器为中心波长为1550nm、最高功率为5mW、线宽为3MHz的半导体DFB激光器；第二光纤耦合器为耦合系数可调的光纤耦合器，其耦合系数为r；波分复用器为980/1550nm波分复用器；带宽滤波器的中心波长为1550nm、带宽为1.2nm。

本实施例的单频窄线宽光纤激光器谐振腔为由图1中左侧子环腔及右侧主环腔经过2×2光纤耦合器连接而成的注入式有源双环腔。1550nmDFB激光器作为主振荡种子源，经过第一光纤耦合器注入子环腔内，使双环腔成为有源腔。子环腔长度约为0.2m，在无外来种子激光器注入的条件下，由于Vernier效应，双环腔的自由振荡频率间隔约为1GHz。主环腔内包含两级光放大器，分别为第一级掺铒光纤放大器和第二级双包层铒镱共掺光纤放大器，前者由单模半导体激光器抽运掺铒光纤实现，后者经两个多模半导体激光器抽运双包层铒镱共掺光纤获得，双包层多模抽运光放大器可提供的光增益远大于单包层单模抽运光放大器，两级光放大器的增益大小主要由第二级决定，即由多模抽运激光器驱动电流大小决定，两级放大器提供的可调光增益系数最高达38dB。采用两级光放大结构，有利于实现更高的激光功率。通过控制980nm泵浦激光器、掺铒光纤放大器及双包层铒镱共掺光纤放大器等3个抽运激光器驱动电流，监控每一级光放大器输出功率和调节第二光纤耦合器的腔内耦合系数r来实现主环腔内的增益控制。主环腔内设有一个偏振控制器，用于对腔内激光偏振态进行控制。两级光放大器之间通过第一光隔离器抑制后向反射光的影响。通过偏振控制器与带宽滤波器之间的第二光隔离器确保主环腔内激光沿单向传输，避免空间烧孔效应。带宽滤波器用于实现粗选模和ASE噪声抑制。

第一级掺铒光纤放大器采用双程结构，激光信号依次经环形器的1端口、2端口进入波分复用器，波分复用器输出的光信号先进入掺铒光纤进行第一次放大，第一次放大后的光信号依次经反射镜反射再次进入掺铒光纤进行第二次放大，最后依次经环形器的2端口、3端口到达第一光隔离器。其中，环形器和反射镜使光信号两次通过掺铒光纤然后输出，降低了引入的噪声、提高了放大效果，提高了第一级掺铒光纤放大器的增益，同时降低了噪声系数。

本实施例光纤激光器的单频运行条件取决于双环腔内增益系数、振荡频率与外注入种子激光器功率和波长之间的匹配情况，即存在一种注入锁定状态，使得双环腔内位于种子激光谐振频率附近的激光模式将获得最大增益，优先形成振荡输出，整个激光器的谐振频率将最终稳定于种子激光器的波长上。激光器的窄线宽运行条件由第一级放大器中掺铒光纤内的空间烧孔效应决定：主环腔内激光与有源子环腔的种子激光相向传输，二者相互作用，在掺铒光纤内产生了动态增益光栅效应，进一步抑制多模振荡、压窄激光光谱带宽。

本实施例以注入种子激光中心波长为1550nm、功率为5mW、r为10％、单模抽运激光器功率为300mW进行实验验证，实验结果表明，通过双环复合腔选模、增益控制以及光注入相结合的方法，获得了中心波长位于1550nm、输出功率为36dBm、线宽为7kHz的单频窄线宽激光，从而激光器输出功率为瓦级，信噪比为40dB，功率和波长稳定性高。

实验中，主环腔内两级光放大器直接放大产生的宽带光谱带宽达20nm，在种子激光注入腔内之后，通过增益控制实现双环腔与种子激光器的共振并达到波长一致(1550nm)时即实现了注入锁定。达到注入锁定后，激光光谱中心波长始终位于种子激光中心波长(1550nm)处，并且光谱宽度随抽运光功率的增加而减小，光功率则随抽运光功率的增加而变大。当r为10％、种子激光器功率为5mW时，本实施例的注入式有源双环腔激光器可获得信噪比为40dB的输出。

实验验证，当两个多模抽运驱动电流分别达到最大值3A时(对应单个多模抽运功率为2W)，激光器输出可达到最大值36dBm。相同抽运驱动电流条件下，不同的r对应不同的带宽以及输出功率，并且存在一个最佳r使得激光器的输出带宽达最小值，如对于3A多模抽运驱动电流，r分别取10％和80％时激光器输出带宽达最小值0.01nm。当r为10％时，激光器运行于单频振荡模式，中心频率的频谱线宽为7.1kHz左右，整个频谱范围内没有出现频率噪声抖动现象，激光器输出功率稳定。激光器达到单频锁定条件主要通过对有源环腔内进行增益控制，抑制多纵模振荡效应来实现。本实施例中的有源双环腔激光器在注入的种子激光器光强与无源双环腔内激光强度的比值为-29dB的条件下，实现了单频锁定运行，并且比值越大(即注入种子激光器光功率越高)，越容易实现与种子激光器中心波长一致的锁定态激光振荡输出。当注入种子激光功率为5mW、中心波长为1550nm时，采用最大抽运光功率时(单模LD最大功率为300mW，单个多模LD功率最大为2W)，获得的激光器最大输出功率达36dBm。在整个测试过程中，激光器中心波长位于1550nm，信噪比为40dB，两小时测试时间内光谱中心波长漂移小于0.01nm，功率的抖动小于0.1％。

这样本实施例通过主环腔内增益控制以及子环腔光注入方法，在低注入强度下达到锁定条件，获得了单频、线宽为7.1kHz的窄线宽激光输出。激光器最大输出光功率为36dBm，信噪比为40dB，激光振荡频率可通过改变种子激光器中心波长进行调谐。在注入锁定态下，激光器输出为稳定、无跳模的单纵模激光，波长漂移和功率抖动分别小于0.01nm和0.1％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括1550nmDFB激光器、第一光纤耦合器、2×2光纤耦合器、掺铒光纤放大器、双包层铒镱共掺光纤放大器、第二光纤耦合器及偏振控制器，其中：

所述1550nmDFB激光器的输出端与所述第一光纤耦合器的1端口相连，所述第一光纤耦合器的3端口与所述2×2光纤耦合器的4端口相连，所述2×2光纤耦合器的3端口与所述第一光纤耦合器的2端口相连；

所述2×2光纤耦合器的2端口依次经所述掺铒光纤放大器、所述双包层铒镱共掺光纤放大器与所述第二光纤耦合器的1端口相连，所述第二光纤耦合器的2端口依次经所述偏振控制器的输入端、所述偏振控制器的输出端与所述2×2光纤耦合器的1端口相连，所述第二光纤耦合器的3端口作为所述单频窄线宽光纤激光器的输出端口。

2.如权利要求1所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器包括环形器、980nm泵浦激光器、波分复用器及反射镜，所述环形器接入所述2×2光纤耦合器的2端口与所述双包层铒镱共掺光纤放大器之间；

所述环形器的1端口与所述2×2光纤耦合器的2端口相连，所述环形器的3端口与所述双包层铒镱共掺光纤放大器的输入端相连；

所述波分复用器的两复用端分别连接所述980nm泵浦激光器、所述环形器的2端口，所述波分复用器的公共端经掺铒光纤连接所述反射镜。

3.如权利要求2所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，还包括第一光隔离器，所述第一光隔离器接入所述环形器与所述双包层铒镱共掺光纤放大器之间；

所述环形器的3端口与所述第一光隔离器的输入端相连，所述第一光隔离器的输出端与所述双包层铒镱共掺光纤放大器的输入端相连。

4.如权利要求2所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器。

5.如权利要求1所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，还包括带宽滤波器，所述带宽滤波器接入所述第二光纤耦合器的2端口与所述偏振控制器之间；

所述第二光纤耦合器的2端口与所述带宽滤波器的输入端相连，所述带宽滤波器的输出端与所述偏振控制器的输入端相连。

6.如权利要求5所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，还包括第二光隔离器，所述第二光隔离器接入所述带宽滤波器与所述偏振控制器之间；

所述带宽滤波器的输出端与所述第二光隔离器的输入端相连，所述第二光隔离器的输出端与所述偏振控制器的输入端相连。

7.如权利要求1所述的单频窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤耦合器为耦合系数可调的光纤耦合器。

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