TWI398059B

TWI398059B - 單縱模線性共振腔光纖雷射裝置

Info

Publication number: TWI398059B
Application number: TW99101884A
Authority: TW
Inventors: Shien Kuei Liaw; Shiang Wang
Original assignee: Univ Nat Taiwan Science Tech
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2013-06-01
Also published as: TW201126849A

Description

單縱模線性共振腔光纖雷射裝置

本發明關於一種光纖雷射裝置，特別係有關於一種單縱模線性共振腔光纖雷射裝置。

隨著光纖通訊的需求日益增加，光纖元件也逐漸受到重視，而光纖元件中最重要的即為雷射光源。

雷射最基本的三個組成，為一個共振腔(cavity)，並在共振腔內提供一個增益介質(gain medium)與泵激光源(pump LD)，光纖雷射是以摻鉺光纖放大器做為基礎，使用摻鉺光纖做為增益介質，並搭配光纖光柵與光反射元件來構成共振腔，因此摻鉺光纖雷射架構簡單，且全光纖(all fiber)型結構是其優點，可與光纖相容性高，相對於半導體雷射而言較能夠適應惡劣的工作環境，例如：高溫、高振動、高衝擊和戶外環境。

一般而言，在使用光頻譜分析儀分析時，受限於解析度(resolution)的影響，在測量輸出雷射的線寬時，往往會造成數據上的誤差，而造成量測上的不正確性。一種電頻譜分析儀(electronic spectrum analyzer,ESA)可用來分析輸出訊號，其係將雷射光轉換為電頻譜來分析，不僅得以提升數據的正確性，在優化線性型光纖雷射裝置上，可以清楚的觀測訊號是否為單頻(single frequency)雷射光源。

舉例而言，儀器型號為Agilent 71200C的電頻譜分析儀，其係採用延遲自同差(delayed self-homodyne,DSH)的方式來分析線寬，它的頻率範圍可達22GHz，因此可做非常精密的分析量測，並且其優點在於操作簡易、可以量測極小的雷射線寬，且無需額外的雷射光源當作參考頻率，對於線寬極窄的光纖雷射來說是相當適合的分析技術。

經由頻率與波長的關係式中計算出在光頻譜分析儀所量測而得的光纖雷射線寬約5GHz左右。將相同的光纖雷射裝置輸出至電頻譜儀上觀測，其雷射頻譜範圍大約只有1GHz左右，因此必須由電頻譜分析儀來做更深入的分析。

有關光纖雷射的研究相當的多，這些研究無非是要改良以往架構的缺點。在早期的研究裡，光纖元件並不像現在的精密，造成光纖雷射輸出的特性不佳。近年來光通訊產業的蓬勃發展，光纖元件的特性已大幅的改良，在架構上也隨著元件的特性而改變，使得雷射的輸出特性也相對的提升。傳統的光纖雷射架構包括雙光纖光柵式光纖雷射、光循環器式光纖雷射與寬頻鏡面式光纖雷射。

其中雙光纖光柵式光纖雷射在共振腔端面是以光纖光柵來作為反射端面，光纖光柵會將符合布拉格條件的波長反射至共振腔中，因此在架構上使用兩個光纖光柵作為反射端面，必須將雙光纖光柵的反射波長相互對準，才能達到最佳的雷射輸出結果，十分的困難。再者，兩個光纖光柵的反射波長為固定波長，若要改變輸出雷射的中心波長，就必須同時改變兩個光纖光柵的反射波長才能達到波長可調的雷射輸出，也降低了架構的使用性。

光循環器式光纖雷射受限於光循環器的工作波段，一般市售的光循環器普遍多在C+L頻帶(band)，對於光纖雷射的工作波段已足夠，但是對於泵激光源卻無法有效的導回共振腔之中再度利用，後向泵激光纖雷射架構尤其明顯，如此便會造成功率的損耗。寬頻鏡面式光纖雷射架構中，寬頻譜反射鏡的售價較高，因此增加了架構組成上的費用。

此外，摻鉺光纖雷射的架構可分為線性型與環型兩種架構，其中線性型摻鉺光纖雷射結構簡單，且共振腔長度較短，在自由頻譜範圍方面較環型摻鉺光纖雷射架構優越，環型摻鉺光纖雷射所使用的元件較多，成本相對提高，共振腔長度較長也會造成功率擾動的現象。

在光纖通訊中，最重要的元件之一即為雷射光源，而單縱模光纖雷射(single-longitudinal-mode fiber laser)意指輸出雷射僅有單一頻率的模態，它具有窄的雷射線寬、模態影響性小、雜訊低和輸出雷射穩定之優點，對於需要高速度與長距離傳輸的光纖通訊(fiber-optic communication)、有線電視(Community Antenna Television,CATV)系統、光纖感測(fiber sensor)方面，或是高解析度的光譜量測等都有很好的應用。目前產生單縱模光纖雷射有許多不同的技術，已知的方法有下列幾種：(1).短共振腔法：當一個雷射共振腔非常短時，會使得雷射模態間的頻率間距變寬，當頻率間距大於輸出雷射的增益頻寬時，就能使共振腔中只有單一縱模在腔內振盪；(2).環型共振腔法：在線性型光纖雷射的共振腔中，光波會以駐波的形式在共振腔中傳遞，造成模態的不穩定。若是將共振腔設計成環形結構，能使光波用行進波的方式讓光以單一方向傳遞，能夠減少模態間的影響，使雷射以單縱模的形式輸出，目前一般多是以此方式作為基礎架構；(3).標準具法：在雷射共振腔中，加入一個合適的光學標準具(Eatlon)，例如Fabry-Prot干涉儀，能夠抑制雷射旁模的產生，只允許特定的雷射縱模通過標準具在腔內振盪；(4).濾波片法：在雷射共振腔中加入濾波片，旋轉其角度，使得雷射產生相位延遲，當雷射輸出的模態頻率間距大於增益頻寬，便能讓雷射以單縱模的形式輸出。

然而，目前單縱模光纖雷射的研製多是以環型架構為主，甚少探討線性型光纖雷射，因此本發明提供一新穎之線性共振腔單縱模光纖雷射裝置，其為習知技術所未提及的架構與無法比擬者，並且可以有效地形成單縱模光纖雷射。

為了克服習知技術問題，本發明提供一種單縱模光纖雷射裝置，以達到單縱模線性共振腔光纖雷射之目的。

本發明之目的係提供一種光循環器共振腔式單縱模光纖雷射裝置，所述單縱模光纖雷射裝置係利用多重環形共振腔元件，以達到單縱模光纖雷射之目的。

本發明之另一目的係提供一種寬頻鏡面式單縱模光纖雷射裝置，所述單縱模光纖雷射裝置係利用多重環形共振腔元件，以達到單縱模光纖雷射之效果。

本發明之再一目的係提供一種吸收體型單縱模光纖雷射裝置，所述單縱模光纖雷射裝置係利用吸收體元件，以達到單縱模光纖雷射之效果。

本發明之又一目的係提供一種混合型單縱模光纖雷射裝置，所述單縱模光纖雷射裝置係利用吸收體元件配合多重環形共振腔元件，以達到單縱模光纖雷射之效果。

本發明所揭露之一種單縱模線性共振腔光纖雷射裝置，包括：一段光纖元件；一分波多工器，連接一段光纖元件；一泵激光源，耦合分波多工器；至少一多重環形共振腔元件，耦合分波多工器，以利於抑制雷射旁模，而產生單縱模光纖雷射；以及一光纖光柵元件當作共振腔端面部分反射鏡。

根據本發明另一觀點，揭露一種單縱模線性共振腔光纖雷射裝置，包括：一段光纖元件；一分波多工器，連接一段光纖元件；一泵激光源，耦合該分波多工器；一吸收體元件，耦合分波多工器，以利於抑制雷射旁模，而產生單縱模光纖雷射；以及一光纖光柵元件當作共振腔端面部分反射鏡。

根據本發明又一觀點，揭露一種單縱模線性共振腔光纖雷射裝置，包括：一段光纖元件；一分波多工器，連接一段光纖元件；一泵激光源，耦合分波多工器；一吸收體元件與一多重環形共振腔元件，其中吸收體元件耦合分波多工器，以利於抑制雷射旁模，而產生單縱模光纖雷射；以及一光纖光柵元件當作共振腔端面部分反射鏡。

其中多重環形共振腔元件包括一第一光耦合器、一第二光耦合器與一光循環器，其中第一光耦合器、第二光耦合器與光循環器依序配置於一環形共振腔中以形成二道以上不同長度光路徑。

本發明之單縱模線性共振腔光纖雷射裝置更包含一光循環器或一寬頻光纖鏡面，當作後端鏡面耦合光纖元件。

本發明主要係針對線性型光纖雷射的共振腔之中加入光學元件，利用元件的特性來作模態抑制，設計一套低成本、簡單與高穩定度的線性共振腔單縱模光纖雷射架構。

請參照第一圖，其顯示光循環器式光纖雷射裝置之示意圖。在第一圖中，光循環器式光纖雷射裝置100係包括光循環器101、摻鉺光纖(EDF)102、分波多工器103、光纖光柵(FBG)104、泵激雷射(PUMP-LD)107、光頻譜分析儀105、光檢測器(photo-detector)108以及電頻譜分析儀106。其中共振腔長度可以為2公尺或其他尺寸，泵激光源波長為1480nm或980nm。摻鉺光纖102分別連接光循環器101以及分波多工器103，分波多工器103連接光纖光柵104與泵激雷射107。光循環器101係用為共振腔之一端面並定為殘餘泵激功率之回收再使用。光纖光柵104可為波長可調或固定波長，以當作共振腔端面部分反射鏡。

光循環器式光纖雷射裝置100係透過分波多工器103將泵激光源送入摻鉺光纖102中，以對共振腔中的訊號作放大。光循環器式光纖雷射裝置100的輸出波長係由光纖光柵104的反射波長所決定，並經由光纖光柵104的穿透端取出雷射信號，因此單縱模光纖雷射的輸出功率、輸出雷射線寬及雷射輸出旁模抑制比係受到光纖光柵性能的影響。

光循環器式光纖雷射裝置100含內建光隔離器，以確保泵激光源不會反射回泵激雷射107輸出端而造成其損壞。泵激光源經過摻鉺光纖102產生增益效果，再耦合進入光循環器101的第2埠，藉由光循環器的光學特性，將第2埠輸入的雷射光耦合至第3埠。而且，將光循環器101第3埠與第1埠接續在一起，雷射光即可由第3埠耦合入第1埠，再經由第1埠耦合進入第2埠，以再經過摻鉺光纖102一次而增加雷射光源之放大效果。

經過摻鉺光纖102兩次放大後的雷射光進入分波多工器103後，利用分波多工的原理，此時在1550波段的雷射光將會與泵激光源所提供的1480nm的泵激光源分離，反之亦然。經摻鉺光纖102放大的雷射光將進入光纖光柵104中，且由於雷射光已經過兩次的放大強度已經被增強，所以經由光纖光柵104反射部分雷射光回共振腔後，在光纖光柵104的穿透端亦可以取得所需要的雷射光，由光纖光柵104穿透端取出之雷射光波長將與光纖光柵的反射波長相同。

當泵激光源第一次經過摻鉺光纖102時，尚有光功率未被摻鉺光纖102所吸收。此時，未被摻鉺光纖102吸收的光功率將依序經由光循環器101之第2埠、第3埠與第1埠，再次進入摻鉺光纖102中，以提高泵激光源的使用效率，並同時提高摻鉺光纖102所能提供的整體效益。

請參照第二與第三圖，其分別顯示光循環器式光纖雷射裝置於光頻譜分析儀與電頻譜分析儀之輸出頻譜。如第三圖所示，在光循環器式與寬頻鏡面式光纖雷射裝置中，所產生的雷射線寬是非常寬的。因此，本發明嘗試在共振腔中加入改善因子，來改善雷射旁模的影響。舉一實施例而言，本發明利用多重環形共振腔結構加入原有的雷射共振腔中，以改變原有共振腔縱模的分佈，使雷射以單縱模的形式輸出。

如第二圖所示，其中光循環器式光纖雷射裝置係在下述環境下做量測：3m摻鉺光纖，光纖光柵的中心波長為1550nm、反射率約50%，泵激光功率固定以50mW輸出。從第二圖中可以看出利用光譜儀(Optical Spectrum Analyzer，簡稱OSA)量得之雷射輸出功率為7.29mW、訊雜比為56.56dB，而臨界功率為3.22mW。

實驗數據得知增益介質使用約3m摻鉺光纖102，以及使用後向泵激來激發摻鉺光纖102，具有最佳的輸出雷射功率。因此，在製作單縱模光纖雷射裝置時，可使用3m摻鉺光纖102的後向泵激光纖雷射裝置做為基礎的改善裝置。換言之，本發明可以利用光循環器式光纖雷射裝置做基礎裝置。在此裝置中，使用光循環器當作共振腔的反射面如同近環型雷射(quasi-ring laser)，可讓雷射光單一方向前進，對於逆向訊號有阻絕的作用，對於單縱模光纖雷射的製作比寬頻鏡面式光纖雷射有更佳的模態穩定性。在此裝置中，輸出的光纖雷射接到電頻譜分析儀106上來做量測，而量測之前先經過光檢測器108以進行光電轉換。基於電頻譜分析儀106所能承受的功率較低，所以在光檢測器108之前可連接一個衰減器(例如10dB)以防止光檢測器108的損毀。

請參照第二與第三圖，由上述圖可以發現光頻譜分析儀105與電頻譜分析儀106的差異，實際上光纖雷射頻譜還存在許多旁模的影響，是光頻譜分析儀105所無法量測，而光纖雷射經過電頻譜分析儀106降頻後，頻譜大約分散在1GHz左右的範圍。本發明將藉由底下之架構來改善上述旁模的影響。

首先，本發明之單縱模光纖雷射之設計可參考底下方程式(1)來完成。縮短共振腔的長度會使雷射模態間的頻率間距變寬，兩相鄰的頻率間隔定義為自由頻譜範圍。

其中n 為光纖的折射係數，L _m 為共振腔的長度。由方程式(1)中可以發現，自由頻譜範圍(FSR _m )與共振腔長度呈一反比關係。換言之，共振腔長度越短則自由頻譜範圍就越寬。然而在本發明之單縱模光纖雷射裝置(例如摻鉺光纖雷射裝置)中，共振腔長度為一定值，而共振腔中尚有許多元件，部分元件所連接的光纖長度無法隨意縮短，因此本發明使用一種被動式的外接子環形共振腔(sub-ring cavity)加入原有的雷射共振腔中，來改變自由頻譜範圍，上述被動元件稱為多重環型共振腔(multiple ring cavity,MRC)。

請參照第四圖，其顯示單環之環型共振腔光循環器式光纖雷射架構或裝置200之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入一個多重環形共振腔元件111，其耦合分波多工器103與光纖光柵104。舉例而言，子環形共振腔的長度為2m，估算一下自由頻譜範圍約為100MHz。一極化控制器110可以用來控制光的極化方向並增加輸出雷射光的穩定度，其中增加極化控制器110之後與沒增加前的裝置功率相差大約為0.13dBm。換言之，增加多重環形共振腔元件111之後，雷射輸出功率方面大約下降了0.81mW，變成6.48mW，而訊雜比為56.28dB，約下降0.28dB，在增加光學元件的情況下，這些功率的差距是在可以接受的範圍。

舉一實施例而言，本發明之多重環形共振腔元件111之結構可以選用元件為2×2光耦合器111a、分光比為50/50，如第五圖所示。其製作方式係將其中兩端回接，另兩端接至原先的線性型光纖雷射共振腔當中，而光耦合器111a相接的兩端便成為一子環形共振腔111b，子環形共振腔111b長度為兩端相接的單模光纖長度。經由這樣的設計方式，能夠改變原本雷射共振腔的自由頻譜範圍，其原因在於，子環形共振腔的長度與原先的光纖雷射裝置共振腔長度相比短許多，在兩個自由頻譜範圍的相互影響下，即能改變整個共振腔中整體自由頻譜範圍。舉例而言，增加子環形共振腔的數量或縮短子環形共振腔的長度，都能夠有效的將頻率間距變得更寬，而當頻率間距超過了光纖雷射輸出的增益範圍，便能夠形成單縱模光纖雷射。

在光頻譜分析儀105中，頻譜並無太大的改變，然而在電頻譜分析儀106中，就可以很明顯的發現到加入一個多重環形共振腔元件111的作用。如第六圖所示，部分的雷射旁模已受到抑制，估算子環形共振腔所能造成的自由頻譜範圍約100MHz，因此從圖中可以觀察到電頻譜分析儀106上頻率約為100MHz倍數之處才會有雷射縱模的產生。從本此實施中可知，採用一個多重環形共振腔元件所產生的雷射縱模數目為複數個，且其數目比未採用多重環形共振腔元件所產生的雷射縱模之數目少許多。

請參照第七圖，其顯示多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構300之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入雙環之環型共振腔元件111與112，其左右串接極化控制器110與光纖光柵104。基於上述架構產生複數個雷射縱模，還未達到單縱模光纖雷射的效果。因此，在第七圖之多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構300中，嘗試再加入另一個多重環形共振腔元件112來改善光纖雷射效果。類似地，多重環形共振腔元件112之結構可以選用元件為2×2光耦合器、分光比為50/50。舉例而言，第一個子環形共振腔長度為2m，第二個子環形共振腔長度為2.2m。在此實施例中，光頻譜分析儀105上的功率變化，經過兩個多重環形共振腔之後，功率下降至4.72mW，訊雜比下降至54.6dB。而在電頻譜分析儀106上，可以觀察到兩個多重環形共振腔元件111與112所造成的影響，在兩個子環形共振腔各有不同的自由頻譜範圍相互影響下，換算成自由頻譜範圍大約為100MHz與92MHz，兩者取公倍數可以得到大約為580MHz的自由頻譜範圍，如第八圖所示。在第八圖中，可以看出在電頻譜分析儀106上只有兩個子環形共振腔公倍數的雷射縱模輸出。從本實施例中可知，採用二個多重環形共振腔元件可以有效地抑制雷射旁模的產生。

從上述二個實施例可知，採用多重環形共振腔元件除了可以減少雷射縱模之數目之外，還可以有效地抑制雷射旁模的產生。惟，其若要達到單縱模光纖雷射，需要將雷射旁模全部抑制。在前述兩個裝置實驗中已證實使用多重環形共振腔元件加入原有的雷射共振腔中確實能抑制雷射旁模的產生，在接下來之實施例中，再加入一個多重環形共振腔元件113來改善雷射效果，如第九圖所示。類似地，多重環形共振腔元件113選用元件為2×2光耦合器、分光比為50/50。

請參照第九圖，其顯示多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構400之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入二個多重環形共振腔元件111、112與113，其串接極化控制器110與光纖光柵104。從上述可知在加入兩個多重環形共振腔元件111、112之後的雷射旁模個數已經非常少，在本時施例中嘗試再加入第三個多重環形共振腔元件113以作進一步更佳的旁模抑制。舉例而言，加入的第三個子環形共振腔元件113之長度為3.5m，在三個多重環形共振腔元件111、112與113的相互影響下，自由頻譜範圍已超過輸出雷射的增益範圍，在電頻譜分析儀106上所觀測到的雷射旁模影響已經完全消失，如第十圖所示，如此即產生一極佳的單縱模光纖雷射。

在光頻譜分析儀105中所觀測的雷射輸出功率已由7.29mW下降至3.05mW，約下降4.24mW，訊雜比則從56.56dB下降至52.64dB，大約差距3.92dB，在增加光學元件的情形下，功率差是尚可接受的範圍。

綜合上述，從本發明之上述實施例中可知，加入三個子環形共振腔元件於光循環器式光纖雷射裝置中，可以完全抑制雷射旁模的產生，而產生一極佳的單縱模光纖雷射。值得注意的是上述僅為本發明之一實施例，本發明不限定子環形共振腔元件的個數，其他個數子環形共振腔元件及/或搭配其他光學元件亦可以得到單縱模光纖雷射。舉一實施例而言，多重環形共振腔元件120選用4×4光耦合器120a，包括三個不同長度的子環形共振腔120b之回接，串接4×4光耦合器120a，其分光比端視應用情形而定，如第十一圖所示。在此實施例中，係利用增加子環形共振腔的數量，以有效將頻率間距變得更寬，而當頻率間距超過了光纖雷射輸出的增益範圍，即可形成單縱模光纖雷射。在另一實施例中，多重環形共振腔元件130選用二個2×2光耦合器130a與130b以及一個光循環器130c，包括不同長度路徑的多重子環形共振腔，以有效的將頻率間距變得更寬。2×2光耦合器130a與130b分光比為50/50或其他比率，如第十二圖所示。2×2光耦合器130a與130b以及光循環器130c之第1埠與第2埠串接於多重子環形共振腔之中以形成第一光路徑130d，而2×2光耦合器130a與130b以及光循環器130c之第2埠與第3埠串接於多重子環形共振腔之中以形成第二光路徑130e。在此實施例中，基於光循環器130c之作用而產生不同路徑的多重子環形共振腔130d、130e，結果得以有效的將頻率間距變得更寬。同樣地，當頻率間距超過了光纖雷射輸出的增益範圍，可形成單縱模光纖雷射。

請參照第十三圖，其為本發明之另一實施例之寬頻鏡面式(BFM)光纖雷射裝置150，其與前述光循環器式光纖雷射裝置所用元件與參數大部分相同，不同之處在於其中一端的反射面以寬頻譜反射鏡151代替，因此其詳細運作方式與元件之間的連結關係不再贅述。寬頻譜反射鏡151耦合摻鉺光纖102。實驗結果顯示於光頻譜分析儀105上所觀測在泵激光源50mW的雷射輸出情形之下，雷射輸出功率為7.96mW，訊雜比為57.68dB，臨界功率為3.12mW，其比光循環器式光纖雷射的輸出雷射較佳。而以相同的裝置輸出至電頻譜分析儀106上做分析，在電頻譜分析儀106中可以看出雷射依然有許多旁模的影響，因此需要加入多重環型共振腔來抑制這些模態的影響。

請參照第十四圖，其顯示多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構250之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入一個多重環形共振腔元件111。第一個多重環形共振腔為2m，將它加入原有的雷射共振腔中，並加入一極化控制器110來穩定雷射輸出，而加入一極化控制器110的功率差經測量約為0.05dBm，對於輸出雷射的影響性非常的小，在雷射輸出功率變化上，經過一個多重環形共振腔後輸出功率變為6.43mW，約下降1.53mW，訊雜比為56.28dB。在電頻譜分析儀106上可以發現旁模的影響已減少很多；在2m的子環形共振腔的影響下，模態間的自由頻譜範圍已經受到改變。

請參照第十五圖，其顯示多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構350之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入二個多重環形共振腔元件111與112。類似地，在加入第二個多重環形共振腔之後，雷射輸出功率降為5.27mW，訊雜比為55.44dB。而在電頻譜分析儀106中可以發現，旁模的影響已經銳減為一個雷射縱模輸出。

然而，要達到單縱模光纖雷射仍需再將旁模影響降到最低。因此，再加入一個多重環形共振腔元件113，來抑制旁模的影響。請參照第十六圖，其顯示多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構450之示意圖，其係在上述架構之共振腔中加入二個多重環形共振腔元件111、112與113。經由光頻譜分析儀105與電頻譜分析儀106的頻譜分析，結果與光循環器式光纖雷射相似，在加入三個多重環形共振腔之後，雷射的旁模影響已完全抑制，因此可製成單縱模光纖雷射裝置450。在比較雷射功率輸出方面，經過三個多重環形共振腔後，輸出功率為3.82mW，而尚未改善裝置的雷射輸出功率為7.96mW，大約下降了4.14mW；在訊雜比方面，未加入多重環形共振腔的訊雜比為57.68dB，而改善裝置的訊雜比為53.76dB，差距大約3.92dB。

前述的實施例當中，可以了解共振腔長度確實會對輸出雷射產生影響。

本發明所使用的裝置，在尚未優化前的共振腔來回長度分別是：光循環器式光纖雷射裝置約為14m，寬頻鏡面式光纖雷射約為13m，經由計算後可以得到自由頻譜範圍分別約為14MHz與15MHz。在加入三個多重環型共振腔後，則多重環型共振腔型光循環器式單縱模光纖雷射裝置的主要共振腔長度約為20m，而多重環型共振腔型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射裝置的主要共振腔長度約為19m，自由頻譜範圍分別約為10MHz與11MHz，而三個子環形共振腔的長度分別為2、2.2和3.5m，其個別的自由頻譜範圍約為100MHz、92MHz和57MHz。由於主要共振腔的自由頻譜範圍遠小於子環型共振腔的自由頻譜範圍，所以在計算自由頻譜範圍時皆以三個子環型共振腔為主。由上述實驗中光纖雷射的輸出頻譜範圍大約有1GHz左右，所以在加入第一個子環型共振腔(自由頻譜範圍約為100MHz)還無法有效抑制所有雷射旁模的影響；加入第二個子環型共振腔(自由頻譜範圍約為92MHz)之後，自由頻譜範圍會因為兩個共振腔互相影響下，呈現一個公倍數的關係，自由頻譜範圍大約為580MHz。雖然已經抑制了大部分模態的產生，但是在雷射增益範圍中仍然有縱模的產生，於是再加入第三個子環型共振腔(自由頻譜範圍約為57MHz)，此時有三個共振腔互相影響下，自由頻譜範圍已經超過了光纖雷射的增益範圍，由於沒有其他模態的影響，光纖雷射得以單縱模的形式輸出。

經由實驗發現，多重環型共振腔型光循環器式單縱模光纖雷射的功率變化約為0.04mW以內，而多重環型共振腔型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射的功率變化約為0.06mW以內，由此可以看出此光纖雷射裝置具有非常穩定的雷射功率輸出，其與一般半導體雷射(線寬約數MHz等級)比較有過之無不及。

本發明之另一觀點，提出一種吸收體型單縱模光纖雷射裝置或架構。摻鉺光纖本身所具有的吸收與放射的特性，在未施以泵激光源激發時，光功率會受到鉺離子的吸收而造成功率的損耗；然而，若加以控制兩端注入的光波，使其在內部形成干涉現象，便能夠使旁模受到抑制，達到單縱模光纖雷射的效果。

請參照第十七圖，其顯示吸收體型光循環器式光纖雷射架構500之示意圖，其係在上述多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構中加入一吸收體元件511，連接極化控制器110與光纖光柵104。舉例而言，吸收體元件511為摻鉺光纖吸收體元件。本實施例與前述光循環器式光纖雷射裝置所用元件與參數大部分相同，不同之處在於以吸收體元件511代替多重子環形共振腔元件，因此其詳細運作方式與元件之間的連結關係不在贅述。在一實施例中，使用一段摻鉺光纖作為吸收體的基本元件，將摻鉺光纖吸收體配置於共振腔之中泵激光源未經過之處。在沒有泵激光源的影響下，摻鉺光纖的自發吸收與放射的特性就會相當明顯。後向泵激光纖雷射架構比起前向泵激光纖雷射架構有更佳的優勢，例如摻鉺光纖能夠產生兩次吸收泵激光功率使訊號放大的效果，亦有較佳的雷射輸出功率。

依照上述吸收體的原理，本發明選用後向泵激光纖雷射架構，在分波多工器與光纖光柵之間加入摻鉺光纖吸收體，並加入一個極化控制器，來控制進入摻鉺光纖吸收體光波的相位，使雷射光在摻鉺光纖吸收體內得以形成干涉現象，藉此達到模態抑制的效果。

在架構中我們將會使用到兩種摻鉺光纖，其中做為共振腔增益介質的摻鉺光纖，以輸出雷射功率較佳的3m摻鉺光纖，這邊使用的摻鉺光纖為銓州光電所生產，其吸收係數為12.4dB/m＠979nm、18.79dB/m＠1531nm；而做為吸收體的摻鉺光纖，若是使用相同吸收係數的摻鉺光纖的話，訊號光功率會受到摻鉺光纖吸收體過多的吸收，造成輸出雷射功率較大的損耗。因此，在摻鉺光纖吸收體的選擇上，本發明選用FIBERCORE公司所生產的低摻雜摻鉺光纖，其吸收係數為5.0dB/m＠979nm、6.24dB/m＠1531nm，可以得到較佳的吸收體效果。而其他元件的參數設定為：泵激光源波長為1480nm(S-頻帶)、功率固定在50mW、光纖光柵的中心波長為1550nm、反射率約50%。在另一例子中，泵激光源波長設定為1550nm(C-頻帶)。

實驗上可以使用不同長度的摻鉺光纖吸收體來觀察輸出雷射功率與旁模抑制的情形，例如長度的選擇上，可以分別使用2、3、4和5m的低摻雜摻鉺光纖來做吸收量測。藉由電頻譜分析儀106可以看出加入吸收體元件511之後的模態抑制效果，可藉由調整摻鉺光纖吸收體的長度來觀察模態抑制的效果。

請參照第十八圖，其顯示吸收體型寬頻鏡面式光纖雷射架構550之示意圖，其係在上述多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構中加入一吸收體元件511，連接極化控制器110與光纖光柵104。大體上，吸收體元件511不限於摻鉺光纖。本實施例係將前述架構的光循環器101換成寬頻譜反射鏡151。舉一實施例而言，可利用不同長度的摻鉺光纖吸收體(例如2、3、4和5m)來觀察吸收體長度對於旁模抑制的效果。在本實施例中，泵激光源經過分波多工器103之後，經過摻鉺光纖吸收產生訊號放大到達寬頻譜反射鏡151，經由寬頻譜反射鏡反射後，泵激光功率經反射使摻鉺光纖產生第二次吸收放大，回到分波多工器103時會將泵激光功率與雷射光分開，摻鉺光纖吸收體便能夠單純吸收雷射光功率，不會受到泵激光源的激發，當共振腔中的雷射光在吸收體中產生干涉現象時，便能夠有效抑制雷射旁模，而產生單縱模光纖雷射。

此外，根據本發明之再一觀點，提出一種混合型光循環器式單縱模光纖雷射裝置或架構。由前述可知，多重環形共振腔型或吸收體型單縱模光纖雷射架構皆可以抑制雷射旁模的影響，因此本實施例中，在光循環器式光纖雷射架構中加入一吸收體元件511與多重環型共振腔元件111互相連接，以構成混合型光循環器式單縱模光纖雷射架構600，請參照第十九圖。吸收體元件511連接極化控制器110，多重環型共振腔元件111耦合光纖光柵104。在另一實施例中，吸收體元件511與多重環型共振腔元件111之配置位置可以互換，例如吸收體元件511連接光纖光柵104，多重環型共振腔元件111連接極化控制器110，請參照第二十圖。本實施例之動機在於吸收體型單縱模光纖雷射實驗中，發現使用更長的摻鉺光纖吸收體可以更加抑制旁模，卻會造成共振腔中功率的更多損耗。或者需要加入三個多重環型共振腔元件111又顯得複雜。因此，在一實施例中可以選用一個2m摻鉺光纖吸收體搭配一個2m多重環型共振腔來作為共振腔內的改善因子，原則上最佳化的意思是仍達成單縱模條件時之最短吸收體與最短環型共振腔長度。本實施例中的元件設定如下：泵激光源為1480nm、功率為50mW，摻鉺光纖為3m，光纖光柵的中心波長為1550nm、反射率約50%，在電頻譜分析儀106中發現雷射旁模的影響幾乎已經完全消失，因此產生單縱模光纖雷射。

在另一實施例中，將前述光循環器式光纖雷射架構以寬頻譜反射鏡151代替光循環器101，以構成一種混合型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射裝置或架構650，請參照第二十一圖。在另一實施例中，吸收體元件511與多重環型共振腔元件111之配置位置可以互換，例如吸收體元件511連接光纖光柵104，多重環型共振腔元件111連接極化控制器110，請參照第二十二圖。此外，在又一實施例中，一環形共振腔元件700配置於上述混合型單縱模光纖雷射裝置或架構之雷射共振腔中，其中共振腔元件700包括吸收體元件711配置於子環形共振腔702之部分區段內，子環形共振腔702連接一分光比為50/50之2×2光耦合器703，請參照第二十三圖。由於寬頻鏡面式光纖雷射的殘餘功率再利用率較高，所以能夠得到較高的輸出雷射功率。舉例而言，將2m摻鉺光纖吸收體與2m多重環型共振腔置入寬頻鏡面式光纖雷射架構中，以組成混合型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射，而達到模態抑制的效果。在雷射輸出功率方面，以光頻譜分析儀105觀測輸出功率約4.59mW，訊雜比為53.76dB，而尚未改善前的光纖雷射架構輸出功率為7.96mW，訊雜比為57.68dB，功率約下降3.37mW，訊雜比的差值為3.92dB，與多重環型共振腔型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射相比的話，功率約提高0.77mW。

對熟悉此領域技藝者，本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。

100．．．光循環器式光纖雷射裝置

101．．．光循環器

102．．．摻鉺光纖

103．．．分波多工器

104．．．光纖光柵

105．．．光頻譜分析儀

106．．．電頻譜分析儀

107．．．泵激雷射

108．．．光檢測器

110．．．極化控制器

111、112、113、120、130．．．多重環形共振腔元件

120a．．．4×4光耦合器

130a、130b．．．2×2光耦合器

130c．．．光循環器

130d．．．第一光路徑

130e．．．第二光路徑

151．．．寬頻譜反射鏡

150．．．寬頻鏡面式光纖雷射裝置

200、300、400．．．多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構

250、350、450．．．多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構

500．．．吸收體型光循環器式光纖雷射架構

511．．．吸收體元件

550．．．吸收體型寬頻鏡面式光纖雷射架構

600．．．混合型光循環器式單縱模光纖雷射架構

650．．．混合型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射架構

700．．．環形共振腔元件

711．．．吸收體元件

702．．．子環形共振腔

703．．．2×2光耦合器

上述元件，以及本發明其他特徵與優點，藉由閱讀實施方式之內容及其圖式後，將更為明顯：

第一圖為光循環器式光纖雷射裝置之示意圖。

第二圖為光循環器式光纖雷射裝置於光頻譜分析儀之輸出頻譜圖。

第三圖為光循環器式光纖雷射裝置於電頻譜分析儀之輸出頻譜圖。

第四圖為本發明之單環之環型共振腔光循環器式光纖雷射架構之示意圖。

第五圖為本發明之環型共振腔元件之示意圖。

第六圖為本發明之光循環器式光纖雷射裝置加入單環形共振腔於電頻譜分析儀之輸出頻譜圖。

第七圖為本發明之雙環之環型共振腔光循環器式光纖雷射架構之示意圖。

第八圖為本發明之光循環器式光纖雷射裝置加入雙環形共振腔於電頻譜分析儀之輸出頻譜圖。

第九圖為本發明之三環之環型共振腔光循環器式光纖雷射架構之示意圖。

第十圖為本發明之光循環器式光纖雷射裝置加入三環形共振腔於電頻譜分析儀之輸出頻譜圖。

第十一圖為本發明之多重環形共振腔元件選用4×4光耦合器示意圖，其中包括三個不同長度的子環形共振腔。

第十二圖為本發明之多重環型共振腔元件選用二個2×2光耦合器與一個光循環器，包括不同長度路徑之多重子環形共振腔。

第十三圖為寬頻鏡面式光纖雷射裝置之示意圖。

第十四圖為單環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構之示意圖。

第十五圖為雙環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構之示意圖。

第十六圖為多重環型共振腔寬頻鏡面式光纖雷射架構之示意圖。

第十七圖為本發明之吸收體型光循環器式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第十八圖為本發明之吸收體型寬頻鏡面式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第十九圖為本發明之混合式光循環器式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第二十圖為本發明之混合式光循環器式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第二十一圖為本發明之混合式寬頻鏡面式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第二十二圖為本發明之混合式寬頻鏡面式單縱模光纖雷射架構之示意圖。

第二十三圖為本發明之環型共振腔元件之示意圖。

400．．．多重環型共振腔光循環器式光纖雷射架構