專利名稱：單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種光纖激光器，尤其涉及一種單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單頻窄線寬光纖激光器具有高時間相干性和低相位噪聲特性，在超高精度長距離光纖傳感系統(tǒng)、高速光通信系統(tǒng)、相干光通信、激光雷達、微波光子學(xué)等民用和軍用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)激光器的單縱模輸出的關(guān)鍵在于通過模式選擇與穩(wěn)定技術(shù)獲得激光器的單 縱模運轉(zhuǎn)和抑制多模振蕩和跳?，F(xiàn)象，尤其是對于具有高功率連續(xù)波輸出光纖激光器，長時間運行的穩(wěn)定性決定了激光器性能優(yōu)劣。目前采用的實現(xiàn)單縱模選擇的濾波技術(shù)主要包括激光腔結(jié)構(gòu)和腔內(nèi)光纖濾波器選模的方法。前者包括環(huán)形腔或者線性腔；后者按照濾波效應(yīng)分類包括基于光衍射效應(yīng)的光纖布拉格光柵濾波器；基于干涉效應(yīng)的法布里-法布里-珀羅濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器和馬赫-曾德干涉濾波器等。濾波器選模能夠獲得的中心波長濾波光譜寬度普遍大于O. Olnm,具有GHz以上頻譜寬度，并且激光輸出模式取決于腔內(nèi)光纖器件與濾波器的穩(wěn)定性，易受環(huán)境因素影響。如何在獲得達到kHz窄線寬的單縱模輸出的同時確保光纖激光器的運行穩(wěn)定性成為制約光纖激光器性能提升的技術(shù)難題。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模、窄線寬、高穩(wěn)定輸出。本實用新型的單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，包括一星形耦合器，具有NXN的端ロ，N為大于I的整數(shù)；一光纖有源子腔，其兩端分別與所述星形耦合器的其中一個分路的兩端連接，形成閉合回路；N-I個光纖無源子腔，每ー個光纖無源子腔的兩端分別與所述星形耦合器剩余分路的其中ー個的兩端連接，分別形成閉合回路；其中一個閉合回路中依次連接有増益放大単元、選模單元，以及ー I X 2耦合器；所述I X 2耦合器的輸入端和其中ー個輸出端分別接入其所在閉合回路，另外ー個輸出端作為光纖激光器的輸出端；一種子激光器，其輸出端通過種子激光器耦合單元與所述光纖有源子腔連接。進ー步地，除連接有1X2耦合器的光纖無源子腔外，其余的N-2個光纖無源子腔中至少還有一個連接有増益放大單元、選模單元。優(yōu)選地，所述增益放大單元包含多級放大結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述種子激光器耦合單元包括光隔離器和光纖環(huán)形器；光隔離器的輸入端與種子激光器的輸出端連接，輸出端與光纖環(huán)形器的ー個端ロ連接；光纖環(huán)形器的另外兩個端ロ分別與分別與所述光纖有源子腔連接。[0011]所述種子激光器優(yōu)選波長與功率可調(diào)諧激光器。優(yōu)選地，所述增益放大單元包括第一泵浦、第二泵浦、第一増益光纖、第二増益光纖、第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、光隔離器；第一泵浦的輸出端與第一泵浦耦合器的短波長輸入端連接，第一泵浦耦合器的輸出端依次通過第一増益光纖、光隔離器、第二増益光纖與第二泵浦耦合器的長波長輸入端連接，第二泵浦耦合器的短波長輸入端與第二泵浦的輸入端連接，第二泵浦耦合器的輸出端通過所述星形耦合器與第一泵浦耦合器的長波長輸入端連接。優(yōu)選地，所述第一泵浦為單模980nm半導(dǎo) 體泵浦，所述第二泵浦為多模半導(dǎo)體泵浦。優(yōu)選地，所述第一増益光纖為單模摻鉺光纖，所述第二増益光纖為雙包層摻稀土光纖。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益效果I、采用子腔并聯(lián)結(jié)構(gòu)，増加了整個激光器諧振腔模式選擇的精細度，提高了激光器輸出效率，改善了輸出光模式噪聲特性?？梢栽诓煌忧粌?nèi)進行濾波與穩(wěn)定性控制，増加了激光器輸出的穩(wěn)定性；2、有源腔內(nèi)注入的種子源鎖定了激光器輸出波長，壓縮了激光器頻譜寬度，提高了激光器輸出相干性；3、采用將MHz種子源激光器注入光纖子腔的方法與并聯(lián)子腔共同作用，壓縮了激光器頻譜寬度，提高了激光器輸出相干性；3、單個子腔內(nèi)采用多級光放大結(jié)構(gòu)，増加了激光器腔內(nèi)増益，提高了激光器輸出功率;5、采用全光纖腔結(jié)構(gòu)，耦合損耗小，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出效率高，對外界環(huán)境干擾免疫力聞。

圖I為本實用新型單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為具體實施方式
中所述實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、7為半導(dǎo)體泵浦，2、6為泵浦稱合器，3、5為增益光纖，4、9、14為光隔離器,8為I X2光稱合器，10為2X2光稱合器，11為偏振控制器，12為光濾波器，13為種子激光器，15為光纖環(huán)形器，a、b、c為光纖環(huán)形器15的三個端ロ ；圖3為種子注入工作頻率鎖定區(qū)域與種子激光器和無源子腔激光波長之間的失諧量的關(guān)系示意圖；圖4為用光譜儀測得的激光器單縱模連續(xù)波輸出光譜圖；圖5為對種子激光器采用脈沖外調(diào)制光方式實現(xiàn)的激光器脈沖輸出時域圖；圖6為利用延時自外差法測得的本實用新型激光器連續(xù)波單頻輸出。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明[0028]本實用新型的思路是利用耦合器將ー個光纖有源子腔與一個或多個光纖無源子腔并聯(lián)，從而形成子腔并聯(lián)的諧振回路，然后通過種子激光器向光纖有源子腔中注入種子光源，從而改善激光輸出特性。下面先對本實用新型的實用新型原理進行簡要說明。光在多個光纖子腔通過耦合器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中傳輸時，不同的光纖子腔內(nèi)的光可以
通過耦合器進行相干疊加作用，從而改善了整個激光腔結(jié)構(gòu)輸出光譜特性。N個光纖子腔中
的每個子腔形成一個激光器的諧振子 回路，且置有増益放大單元，由游標(Vernier)效應(yīng)可
知，所產(chǎn)生的激光波長應(yīng)滿足所有的諧振回路的頻率振蕩條件，即
_ cm, _ cm, _ Cmi. , 0 vfH-…S l ^其中η為光纖折射率，Ini為任意正整數(shù)，c為激光波長，Li為第i個子腔的長度由腔長決定的單個光纖子腔的激光諧振頻率間隔，即所謂的自由光譜范圍(Freespectrum resolution, FSR)的表達式為/' .(/ = !,2...Λ )(つ；對于N個子腔并聯(lián)的情況，所有腔長的最大公約長度為L，并且Li=j*L，其中j為正整數(shù)，對應(yīng)的FSR為
由 ，F(xiàn)SR = -=(J ニ 12…N)い)通過增加光纖子腔的并聯(lián)個數(shù)N以及減短任意單個光纖子腔的長度可以增加激光器的FSR,從而增加激光腔內(nèi)模式間隔,提高激光器輸出的模式穩(wěn)定性,有利于實現(xiàn)單縱模選摸。此外，在無源子腔內(nèi)置入增益單元可以解決Vernier效應(yīng)中模式濾波響應(yīng)帶通峰值與邊模抑制比之間的矛盾，并且提高激光器的輸出功率。本實用新型的光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖I所示，可由一個光纖有源子腔和ー個或多個光纖無源子腔并聯(lián)構(gòu)成。為便于說明，下面僅以最簡單的一個光纖有源子腔和ー個光纖無源子腔并聯(lián)為例，來對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。該實施例中的光纖激光器，如圖2所示，包括半導(dǎo)體泵浦I ;泵浦耦合器2 ;增益光纖3，用于為子腔提供光功率一級放大；光隔離器4，用于防止后級放大光路的反射光；增益光纖5，用于為子腔提供光功率ニ級放大；泵浦耦合器6 ;半導(dǎo)體泵浦7 ;1X2光耦合器8，其ー個輸出端用作整個激光器的輸出；光隔離器9，用于控制子腔內(nèi)激光單向傳輸；2X2光耦合器10 ;偏振控制器11，用于控制激光腔內(nèi)偏振態(tài)；光濾波器12，用于無源光纖子腔的粗選模；種子激光器13 ;光隔離器14 ;光纖環(huán)形器15。半導(dǎo)體泵浦I的輸出端與泵浦耦合器2的短波長輸入端連接，泵浦耦合器2的輸出端依次通過增益光纖3、光隔離器4、増益光纖5與泵浦耦合器6的長波長輸入端連接，泵浦耦合器6的短波長輸入端與半導(dǎo)體泵浦7的輸入端連接，泵浦耦合器6的輸出端依次通過光耦合器8的輸入端、光隔離器9、2X2耦合器10、偏振控制器11、光濾波器12與泵浦耦合器2的長波長輸入端連接,光I禹合器8的ー個輸出端作為激光器輸出端；種子激光器13的輸出端通過光隔離器14與光纖環(huán)形器15的輸入端相連；光纖環(huán)形器15的另ー個輸入端和輸出端與2X2耦合器10的輸入端和輸出端分別相連。激光腔通過2X2耦合器形成兩個環(huán)腔并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其中一個子腔為光纖有源子腔，用于注入種子光；另外ー個子腔為光纖無源子腔，用于為整個激光器提供増益、粗選模以及激光器的耦合輸出。[0040]其中半導(dǎo)體泵浦I優(yōu)選單模980nm半導(dǎo)體泵浦，半導(dǎo)體泵浦7優(yōu)選多模半導(dǎo)體泵浦，増益光纖3優(yōu)選單模摻鉺光纖，増益光纖5優(yōu)選雙包層摻稀土光纖，種子激光器13優(yōu)選波長與功率可調(diào)諧DFB激光器。通過單點有源注入方法實現(xiàn)激光器的頻率鎖定與線寬壓縮過程如下種子激光通過光纖環(huán)形器進入有源光纖子腔內(nèi)，其功率與波長可調(diào)節(jié)，通過如圖2中的2X2耦合器與無源子腔內(nèi)激光進行互作用。無源子腔內(nèi)激光強度取決于兩級增益的總和，其典型值為30-40dB。種子光源的波長與無源激光子腔激光波長分為非失諧和失諧兩種情況，前者是通過無源子腔內(nèi)的粗選模單元，即濾波器単元，中心波長位于種子激光器附 近，使得有源腔與無源腔內(nèi)諧振波長基本相同，后者則是向腔內(nèi)注入波長不同于無源激光子腔的種子激光。種子激光器進入有源子腔內(nèi)，通過耦合器與其他子腔內(nèi)的激光進行互作用。對典型光注入(OIL)速率方程求穩(wěn)態(tài)解可以得到
權(quán)利要求1.一種單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，包括 一星形耦合器，具有NXN的端ロ，N為大于I的整數(shù)； 一光纖有源子腔，其兩端分別與所述星形耦合器的其中一個分路的兩端連接，形成閉合回路； N-I個光纖無源子腔，每ー個光纖無源子腔的兩端分別與所述星形耦合器剩余分路的其中ー個的兩端連接，分別形成閉合回路；其中一個閉合回路中依次連接有増益放大單元、選模單元，以及ー I X 2耦合器；所述I X 2耦合器的輸入端和其中ー個輸出端分別接入其所在閉合回路，另外ー個輸出端作為光纖激光器的輸出端； 一種子激光器，其輸出端通過種子激光器耦合單元與所述光纖有源子腔連接。
2.如權(quán)利要求I所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在干，除連接有1X2耦合器的光纖無源子腔外，其余的N-2個光纖無源子腔中至少還有ー個連接有増益放大單元、選模單元。
3.如權(quán)利要求I或2所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述增益放大單元包含多級放大結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述增益放大單元包括第一泵浦、第二泵浦、第一増益光纖、第二増益光纖、第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、光隔離器；第一泵浦的輸出端與第一泵浦耦合器的短波長輸入端連接，第一泵浦耦合器的輸出端依次通過第一増益光纖、光隔離器、第二増益光纖與第二泵浦耦合器的長波長輸入端連接，第二泵浦耦合器的短波長輸入端與第二泵浦的輸入端連接，第二泵浦耦合器的輸出端通過所述星形耦合器與第一泵浦耦合器的長波長輸入端連接。
5.如權(quán)利要求4所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述第一泵浦為單模980nm半導(dǎo)體泵浦，所述第二泵浦為多模半導(dǎo)體泵浦。
6.如權(quán)利要求4所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述第一増益光纖為單模摻鉺光纖，所述第二増益光纖為雙包層摻稀土光纖。
7.如權(quán)利要求I或2所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在干，所述種子激光器耦合單元包括光隔離器和光纖環(huán)形器；光隔離器的輸入端與種子激光器的輸出端連接，輸出端與光纖環(huán)形器的ー個端ロ連接；光纖環(huán)形器的另外兩個端ロ分別與分別與所述光纖有源子腔連接。
8.如權(quán)利要求I或2所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述種子激光器為波長與功率可調(diào)諧激光器。
9.如權(quán)利要求I或2所述單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器，其特征在于，所述選模單元為薄膜濾波器、法布里-珀羅濾波器或光纖光柵濾波器。
專利摘要本實用新型公開了一種單點注入式有源并聯(lián)子腔的單縱模窄線寬光纖激光器。該激光器包括一具有N×N的端口的星形耦合器；一光纖有源子腔，其兩端分別與星形耦合器其中一個分路的兩端連接，形成閉合回路；N-1個光纖無源子腔，每一個光纖無源子腔的兩端分別與星形耦合器剩余分路的其中一個的兩端連接，分別形成閉合回路；其中一個閉合回路中依次連接有增益放大單元、選模單元，以及一1×2耦合器；1×2耦合器的輸入端和其中一個輸出端分別接入其所在閉合回路，另外一個輸出端作為光纖激光器的輸出端；一種子激光器，輸出端通過種子激光器耦合單元與光纖有源子腔連接。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單緊湊，調(diào)節(jié)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模、窄線寬、高穩(wěn)定輸出。
文檔編號H01S3/094GK202454888SQ201120567100
公開日2012年9月26日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者萬洪丹, 印中舉, 孫小菡 申請人:東南大學(xué)