专利名称：基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，更加具体地，涉及一种基于并行反馈的超窄线宽线腔 激光器。
背景技术：
激光器是发射激光的装置，其应用已遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领 域。光纤激光器采用掺稀土元素光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，造成 掺杂粒子能级的粒子束反转，当加入适当的正反馈回路时，便产生激光输出。光纤激光器是 激光领域的新技术，与其它介质激光器相比，它具有长增益区、结构紧凑，能量密度高，抗电 磁干扰强，温度膨胀系数小，无需额外散热装置等优点。激光器通常都是由三部分组成的，即激光工作介质、泵浦源、光学谐振腔。其中光 学谐振腔构成了激光器的反馈回路，保证激光器可以得到稳定持续、有一定功率、高质量的 激光输出。光纤激光器谐振腔的腔型通常可分为环形腔结构和线形腔结构两类。窄线宽光纤激光器的实现方式有多种，例如采用光纤布拉格光栅(FBG)构成分布 反馈(DFB)或着分布布拉格反射(DBR)的线型腔结构、单向环形腔结构以及复合腔结构。但 是，用光纤布拉格光栅实现超窄线宽对光栅要求非常高，不易实现。另外一种方法是基于可 饱和吸收体光窄带滤波器的光纤激光器，线宽普遍在kHz量级。这种方法简单有效，是目前 实现窄线宽的主要方式。但是，这种方法进一步压缩线宽需要大幅度增长参铒光纤长度，导 致实现超窄线宽很困难。目前现有商用光纤激光器线宽都在kHz以上，而且价格昂贵。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔光纤线腔激光 器，利用该超窄线宽激光器，可以通过在谐振腔中加入一段或多段多模光纤来，可以压窄激 光器所输出的激光的线宽，从而实现超窄线宽激光输出。根据本发明的一个方面，提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括 DFB激光器、90:10耦合器、一个反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器 与所述90 10耦合器以及所述90 10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光 纤构成的光纤结构耦合。此外，优选地，在所述DFB激光器和所述90 10耦合器之间还设置有掺铒光纤放大器。此外，由所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤_多模光 纤-单模光纤的方式构成的。此外，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125 μ m，内芯直径为62. 5 μ m，长度为 15m。所述单模光纤的长度为30m。此外，所述反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括 掺铒光纤放大器、第一和第二反射单元、90:10耦合器以及多段单模光纤和多模光纤，其中， 第一反射单元与所述掺铒光纤放大器、所述掺铒光纤放大器与所述90:10耦合器以及所述 90:10耦合器与第二反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。此外，由所述由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构是按照单模光纤_多模光 纤-单模光纤的方式构成的。此外，优选地，所述多模光纤的外芯直径为125 μ m，内芯直径为62. 5 μ m，长度为 15m。所述单模光纤的长度为30m。此外，所述第一和第二反射单元是法拉第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。有益效果 根据本发明提供的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，可以利用多模光纤来压 缩线宽，从而可以实现超窄线宽激光输出。此外，根据本发明的超窄线宽激光器的结构简 单、成本低、体积小、重量轻且集成方便。为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面 理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中图1是一个最简单的并行反馈光纤线腔激光器的示图；图2是“单模光纤——多模光纤——单模光纤”结构的示图；图3是渐变熔接的“单模光纤——多模光纤——单模光纤”结构的示图；图4是根据本发明第一实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示 意图；图5是根据本发明第二实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示 意图；图6是根据本发明第三实施例的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的结构示 意图；图7是光路中接入多模光纤的多段级联结构示意图；图8示出了三种可用的光纤反射镜结构；图9是利用延时自外差法(DSHI)测量到的图4激光器线宽测量图；图10是利用损耗补偿的循环延迟自外差法(LC-RDSHI)测量到的图5激光器线宽 测量图；和图11是利用延时自外差法(DSHI)测量到的图6激光器线宽测量图。在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。具体实施例在进行根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器的实施例描述之前，首 先对术语“并行反馈回路”进行简要说明。在本发明中，术语“并行反馈回路”指的是光纤激光器中的正反馈回路为多路并行 的一种反馈回路。利用并行反馈回路，通过不同回路之间光的相干叠加作用，可以使得最后 输出激光的光谱特性有所改善。图1示出了一个基本的并行反馈的光纤线腔激光器的谐振腔结构。谐振腔中使用 两个耦合器C1，C2搭建了一个马赫曾德尔(MZ)结构。在此谐振腔结构中，共有四个不同的 闭合谐振回路，用上标“ + ”表示光向右传播，用上标“-”表示光向左传播，四个谐振回路可 以分别表示为Ll = La++Lc++Lb++Lb>Lc>La"；L2 = La++Lc++Lb++Lb>Ld>La"；L3 = La++Ld++Lb++Lb>Lc>La"；L4 = La++Ld++Lb++LtT+Lcf+La-。若该谐振腔结构中存在增益介质，由维纳效应可知，所产生激光波长应买足所有 谐振回路的谐振条件，即
「_ f =HH封⑴7 nLx nL2 nL3 nL4 等式⑴其中c为激光波长，η为光纤折射率，Q1 q4是任意正整数。对于每个谐振回路， 两个相邻的谐振频率的间隔即自由光谱区间FSR，满足条件jp5A=;^'其中 i = 1，2，3，4，等式(2)定义所有腔长的最大公约长度为1，有1^ = XiI,其中小Xi为正整数。对于每个 谐振回路有急’其中i = 1，2，3，4，整个谐振腔产生激光的激射频率要求存在一个正整数k，满足 [οο46] 等式⑶
Cl A 2 /C 3 Α4 由此可以得到整个谐振腔结构的激射频率和FSR，即并行反馈的最终效果 _] ^^乏=为正整数，等式⑷FSR = ^j’等式⑶如果腔长差距比较小，腔的数目越多，所有腔长的最大公约长度越小，相应的FSR 会越大。大的FSR提高了激光器的稳定性，并方便选出单纵模。并行反馈回路存在许多实现方式，一种简单高效的构造方法是使用多模光纤 (MMF)。多 模光纤中独立存在的多个横模具有不同的传播常数，因而相当于多个不同的光 路。在单模光纤所构建的激光器谐振腔中，通过合适的方法加入一段或多段多模光纤，可以 得到数目可观的独立谐振光路数。使用多模光纤实现的多路并行反馈具有并行光路多，光 路之间的光程差稳定等特点，可以大幅度压窄激光器输出激光的光谱线宽。通过仿真和实验证明采用多模光纤搭建的并行反馈激光器具有实现Hz以下超窄线宽的能力。图2示出了一个基本的“单模光纤——多模光纤——单模光纤”的结构单元。在 图2中示出的结构中，单模光纤中只能存在基模这一个横模。当基模进入多模光纤后，会激 发出多模光纤中允许存在的多个横模，而群速度不同的多个横模等效于多个光路。多模光 纤中的多个横模在重新进入单模光纤时，以多模干涉(MMI)的方式相干叠加，绝大多数模 式中的能量重新耦合回到基模而进入单模光纤传播，从而实现多路并行的正反馈回路。图3示出了通过熔融拉锥的方法对多模光纤和单模光纤进行渐变连接而形成的 另一“单模光纤一多模光纤一单模光纤”的结构单元。如图3所示，使用这种工艺可以 使多模光纤和单模光纤的接头处损耗大大降低。一个完整“单模光纤一一多模光纤——单 模光纤”结构的典型损耗值在0. 5dB左右，而更好的制作工艺可以将这个损耗值降低到零附 近。多模光纤按照折射率分布类型，可以分为渐变型折射率多模光纤和阶跃型折射率 多模光纤，它们所能传播的模式总数分别为M - V2/4和M V2/2。其中V是光纤的归一化 频率
权利要求
1.一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一个 反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器与所述90:10耦合器以及所述 90:10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。
2.一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括掺铒光纤放大器、第一和第二反射 单元、90:10耦合器以及多段单模光纤和多模光纤，其中，第一反射单元与所述掺铒光纤放 大器、所述掺铒光纤放大器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与第二反射单元分 别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。
3.如权利要求1所述的超窄线宽线腔激光器，其中，在所述DFB激光器和所述90 10耦 合器之间还设置有掺铒光纤放大器。
4.如权利要求1或2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述由单模光纤和多模光纤构 成的光纤结构是按照单模光纤_多模光纤_单模光纤的方式构成的。
5.如权利要求1或2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述多模光纤的外芯直径为 125 μ m,内芯直径为62. 5 μ m,长度为15m。
6.如权利要求1或2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述单模光纤的长度为30m。
7.如权利要求1所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述反射单元是法拉第旋镜、光纤 布拉格光栅或Sagnac环。
8.如权利要求2所述的超窄线宽线腔激光器，其中，所述第一和第二反射单元是法拉 第旋镜、光纤布拉格光栅或Sagnac环。
全文摘要
本发明提供了一种基于并行反馈的超窄线宽线腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一个反射单元、多段单模光纤和多模光纤，其中所述DFB激光器与所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器与所述反射单元分别通过由单模光纤和多模光纤构成的光纤结构耦合。
文档编号H01S5/12GK102005697SQ20101051608
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者余晓琦, 朱立新, 李正斌, 王大量, 王子南, 王翠云, 蒋云 申请人:北京大学