专利名称：单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种光纤激光器，尤其涉及一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，属于激光技术领域。
背景技术：
单频窄线宽光纤激光器具有高时间相干性和低相位噪声特性，在超高精度长距离光纤传感系统、高速光通信系统、相干光通信、激光雷达、微波光子学等民用和军用领域具有广泛的应用。实现激光器的单纵模输出的关键在于通过模式选择与稳定技术获得激光器的单 纵模运转和抑制多模振荡和跳模现象，尤其是对于具有高功率连续波输出光纤激光器，长时间运行的稳定性决定了激光器性能优劣。目前采用的实现单纵模选择的滤波技术主要包括激光腔结构和腔内光纤滤波器选模的方法。前者包括环形腔或者线性腔；后者按照滤波效应分类包括基于光衍射效应的光纤布拉格光栅滤波器；基于干涉效应的法布里-法布里-珀罗滤波器、多层介质膜滤波器和马赫-曾德干涉滤波器等。滤波器选模能够获得的中心波长滤波光谱宽度普遍大于O. Olnm,具有GHz以上频谱宽度，并且激光输出模式取决于腔内光纤器件与滤波器的稳定性，易受环境因素影响。如何在获得达到kHz窄线宽的单纵模输出的同时确保光纤激光器的运行稳定性成为制约光纤激光器性能提升的技术难题。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，能够实现单纵模、窄线宽、高稳定输出。本实用新型的单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，包括一星形耦合器，具有NXN的端ロ，N为大于I的整数；一光纤有源子腔，其两端分别与所述星形耦合器的其中一个分路的两端连接，形成闭合回路；N-I个光纤无源子腔，每ー个光纤无源子腔的两端分别与所述星形耦合器剩余分路的其中ー个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有増益放大単元、选模单元，以及ー I X 2耦合器；所述I X 2耦合器的输入端和其中ー个输出端分别接入其所在闭合回路，另外ー个输出端作为光纤激光器的输出端；一种子激光器，其输出端通过种子激光器耦合单元与所述光纤有源子腔连接。进ー步地，除连接有1X2耦合器的光纤无源子腔外，其余的N-2个光纤无源子腔中至少还有一个连接有増益放大单元、选模单元。优选地，所述增益放大单元包含多级放大结构。优选地，所述种子激光器耦合单元包括光隔离器和光纤环形器；光隔离器的输入端与种子激光器的输出端连接，输出端与光纤环形器的ー个端ロ连接；光纤环形器的另外两个端ロ分别与分别与所述光纤有源子腔连接。[0011]所述种子激光器优选波长与功率可调谐激光器。优选地，所述增益放大单元包括第一泵浦、第二泵浦、第一増益光纤、第二増益光纤、第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、光隔离器；第一泵浦的输出端与第一泵浦耦合器的短波长输入端连接，第一泵浦耦合器的输出端依次通过第一増益光纤、光隔离器、第二増益光纤与第二泵浦耦合器的长波长输入端连接，第二泵浦耦合器的短波长输入端与第二泵浦的输入端连接，第二泵浦耦合器的输出端通过所述星形耦合器与第一泵浦耦合器的长波长输入端连接。优选地，所述第一泵浦为单模980nm半导 体泵浦，所述第二泵浦为多模半导体泵浦。优选地，所述第一増益光纤为单模掺铒光纤，所述第二増益光纤为双包层掺稀土光纤。相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果I、采用子腔并联结构，増加了整个激光器谐振腔模式选择的精细度，提高了激光器输出效率，改善了输出光模式噪声特性。可以在不同子腔内进行滤波与稳定性控制，増加了激光器输出的稳定性；2、有源腔内注入的种子源锁定了激光器输出波长，压缩了激光器频谱宽度，提高了激光器输出相干性；3、采用将MHz种子源激光器注入光纤子腔的方法与并联子腔共同作用，压缩了激光器频谱宽度，提高了激光器输出相干性；3、单个子腔内采用多级光放大结构，増加了激光器腔内増益，提高了激光器输出功率;5、采用全光纤腔结构，耦合损耗小，结构紧凑，输出效率高，对外界环境干扰免疫力闻。
图I为本实用新型单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器的结构原理示意图；图2为具体实施方式
中所述实施例的结构示意图；其中，1、7为半导体泵浦，2、6为泵浦稱合器，3、5为增益光纤，4、9、14为光隔离器,8为I X2光稱合器，10为2X2光稱合器，11为偏振控制器，12为光滤波器，13为种子激光器，15为光纤环形器，a、b、c为光纤环形器15的三个端ロ ；图3为种子注入工作频率锁定区域与种子激光器和无源子腔激光波长之间的失谐量的关系示意图；图4为用光谱仪测得的激光器单纵模连续波输出光谱图；图5为对种子激光器采用脉冲外调制光方式实现的激光器脉冲输出时域图；图6为利用延时自外差法测得的本实用新型激光器连续波单频输出。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明[0028]本实用新型的思路是利用耦合器将ー个光纤有源子腔与一个或多个光纤无源子腔并联，从而形成子腔并联的谐振回路，然后通过种子激光器向光纤有源子腔中注入种子光源，从而改善激光输出特性。下面先对本实用新型的实用新型原理进行简要说明。光在多个光纤子腔通过耦合器并联的结构中传输时，不同的光纤子腔内的光可以
通过耦合器进行相干叠加作用，从而改善了整个激光腔结构输出光谱特性。N个光纤子腔中
的每个子腔形成一个激光器的谐振子 回路，且置有増益放大单元，由游标(Vernier)效应可
知，所产生的激光波长应满足所有的谐振回路的频率振荡条件，即
_ cm, _ cm, _ Cmi. , 0 vfH-…S l ^其中η为光纤折射率，Ini为任意正整数，c为激光波长，Li为第i个子腔的长度由腔长决定的单个光纤子腔的激光谐振频率间隔，即所谓的自由光谱范围(Freespectrum resolution, FSR)的表达式为/' .(/ = !,2...Λ )(つ；对于N个子腔并联的情况，所有腔长的最大公约长度为L，并且Li=j*L，其中j为正整数，对应的FSR为
由 ，FSR = -=(J ニ 12…N)い)通过增加光纤子腔的并联个数N以及减短任意单个光纤子腔的长度可以增加激光器的FSR,从而增加激光腔内模式间隔,提高激光器输出的模式稳定性,有利于实现单纵模选摸。此外，在无源子腔内置入增益单元可以解决Vernier效应中模式滤波响应带通峰值与边模抑制比之间的矛盾，并且提高激光器的输出功率。本实用新型的光纤激光器的基本结构如图I所示，可由一个光纤有源子腔和ー个或多个光纤无源子腔并联构成。为便于说明，下面仅以最简单的一个光纤有源子腔和ー个光纤无源子腔并联为例，来对本实用新型的技术方案进行详细说明。该实施例中的光纤激光器，如图2所示，包括半导体泵浦I ;泵浦耦合器2 ;增益光纤3，用于为子腔提供光功率一级放大；光隔离器4，用于防止后级放大光路的反射光；增益光纤5，用于为子腔提供光功率ニ级放大；泵浦耦合器6 ;半导体泵浦7 ;1X2光耦合器8，其ー个输出端用作整个激光器的输出；光隔离器9，用于控制子腔内激光单向传输；2X2光耦合器10 ;偏振控制器11，用于控制激光腔内偏振态；光滤波器12，用于无源光纤子腔的粗选模；种子激光器13 ;光隔离器14 ;光纤环形器15。半导体泵浦I的输出端与泵浦耦合器2的短波长输入端连接，泵浦耦合器2的输出端依次通过增益光纤3、光隔离器4、増益光纤5与泵浦耦合器6的长波长输入端连接，泵浦耦合器6的短波长输入端与半导体泵浦7的输入端连接，泵浦耦合器6的输出端依次通过光耦合器8的输入端、光隔离器9、2X2耦合器10、偏振控制器11、光滤波器12与泵浦耦合器2的长波长输入端连接,光I禹合器8的ー个输出端作为激光器输出端；种子激光器13的输出端通过光隔离器14与光纤环形器15的输入端相连；光纤环形器15的另ー个输入端和输出端与2X2耦合器10的输入端和输出端分别相连。激光腔通过2X2耦合器形成两个环腔并联的结构，其中一个子腔为光纤有源子腔，用于注入种子光；另外ー个子腔为光纤无源子腔，用于为整个激光器提供増益、粗选模以及激光器的耦合输出。[0040]其中半导体泵浦I优选单模980nm半导体泵浦，半导体泵浦7优选多模半导体泵浦，増益光纤3优选单模掺铒光纤，増益光纤5优选双包层掺稀土光纤，种子激光器13优选波长与功率可调谐DFB激光器。通过单点有源注入方法实现激光器的频率锁定与线宽压缩过程如下种子激光通过光纤环形器进入有源光纤子腔内，其功率与波长可调节，通过如图2中的2X2耦合器与无源子腔内激光进行互作用。无源子腔内激光强度取决于两级增益的总和，其典型值为30-40dB。种子光源的波长与无源激光子腔激光波长分为非失谐和失谐两种情况，前者是通过无源子腔内的粗选模单元，即滤波器単元，中心波长位于种子激光器附 近，使得有源腔与无源腔内谐振波长基本相同，后者则是向腔内注入波长不同于无源激光子腔的种子激光。种子激光器进入有源子腔内，通过耦合器与其他子腔内的激光进行互作用。对典型光注入(OIL)速率方程求稳态解可以得到
权利要求1.一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括 一星形耦合器，具有NXN的端ロ，N为大于I的整数； 一光纤有源子腔，其两端分别与所述星形耦合器的其中一个分路的两端连接，形成闭合回路； N-I个光纤无源子腔，每ー个光纤无源子腔的两端分别与所述星形耦合器剩余分路的其中ー个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有増益放大单元、选模单元，以及ー I X 2耦合器；所述I X 2耦合器的输入端和其中ー个输出端分别接入其所在闭合回路，另外ー个输出端作为光纤激光器的输出端； 一种子激光器，其输出端通过种子激光器耦合单元与所述光纤有源子腔连接。
2.如权利要求I所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在干，除连接有1X2耦合器的光纤无源子腔外，其余的N-2个光纤无源子腔中至少还有ー个连接有増益放大单元、选模单元。
3.如权利要求I或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述增益放大单元包含多级放大结构。
4.如权利要求3所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述增益放大单元包括第一泵浦、第二泵浦、第一増益光纤、第二増益光纤、第一泵浦耦合器、第二泵浦耦合器、光隔离器；第一泵浦的输出端与第一泵浦耦合器的短波长输入端连接，第一泵浦耦合器的输出端依次通过第一増益光纤、光隔离器、第二増益光纤与第二泵浦耦合器的长波长输入端连接，第二泵浦耦合器的短波长输入端与第二泵浦的输入端连接，第二泵浦耦合器的输出端通过所述星形耦合器与第一泵浦耦合器的长波长输入端连接。
5.如权利要求4所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦为单模980nm半导体泵浦，所述第二泵浦为多模半导体泵浦。
6.如权利要求4所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第一増益光纤为单模掺铒光纤，所述第二増益光纤为双包层掺稀土光纤。
7.如权利要求I或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在干，所述种子激光器耦合单元包括光隔离器和光纤环形器；光隔离器的输入端与种子激光器的输出端连接，输出端与光纤环形器的ー个端ロ连接；光纤环形器的另外两个端ロ分别与分别与所述光纤有源子腔连接。
8.如权利要求I或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述种子激光器为波长与功率可调谐激光器。
9.如权利要求I或2所述单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述选模单元为薄膜滤波器、法布里-珀罗滤波器或光纤光栅滤波器。
专利摘要本实用新型公开了一种单点注入式有源并联子腔的单纵模窄线宽光纤激光器。该激光器包括一具有N×N的端口的星形耦合器；一光纤有源子腔，其两端分别与星形耦合器其中一个分路的两端连接，形成闭合回路；N-1个光纤无源子腔，每一个光纤无源子腔的两端分别与星形耦合器剩余分路的其中一个的两端连接，分别形成闭合回路；其中一个闭合回路中依次连接有增益放大单元、选模单元，以及一1×2耦合器；1×2耦合器的输入端和其中一个输出端分别接入其所在闭合回路，另外一个输出端作为光纤激光器的输出端；一种子激光器，输出端通过种子激光器耦合单元与光纤有源子腔连接。本实用新型结构简单紧凑，调节灵活，能够实现单纵模、窄线宽、高稳定输出。
文档编号H01S3/094GK202454888SQ201120567100
公开日2012年9月26日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者万洪丹, 印中举, 孙小菡 申请人:东南大学