一种可调谐单频光纤激光器及其实现方法与流程

本发明涉及光电子技术中的光纤激光器研究领域，特别涉及一种可调谐单频光纤激光器及其实现方法，其基于非线性器件中反四波混频引入的光谱窄化效应。

背景技术：

单频光纤激光器属于光纤激光器的热点研究方向之一，以其相干性好、全光纤结构的优势，被作为光源广泛应用于光纤通信系统、光纤传感系统、微波光子信号处理以及光谱成像等诸多领域。而宽带可调谐单频光纤激光器是其中一个重要研究方向。

目前单频光纤激光器的实现技术可以主要归纳为以下几大类：

一、超短腔。通过极大地缩短腔长(一般约厘米或毫米量级)增大激光器相邻纵模间隔，结合窄带滤波器件，使激光器工作在较稳定的单频状态，如分布反馈式(DFB)和分布布拉格反射式(DBR)光纤激光器。但由于激光器的腔长较短，输出功率很低，也很难在腔内插入可调谐滤波器等其它光学元器件来进行输出波长的调谐。

二、复合腔。通过在激光器腔内插入两个或多个光纤环或类似结构形成复合腔，由于各子腔的腔长不同，导致其对应的纵模间隔也不同，为实现稳定的激光振荡，激光输出的纵模间隔最终由各个子腔对应的纵模间隔的公倍数所决定，从而可大大增大纵模间隔，实现单频输出。但此类激光器容易受到外界环境诸如温度、振动等因素影响，导致激光器稳定性变差。

三、引入可饱和吸收体。利用光纤可饱和吸收体中形成的长光栅的极窄带滤波作用，可保证单频激光输出。但引入的可饱和吸收体也易受外界环境影响，且效应本身就不稳定。

四、引入窄带滤波效应或利用窄带增益的受激布里渊散射效应。极窄带滤波器诸如相移光纤光栅可滤出极少纵模，在一定条件下可实现单频激光输出，但其波长可调谐特性受到限制。布里渊增益谱的谱宽非常窄，在腔长较短时可实现单频激光输出，但由于需要极高的泵浦光功率，且输出单频激光需要与泵浦光分离，实现方案具有一定局限性。

目前，非常需要一种稳定、宽带可调谐、较高输出功率的单频光纤激光器作为高性能单频激光光源，以进一步提高所应用系统的性能。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可调谐单频光纤激光器，该激光器利用反四波混频引入的光谱窄化效应得到单频激光输出，具有结构简单、稳定性好、宽带可调谐、高功率输出、高信噪比输出等优点。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述可调谐单频光纤激光器的实现方法，该方法输出光谱功率稳定、线宽较窄。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种可调谐单频光纤激光器，包括依次串联的第一偏振控制器、光放大器、光纤耦合器、第二偏振控制器、具有反四波混频效应的非线性器件和可调谐滤波器，其中，第一偏振控制器放在偏振相关的增益介质之前，调节入射光的偏振态后传递到光放大器，光放大器提供增益，对光信号进行放大，所产生的光输入到光纤耦合器，光纤耦合器有两个输出端，一个输出端为激光输出端，一个输出端与第二偏振控制器连接，第二偏振控制器调节入射光的偏振态后将光信号发送到非线性器件，非线性器件基于反四波混频效应对入射的光信号多纵模的激光光谱宽度进行窄化，然后将信号发送到可调谐滤波器进行窄带滤波，最后再循环回到第一偏振控制器及光放大器。

本发明中所述反四波混频效应参见S.K.Turitsyn等人在Nature Photonics期刊发表的文章(Inverse four-wave-mixing and self-parametric amplification effect in optical fibre,Nat.Photonics,9(9):608–614,2015)，该文章中提出在正常色散光纤中存在一种非线性效应——反四波混频，这种效应可有效窄化入射的多纵模激光的光谱宽度，引入光谱窄化效应。本发明通过将具有反四波混频效应的非线性器件引入光纤激光器谐振腔内，通过各个部件的配合，可实现增益-损耗-光谱窄化等一系列过程的反复进行，最终形成稳态的激光，实现可调谐单频激光的稳定输出。

作为一种优选，所述具有反四波混频效应的非线性器件采用非线性半导体光放大器，根据研究显示，此类半导体光放大器具有正常色散特性，且其色散特性可以通过驱动电流的改变进行控制，从而有效保证反四波混频导致的光谱窄化效应的引入。

作为另一种优选，所述具有反四波混频效应的非线性器件可采用正常色散光纤，该光纤在激光器输出波段具有正常色散，光纤长度可根据激光器参数进行优化，从而有效保证反四波混频导致的光谱窄化效应的引入。

优选的，所述光放大器采用半导体光放大器。半导体光放大器的腔长(毫米量级)与掺杂光纤放大器的腔长(一般要几米长)相比要短很多，可大大缩短所提出的光纤激光器的腔长，有效增大纵模间隔，更易于实现单频激光的输出。

优选的，在第一偏振控制器和光放大器之间设有用于保证光的单向传输的第一光隔离器。

优选的，在光放大器和光纤耦合器之间设有用于保证光的单向传输的第二光隔离器。该第二光隔离器同时可以避免反射光对光放大器造成影响。

优选的，可调谐滤波器进行大致选频，其3dB带宽设置一般小于0.4nm。

一种基于上述可调谐单频光纤激光器的实现方法，包括步骤：

(1)第一偏振控制器调节入射光的偏振态，监测激光器输出功率，使增益介质工作在最佳状态；

(2)光放大器提供增益，对光信号进行放大，得到宽谱光，输入光纤耦合器；

(3)在光纤耦合器的输出端进行分光，一路光反馈回激光腔内，另一路光作为激光输出；

(4)反馈回激光腔内的光进入第二偏振控制器，第二偏振控制器调节其偏振态，监测激光输出光谱宽度，使非线性器件工作于最佳状态，然后将信号传送到非线性器件；

(5)非线性器件基于反四波混频效应对入射的信号多纵模的激光光谱宽度进行窄化；

(6)非线性器件输出的光信号依次输入可调谐滤波器进行滤波和光放大器放大，然后再次经过光纤耦合器实现分光，上述过程循环反复，直至形成稳态的激光，实现单频激光的稳定输出；

(7)调节可调谐滤波器的滤波波长，实现单频激光输出的可调谐。

优选的，步骤(7)中，可调谐范围受限于可调谐滤波器的工作带宽及激光器增益介质的增益带宽。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明激光器利用反四波混频引入的光谱窄化效应，首次将其应用于单频光纤激光器，在激光腔内插入可调谐滤波器进行大致选频，结合反四波混频效应引入的光谱窄化效应消除多纵模振荡，实现了稳定的、宽带可调谐的单频激光输出。结构简单，无需加入复杂的器件，便于小型化、实用化。现有技术中复合腔及非泵浦可饱和吸收体等极大依赖于外界环境的稳定性，且效应本身就不稳定，而本发明依赖的效应非常稳定，输出激光光谱的稳定性也很好，线宽较窄。

(2)本发明的激光器可以大范围调谐，可覆盖C+L波段，其调谐范围仅受限于激光器增益介质的增益带宽及可调谐滤波器的工作波长范围。

(3)本发明的激光器输出激光光谱的信噪比较高。此外，如果腔内的介质具有高增益的特性时，激光器的输出功率可以很高。

附图说明

图1是实施例1所述可调谐单频光纤激光器的装置图。

图2是实施例1的结构框图。

图3是34nm波长范围内连续调谐的单频激光输出。

图4是1550.36nm波长的激光在0～200MHz范围内的频谱图。

图5是1550.36nm波长的激光经过210MHz频移自拍后得到的频谱图。

图6是实施例2所述可调谐单频光纤激光器的装置图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1，本实施例一种可调谐单频光纤激光器包括第一偏振控制器1、第一光隔离器2、半导体光放大器3、第二光隔离器4、光纤耦合器5、第二偏振控制器6、非线性器件7、可调谐滤波器8。

本实施例中，非线性器件采用非线性半导体光放大器(NL-SOA)。激光器是通过依次串联半导体光放大器3、光纤耦合器5、非线性半导体光放大器7-1和可调谐滤波器8构成的环形腔结构，其中光纤耦合器5有两个输出端。

环形腔内半导体光放大器3所产生的宽谱光输入光纤耦合器5，在光纤耦合器5的输出端进行分光，一部分光信号反馈回环内，另一部分光信号作为激光输出。反馈回环内的光信号依次输入非线性半导体光放大器7-1、可调谐滤波器8和半导体光放大器3，而后再次经过光纤耦合器5实现分光，上述过程循环反复，由于非线性半导体光放大器7-1能够有效引入反四波混频效应，对入射的多纵模的激光光谱宽度具有明显窄化效应，可在稳定激光建立过程中实现对入射光线宽的不断窄化，从而实现单频激光输出。

在环形腔内引入可调谐滤波器8，一方面进行选频，另一方面可调节滤波波长，从而实现了单频光纤激光器的可调谐输出。可调谐滤波器调节激光输出的波长，它通过非线性器件与光耦合器反馈端相连，整个结构是一个不断循环的环形腔，共同构成激光器的反馈腔，决定激光器输出特性。

由于半导体光放大器3和非线性半导体光放大器7-1都是偏振敏感器件，故在两个器件之前分别加入第一偏振控制器1和第二偏振控制器6，第一偏振控制器1对输入半导体光放大器3的激光偏振态进行优化，使半导体光放大器3工作在最佳状态。第二偏振控制器6用于对输入非线性半导体光放大器7-1的光的偏振态进行优化，使非线性半导体光放大器7-1中的反四波混频效应效率更高。

第一光隔离器2和第二光隔离器4用来保证光的单向传输。

图3为在1530.87nm～1565.22nm波长范围内连续调谐的单频激光输出，SMSR均大于55dB。图4为工作波长在1550.36nm的激光输出在0～200MHz范围内的频谱图，由于测量所得该单频光纤激光器的腔基频为8MHz，且在整个频谱范围内未见纵模之间的拍频信号，故激光输出为单频输出。图5是采用移频延迟自外差法，通过声光调制器引入210MHz频移得出的激光自拍频谱图，再利用洛伦兹曲线拟合，计算得出该波长下单频光纤激光器的线宽为9.5kHz。

本实施例所述可调谐单频光纤激光器的实现方法，包括步骤：

(1)第一偏振控制器调节入射光的偏振态，监测激光输出功率，使增益介质工作在最佳状态；

(2)光放大器提供增益，对光信号进行放大，得到宽谱光，输入光纤耦合器；

(3)在光纤耦合器的输出端进行分光，一路光反馈回激光腔内，另一路光作为激光输出；

(4)反馈回激光腔内的光进入第二偏振控制器，第二偏振控制器调节其偏振态，监测激光输出光谱宽度，使非线性器件工作于最佳状态，然后将信号传送到非线性器件；

(5)非线性半导体光放大器基于反四波混频效应对入射的信号多纵模的激光光谱宽度进行窄化；

(6)非线性半导体光放大器输出的光信号依次输入可调谐滤波器和光放大器，然后再次经过光纤耦合器实现分光，上述过程循环反复，直至形成稳态的激光，实现可调谐单频激光的稳定输出。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

本实施例中，非线性器件采用正常色散光纤。激光器包括第一偏振控制器1、第一光隔离器2、半导体光放大器3、第二光隔离器4、光纤耦合器5、第二偏振控制器6、正常色散光纤7-2、可调谐滤波器8，如图6所示。

环形腔内半导体光放大器3所产生的宽谱光输入光纤耦合器5，在光纤耦合器5的输出端进行分光，一部分光信号反馈回环内，另一部分光信号作为激光输出。反馈回环内的光信号依次输入正常色散光纤7-2、可调谐滤波器8和半导体光放大器3，而后再次经过光纤耦合器5实现分光，上述过程循环反复，由于正常色散光纤7-2能够有效引入反四波混频效应，对入射的多纵模的激光光谱宽度会有窄化效果，可对激光线宽不断窄化，从而实现单频激光的输出。在环形腔内引入可调谐滤波器8，一方面进行选频，另一方面可调节滤波波长，最终实现单频光纤激光器的可调谐输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。