一種可調諧單頻光纖雷射器及其實現方法與流程

2023-06-08 15:26:41 2

本發明涉及光電子技術中的光纖雷射器研究領域，特別涉及一種可調諧單頻光纖雷射器及其實現方法，其基於非線性器件中反四波混頻引入的光譜窄化效應。

背景技術：

單頻光纖雷射器屬於光纖雷射器的熱點研究方向之一，以其相干性好、全光纖結構的優勢，被作為光源廣泛應用於光纖通信系統、光纖傳感系統、微波光子信號處理以及光譜成像等諸多領域。而寬帶可調諧單頻光纖雷射器是其中一個重要研究方向。

目前單頻光纖雷射器的實現技術可以主要歸納為以下幾大類：

一、超短腔。通過極大地縮短腔長(一般約釐米或毫米量級)增大雷射器相鄰縱模間隔，結合窄帶濾波器件，使雷射器工作在較穩定的單頻狀態，如分布反饋式(DFB)和分布布拉格反射式(DBR)光纖雷射器。但由於雷射器的腔長較短，輸出功率很低，也很難在腔內插入可調諧濾波器等其它光學元器件來進行輸出波長的調諧。

二、複合腔。通過在雷射器腔內插入兩個或多個光纖環或類似結構形成複合腔，由於各子腔的腔長不同，導致其對應的縱模間隔也不同，為實現穩定的雷射振蕩，雷射輸出的縱模間隔最終由各個子腔對應的縱模間隔的公倍數所決定，從而可大大增大縱模間隔，實現單頻輸出。但此類雷射器容易受到外界環境諸如溫度、振動等因素影響，導致雷射器穩定性變差。

三、引入可飽和吸收體。利用光纖可飽和吸收體中形成的長光柵的極窄帶濾波作用，可保證單頻雷射輸出。但引入的可飽和吸收體也易受外界環境影響，且效應本身就不穩定。

四、引入窄帶濾波效應或利用窄帶增益的受激布裡淵散射效應。極窄帶濾波器諸如相移光纖光柵可濾出極少縱模，在一定條件下可實現單頻雷射輸出，但其波長可調諧特性受到限制。布裡淵增益譜的譜寬非常窄，在腔長較短時可實現單頻雷射輸出，但由於需要極高的泵浦光功率，且輸出單頻雷射需要與泵浦光分離，實現方案具有一定局限性。

目前，非常需要一種穩定、寬帶可調諧、較高輸出功率的單頻光纖雷射器作為高性能單頻雷射光源，以進一步提高所應用系統的性能。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種可調諧單頻光纖雷射器，該雷射器利用反四波混頻引入的光譜窄化效應得到單頻雷射輸出，具有結構簡單、穩定性好、寬帶可調諧、高功率輸出、高信噪比輸出等優點。

本發明的另一目的在於提供一種基於上述可調諧單頻光纖雷射器的實現方法，該方法輸出光譜功率穩定、線寬較窄。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種可調諧單頻光纖雷射器，包括依次串聯的第一偏振控制器、光放大器、光纖耦合器、第二偏振控制器、具有反四波混頻效應的非線性器件和可調諧濾波器，其中，第一偏振控制器放在偏振相關的增益介質之前，調節入射光的偏振態後傳遞到光放大器，光放大器提供增益，對光信號進行放大，所產生的光輸入到光纖耦合器，光纖耦合器有兩個輸出端，一個輸出端為雷射輸出端，一個輸出端與第二偏振控制器連接，第二偏振控制器調節入射光的偏振態後將光信號發送到非線性器件，非線性器件基於反四波混頻效應對入射的光信號多縱模的雷射光譜寬度進行窄化，然後將信號發送到可調諧濾波器進行窄帶濾波，最後再循環回到第一偏振控制器及光放大器。

本發明中所述反四波混頻效應參見S.K.Turitsyn等人在Nature Photonics期刊發表的文章(Inverse four-wave-mixing and self-parametric amplification effect in optical fibre,Nat.Photonics,9(9):608–614,2015)，該文章中提出在正常色散光纖中存在一種非線性效應——反四波混頻，這種效應可有效窄化入射的多縱模雷射的光譜寬度，引入光譜窄化效應。本發明通過將具有反四波混頻效應的非線性器件引入光纖雷射器諧振腔內，通過各個部件的配合，可實現增益-損耗-光譜窄化等一系列過程的反覆進行，最終形成穩態的雷射，實現可調諧單頻雷射的穩定輸出。

作為一種優選，所述具有反四波混頻效應的非線性器件採用非線性半導體光放大器，根據研究顯示，此類半導體光放大器具有正常色散特性，且其色散特性可以通過驅動電流的改變進行控制，從而有效保證反四波混頻導致的光譜窄化效應的引入。

作為另一種優選，所述具有反四波混頻效應的非線性器件可採用正常色散光纖，該光纖在雷射器輸出波段具有正常色散，光纖長度可根據雷射器參數進行優化，從而有效保證反四波混頻導致的光譜窄化效應的引入。

優選的，所述光放大器採用半導體光放大器。半導體光放大器的腔長(毫米量級)與摻雜光纖放大器的腔長(一般要幾米長)相比要短很多，可大大縮短所提出的光纖雷射器的腔長，有效增大縱模間隔，更易於實現單頻雷射的輸出。

優選的，在第一偏振控制器和光放大器之間設有用於保證光的單向傳輸的第一光隔離器。

優選的，在光放大器和光纖耦合器之間設有用於保證光的單向傳輸的第二光隔離器。該第二光隔離器同時可以避免反射光對光放大器造成影響。

優選的，可調諧濾波器進行大致選頻，其3dB帶寬設置一般小於0.4nm。

一種基於上述可調諧單頻光纖雷射器的實現方法，包括步驟：

(1)第一偏振控制器調節入射光的偏振態，監測雷射器輸出功率，使增益介質工作在最佳狀態；

(2)光放大器提供增益，對光信號進行放大，得到寬譜光，輸入光纖耦合器；

(3)在光纖耦合器的輸出端進行分光，一路光反饋回雷射腔內，另一路光作為雷射輸出；

(4)反饋回雷射腔內的光進入第二偏振控制器，第二偏振控制器調節其偏振態，監測雷射輸出光譜寬度，使非線性器件工作於最佳狀態，然後將信號傳送到非線性器件；

(5)非線性器件基於反四波混頻效應對入射的信號多縱模的雷射光譜寬度進行窄化；

(6)非線性器件輸出的光信號依次輸入可調諧濾波器進行濾波和光放大器放大，然後再次經過光纖耦合器實現分光，上述過程循環反覆，直至形成穩態的雷射，實現單頻雷射的穩定輸出；

(7)調節可調諧濾波器的濾波波長，實現單頻雷射輸出的可調諧。

優選的，步驟(7)中，可調諧範圍受限於可調諧濾波器的工作帶寬及雷射器增益介質的增益帶寬。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

(1)本發明雷射器利用反四波混頻引入的光譜窄化效應，首次將其應用於單頻光纖雷射器，在雷射腔內插入可調諧濾波器進行大致選頻，結合反四波混頻效應引入的光譜窄化效應消除多縱模振蕩，實現了穩定的、寬帶可調諧的單頻雷射輸出。結構簡單，無需加入複雜的器件，便於小型化、實用化。現有技術中複合腔及非泵浦可飽和吸收體等極大依賴於外界環境的穩定性，且效應本身就不穩定，而本發明依賴的效應非常穩定，輸出雷射光譜的穩定性也很好，線寬較窄。

(2)本發明的雷射器可以大範圍調諧，可覆蓋C+L波段，其調諧範圍僅受限於雷射器增益介質的增益帶寬及可調諧濾波器的工作波長範圍。

(3)本發明的雷射器輸出雷射光譜的信噪比較高。此外，如果腔內的介質具有高增益的特性時，雷射器的輸出功率可以很高。

附圖說明

圖1是實施例1所述可調諧單頻光纖雷射器的裝置圖。

圖2是實施例1的結構框圖。

圖3是34nm波長範圍內連續調諧的單頻雷射輸出。

圖4是1550.36nm波長的雷射在0～200MHz範圍內的頻譜圖。

圖5是1550.36nm波長的雷射經過210MHz頻移自拍後得到的頻譜圖。

圖6是實施例2所述可調諧單頻光纖雷射器的裝置圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1

參見圖1，本實施例一種可調諧單頻光纖雷射器包括第一偏振控制器1、第一光隔離器2、半導體光放大器3、第二光隔離器4、光纖耦合器5、第二偏振控制器6、非線性器件7、可調諧濾波器8。

本實施例中，非線性器件採用非線性半導體光放大器(NL-SOA)。雷射器是通過依次串聯半導體光放大器3、光纖耦合器5、非線性半導體光放大器7-1和可調諧濾波器8構成的環形腔結構，其中光纖耦合器5有兩個輸出端。

環形腔內半導體光放大器3所產生的寬譜光輸入光纖耦合器5，在光纖耦合器5的輸出端進行分光，一部分光信號反饋迴環內，另一部分光信號作為雷射輸出。反饋迴環內的光信號依次輸入非線性半導體光放大器7-1、可調諧濾波器8和半導體光放大器3，而後再次經過光纖耦合器5實現分光，上述過程循環反覆，由於非線性半導體光放大器7-1能夠有效引入反四波混頻效應，對入射的多縱模的雷射光譜寬度具有明顯窄化效應，可在穩定雷射建立過程中實現對入射光線寬的不斷窄化，從而實現單頻雷射輸出。

在環形腔內引入可調諧濾波器8，一方面進行選頻，另一方面可調節濾波波長，從而實現了單頻光纖雷射器的可調諧輸出。可調諧濾波器調節雷射輸出的波長，它通過非線性器件與光耦合器反饋端相連，整個結構是一個不斷循環的環形腔，共同構成雷射器的反饋腔，決定雷射器輸出特性。

由於半導體光放大器3和非線性半導體光放大器7-1都是偏振敏感器件，故在兩個器件之前分別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對輸入半導體光放大器3的雷射偏振態進行優化，使半導體光放大器3工作在最佳狀態。第二偏振控制器6用於對輸入非線性半導體光放大器7-1的光的偏振態進行優化，使非線性半導體光放大器7-1中的反四波混頻效應效率更高。

第一光隔離器2和第二光隔離器4用來保證光的單向傳輸。

圖3為在1530.87nm～1565.22nm波長範圍內連續調諧的單頻雷射輸出，SMSR均大於55dB。圖4為工作波長在1550.36nm的雷射輸出在0～200MHz範圍內的頻譜圖，由於測量所得該單頻光纖雷射器的腔基頻為8MHz，且在整個頻譜範圍內未見縱模之間的拍頻信號，故雷射輸出為單頻輸出。圖5是採用移頻延遲自外差法，通過聲光調製器引入210MHz頻移得出的雷射自拍頻譜圖，再利用洛倫茲曲線擬合，計算得出該波長下單頻光纖雷射器的線寬為9.5kHz。

本實施例所述可調諧單頻光纖雷射器的實現方法，包括步驟：

(1)第一偏振控制器調節入射光的偏振態，監測雷射輸出功率，使增益介質工作在最佳狀態；

(2)光放大器提供增益，對光信號進行放大，得到寬譜光，輸入光纖耦合器；

(3)在光纖耦合器的輸出端進行分光，一路光反饋回雷射腔內，另一路光作為雷射輸出；

(4)反饋回雷射腔內的光進入第二偏振控制器，第二偏振控制器調節其偏振態，監測雷射輸出光譜寬度，使非線性器件工作於最佳狀態，然後將信號傳送到非線性器件；

(5)非線性半導體光放大器基於反四波混頻效應對入射的信號多縱模的雷射光譜寬度進行窄化；

(6)非線性半導體光放大器輸出的光信號依次輸入可調諧濾波器和光放大器，然後再次經過光纖耦合器實現分光，上述過程循環反覆，直至形成穩態的雷射，實現可調諧單頻雷射的穩定輸出。

實施例2

本實施例除下述特徵外其他結構同實施例1：

本實施例中，非線性器件採用正常色散光纖。雷射器包括第一偏振控制器1、第一光隔離器2、半導體光放大器3、第二光隔離器4、光纖耦合器5、第二偏振控制器6、正常色散光纖7-2、可調諧濾波器8，如圖6所示。

環形腔內半導體光放大器3所產生的寬譜光輸入光纖耦合器5，在光纖耦合器5的輸出端進行分光，一部分光信號反饋迴環內，另一部分光信號作為雷射輸出。反饋迴環內的光信號依次輸入正常色散光纖7-2、可調諧濾波器8和半導體光放大器3，而後再次經過光纖耦合器5實現分光，上述過程循環反覆，由於正常色散光纖7-2能夠有效引入反四波混頻效應，對入射的多縱模的雷射光譜寬度會有窄化效果，可對雷射線寬不斷窄化，從而實現單頻雷射的輸出。在環形腔內引入可調諧濾波器8，一方面進行選頻，另一方面可調節濾波波長，最終實現單頻光纖雷射器的可調諧輸出。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。