專利名稱：基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地，涉及一種基于并行反饋的超窄線寬線腔 激光器。
背景技術(shù)：
激光器是發(fā)射激光的裝置，其應(yīng)用已遍及科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會發(fā)展的許多領(lǐng) 域。光纖激光器采用摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)，泵浦光在纖芯內(nèi)形成高功率密度，造成 摻雜粒子能級的粒子束反轉(zhuǎn)，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)恼答伝芈窌r(shí)，便產(chǎn)生激光輸出。光纖激光器是 激光領(lǐng)域的新技術(shù)，與其它介質(zhì)激光器相比，它具有長增益區(qū)、結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高，抗電 磁干擾強(qiáng)，溫度膨脹系數(shù)小，無需額外散熱裝置等優(yōu)點(diǎn)。激光器通常都是由三部分組成的，即激光工作介質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔。其中光 學(xué)諧振腔構(gòu)成了激光器的反饋回路，保證激光器可以得到穩(wěn)定持續(xù)、有一定功率、高質(zhì)量的 激光輸出。光纖激光器諧振腔的腔型通常可分為環(huán)形腔結(jié)構(gòu)和線形腔結(jié)構(gòu)兩類。窄線寬光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方式有多種，例如采用光纖布拉格光柵(FBG)構(gòu)成分布 反饋(DFB)或著分布布拉格反射(DBR)的線型腔結(jié)構(gòu)、單向環(huán)形腔結(jié)構(gòu)以及復(fù)合腔結(jié)構(gòu)。但 是，用光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)超窄線寬對光柵要求非常高，不易實(shí)現(xiàn)。另外一種方法是基于可 飽和吸收體光窄帶濾波器的光纖激光器，線寬普遍在kHz量級。這種方法簡單有效，是目前 實(shí)現(xiàn)窄線寬的主要方式。但是，這種方法進(jìn)一步壓縮線寬需要大幅度增長參鉺光纖長度，導(dǎo) 致實(shí)現(xiàn)超窄線寬很困難。目前現(xiàn)有商用光纖激光器線寬都在kHz以上，而且價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種基于并行反饋的超窄線寬線腔光纖線腔激光 器，利用該超窄線寬激光器，可以通過在諧振腔中加入一段或多段多模光纖來，可以壓窄激 光器所輸出的激光的線寬，從而實(shí)現(xiàn)超窄線寬激光輸出。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，包括 DFB激光器、90:10耦合器、一個(gè)反射單元、多段單模光纖和多模光纖，其中所述DFB激光器 與所述90 10耦合器以及所述90 10耦合器與所述反射單元分別通過由單模光纖和多模光 纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)耦合。此外，優(yōu)選地，在所述DFB激光器和所述90 10耦合器之間還設(shè)置有摻鉺光纖放大器。此外，由所述由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)是按照單模光纖_多模光 纖-單模光纖的方式構(gòu)成的。此外，優(yōu)選地，所述多模光纖的外芯直徑為125 μ m，內(nèi)芯直徑為62. 5 μ m，長度為 15m。所述單模光纖的長度為30m。此外，所述反射單元是法拉第旋鏡、光纖布拉格光柵或Sagnac環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，包括 摻鉺光纖放大器、第一和第二反射單元、90:10耦合器以及多段單模光纖和多模光纖，其中， 第一反射單元與所述摻鉺光纖放大器、所述摻鉺光纖放大器與所述90:10耦合器以及所述 90:10耦合器與第二反射單元分別通過由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)耦合。此外，由所述由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)是按照單模光纖_多模光 纖-單模光纖的方式構(gòu)成的。此外，優(yōu)選地，所述多模光纖的外芯直徑為125 μ m，內(nèi)芯直徑為62. 5 μ m，長度為 15m。所述單模光纖的長度為30m。此外，所述第一和第二反射單元是法拉第旋鏡、光纖布拉格光柵或Sagnac環(huán)。有益效果 根據(jù)本發(fā)明提供的基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，可以利用多模光纖來壓 縮線寬，從而可以實(shí)現(xiàn)超窄線寬激光輸出。此外，根據(jù)本發(fā)明的超窄線寬激光器的結(jié)構(gòu)簡 單、成本低、體積小、重量輕且集成方便。為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面包括后面將詳細(xì)說明并在 權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。 然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明 旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。


通過參考以下結(jié)合附圖的說明及權(quán)利要求書的內(nèi)容，并且隨著對本發(fā)明的更全面 理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中圖1是一個(gè)最簡單的并行反饋光纖線腔激光器的示圖；圖2是“單模光纖——多模光纖——單模光纖”結(jié)構(gòu)的示圖；圖3是漸變?nèi)劢拥摹皢文９饫w——多模光纖——單模光纖”結(jié)構(gòu)的示圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖7是光路中接入多模光纖的多段級聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8示出了三種可用的光纖反射鏡結(jié)構(gòu)；圖9是利用延時(shí)自外差法(DSHI)測量到的圖4激光器線寬測量圖；圖10是利用損耗補(bǔ)償?shù)难h(huán)延遲自外差法(LC-RDSHI)測量到的圖5激光器線寬 測量圖；和圖11是利用延時(shí)自外差法(DSHI)測量到的圖6激光器線寬測量圖。在所有附圖中相同的標(biāo)號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。具體實(shí)施例在進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器的實(shí)施例描述之前，首 先對術(shù)語“并行反饋回路”進(jìn)行簡要說明。在本發(fā)明中，術(shù)語“并行反饋回路”指的是光纖激光器中的正反饋回路為多路并行 的一種反饋回路。利用并行反饋回路，通過不同回路之間光的相干疊加作用，可以使得最后 輸出激光的光譜特性有所改善。圖1示出了一個(gè)基本的并行反饋的光纖線腔激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)。諧振腔中使用 兩個(gè)耦合器C1，C2搭建了一個(gè)馬赫曾德爾(MZ)結(jié)構(gòu)。在此諧振腔結(jié)構(gòu)中，共有四個(gè)不同的 閉合諧振回路，用上標(biāo)“ + ”表示光向右傳播，用上標(biāo)“-”表示光向左傳播，四個(gè)諧振回路可 以分別表示為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-。若該諧振腔結(jié)構(gòu)中存在增益介質(zhì)，由維納效應(yīng)可知，所產(chǎn)生激光波長應(yīng)買足所有 諧振回路的諧振條件，即
「_ f =HH封⑴7 nLx nL2 nL3 nL4 等式⑴其中c為激光波長，η為光纖折射率，Q1 q4是任意正整數(shù)。對于每個(gè)諧振回路， 兩個(gè)相鄰的諧振頻率的間隔即自由光譜區(qū)間FSR，滿足條件jp5A=;^'其中 i = 1，2，3，4，等式(2)定義所有腔長的最大公約長度為1，有1^ = XiI,其中小Xi為正整數(shù)。對于每個(gè) 諧振回路有急’其中i = 1，2，3，4，整個(gè)諧振腔產(chǎn)生激光的激射頻率要求存在一個(gè)正整數(shù)k，滿足 [οο46] 等式⑶
Cl A 2 /C 3 Α4 由此可以得到整個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)的激射頻率和FSR，即并行反饋的最終效果 _] ^^乏=為正整數(shù)，等式⑷FSR = ^j’等式⑶如果腔長差距比較小，腔的數(shù)目越多，所有腔長的最大公約長度越小，相應(yīng)的FSR 會越大。大的FSR提高了激光器的穩(wěn)定性，并方便選出單縱模。并行反饋回路存在許多實(shí)現(xiàn)方式，一種簡單高效的構(gòu)造方法是使用多模光纖 (MMF)。多 模光纖中獨(dú)立存在的多個(gè)橫模具有不同的傳播常數(shù)，因而相當(dāng)于多個(gè)不同的光 路。在單模光纖所構(gòu)建的激光器諧振腔中，通過合適的方法加入一段或多段多模光纖，可以 得到數(shù)目可觀的獨(dú)立諧振光路數(shù)。使用多模光纖實(shí)現(xiàn)的多路并行反饋具有并行光路多，光 路之間的光程差穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以大幅度壓窄激光器輸出激光的光譜線寬。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明采用多模光纖搭建的并行反饋激光器具有實(shí)現(xiàn)Hz以下超窄線寬的能力。圖2示出了一個(gè)基本的“單模光纖——多模光纖——單模光纖”的結(jié)構(gòu)單元。在 圖2中示出的結(jié)構(gòu)中，單模光纖中只能存在基模這一個(gè)橫模。當(dāng)基模進(jìn)入多模光纖后，會激 發(fā)出多模光纖中允許存在的多個(gè)橫模，而群速度不同的多個(gè)橫模等效于多個(gè)光路。多模光 纖中的多個(gè)橫模在重新進(jìn)入單模光纖時(shí)，以多模干涉(MMI)的方式相干疊加，絕大多數(shù)模 式中的能量重新耦合回到基模而進(jìn)入單模光纖傳播，從而實(shí)現(xiàn)多路并行的正反饋回路。圖3示出了通過熔融拉錐的方法對多模光纖和單模光纖進(jìn)行漸變連接而形成的 另一“單模光纖一多模光纖一單模光纖”的結(jié)構(gòu)單元。如圖3所示，使用這種工藝可以 使多模光纖和單模光纖的接頭處損耗大大降低。一個(gè)完整“單模光纖一一多模光纖——單 模光纖”結(jié)構(gòu)的典型損耗值在0. 5dB左右，而更好的制作工藝可以將這個(gè)損耗值降低到零附 近。多模光纖按照折射率分布類型，可以分為漸變型折射率多模光纖和階躍型折射率 多模光纖，它們所能傳播的模式總數(shù)分別為M - V2/4和M V2/2。其中V是光纖的歸一化 頻率
權(quán)利要求
1.一種基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一個(gè) 反射單元、多段單模光纖和多模光纖，其中所述DFB激光器與所述90:10耦合器以及所述 90:10耦合器與所述反射單元分別通過由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)耦合。
2.一種基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，包括摻鉺光纖放大器、第一和第二反射 單元、90:10耦合器以及多段單模光纖和多模光纖，其中，第一反射單元與所述摻鉺光纖放 大器、所述摻鉺光纖放大器與所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器與第二反射單元分 別通過由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)耦合。
3.如權(quán)利要求1所述的超窄線寬線腔激光器，其中，在所述DFB激光器和所述90 10耦 合器之間還設(shè)置有摻鉺光纖放大器。
4.如權(quán)利要求1或2所述的超窄線寬線腔激光器，其中，所述由單模光纖和多模光纖構(gòu) 成的光纖結(jié)構(gòu)是按照單模光纖_多模光纖_單模光纖的方式構(gòu)成的。
5.如權(quán)利要求1或2所述的超窄線寬線腔激光器，其中，所述多模光纖的外芯直徑為 125 μ m,內(nèi)芯直徑為62. 5 μ m,長度為15m。
6.如權(quán)利要求1或2所述的超窄線寬線腔激光器，其中，所述單模光纖的長度為30m。
7.如權(quán)利要求1所述的超窄線寬線腔激光器，其中，所述反射單元是法拉第旋鏡、光纖 布拉格光柵或Sagnac環(huán)。
8.如權(quán)利要求2所述的超窄線寬線腔激光器，其中，所述第一和第二反射單元是法拉 第旋鏡、光纖布拉格光柵或Sagnac環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于并行反饋的超窄線寬線腔激光器，包括DFB激光器、90:10耦合器、一個(gè)反射單元、多段單模光纖和多模光纖，其中所述DFB激光器與所述90:10耦合器以及所述90:10耦合器與所述反射單元分別通過由單模光纖和多模光纖構(gòu)成的光纖結(jié)構(gòu)耦合。
文檔編號H01S5/12GK102005697SQ20101051608
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者余曉琦, 朱立新, 李正斌, 王大量, 王子南, 王翠云, 蔣云 申請人:北京大學(xué)