專利名稱：一種可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到相干光通信、光纖傳感、以及光纖遙感等領(lǐng)域所應(yīng)用的光纖激光，尤其是一種可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光器。
背景技術(shù)：
窄線寬單頻激光是光纖激光器發(fā)展的一個(gè)重要方向，它具有極窄線寬、低噪聲、優(yōu)異相干特性，廣泛應(yīng)用于相干光通信、長(zhǎng)距離與高精度傳感、激光測(cè)距與指示、以及材料技術(shù)等領(lǐng)域。尤其對(duì)于相干光通信，一般要求激光光源的光譜線寬極窄(線寬將直接決定通信系統(tǒng)中所能達(dá)到的最低誤碼率，必須盡量減小)、頻率穩(wěn)定度高、多波長(zhǎng)或波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出(滿足多信道工作，超高通信容量帶寬)。其中窄線寬單頻光纖激光光譜線寬最高可達(dá)到10_8nm，比現(xiàn)有最好窄線寬DFB激光器的線寬要窄2個(gè)數(shù)量級(jí)，比目前光通信網(wǎng)絡(luò)中DWDM信號(hào)光源的線寬要窄5 6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，發(fā)展可調(diào)諧kHz量級(jí)窄線寬單頻光纖激光器勢(shì)在必行。要實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻光纖激光輸出，合理的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前，商用窄線寬單頻光纖激光，一般采用稀土離子高摻雜石英基質(zhì)光纖作為單頻光纖激光的增益工作介質(zhì)，結(jié)合短直F-P腔結(jié)構(gòu)方式，但是受制于摻雜稀土離子的濃度無(wú)法進(jìn)一步提高和單頻激光諧振腔腔長(zhǎng)等因素，最高只能輸出幾個(gè)mW量級(jí)的單頻光纖激光，而且線寬較難做到IOkHz以下。然而，采用稀土離子高摻雜多組分玻璃基質(zhì)光纖作為單頻激光的增益工作介質(zhì)，可以有效地實(shí)現(xiàn)輸出功率大于100mW、線寬小于2kHz的單頻光纖激光輸出。例如:采用2cm長(zhǎng)的鉺鐿共摻磷酸鹽光纖，實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于200mW、線寬小于2kHz、波長(zhǎng)為1.5 μ m的單頻光纖激光輸出報(bào)道[J.Lightwave Technol., 2004, 22: 57]。此外，2004年，美國(guó)亞歷山大大學(xué)和NP光子公司申請(qǐng)了高功率窄線寬單頻激光系統(tǒng)專利[公開(kāi)號(hào):US2004/0240508 Al]，基于微片式激光諧振腔結(jié)構(gòu)，但是其所要求的單頻激光器并未具有全光纖化、波長(zhǎng)可調(diào)諧與陣列式特征。2011年，美國(guó)IPG公司申請(qǐng)了高功率窄線寬光纖激光器專利[公開(kāi)號(hào):US 7903696 B2]，基于2個(gè)超短單頻諧振腔輸出低功率窄線寬單頻激光信號(hào)，分別通過(guò)普通摻鉺光纖放大器和高功率雙包層光纖放大器進(jìn)行激光功率放大，但是其所要求的光纖激光器并未具有波長(zhǎng)可調(diào)諧與陣列式特征。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)方面的問(wèn)題，提供一種可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光器。本實(shí)用新型分別利用多組分玻璃光纖陣列的高摻雜和高增益特性、半導(dǎo)體激光芯片陣列提供泵浦能量、窄線寬光纖光柵陣列進(jìn)行選頻、采用短直F-P腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合精密溫控技術(shù)和選擇性泵浦源工作控制方式，再利用微型短光纖功率放大技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧kHz量級(jí)(如< 10 kHz)窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出。本實(shí)用新型通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。[0006]一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其包括半導(dǎo)體激光芯片陣列、準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)、多組分玻璃光纖陣列、窄帶光纖光柵陣列、大功率半導(dǎo)體激光器芯片、保偏合波器、高增益短保偏有源光纖、光隔離器、保偏尾纖、熱電制冷器TEC、熱電制冷器TEC、熱沉和多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜或?qū)拵Ч饫w光柵陣列；半導(dǎo)體激光芯片陣列的輸出端與準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)連接，準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)與多組分玻璃光纖陣列鍍膜端面或者寬帶光纖光柵陣列耦合連接，多組分玻璃光纖陣列鍍膜端面或者寬帶光纖光柵陣列與多組分玻璃光纖陣列連接，多組分玻璃光纖陣列與窄帶光纖光柵陣列的輸入端連接，窄帶光纖光柵陣列的輸出端與保偏合波器的信號(hào)輸入端連接，大功率半導(dǎo)體激光器芯片的輸出端與保偏合波器泵浦輸入端連接，保偏合波器的信號(hào)輸出端與高增益短保偏有源光纖連接，高增益短保偏有源光纖與光隔離器的輸入端連接，光隔離器的輸出端與保偏尾纖連接；半導(dǎo)體激光芯片陣列安裝在第一熱電制冷器TEC上，多組分玻璃光纖陣列、窄帶光纖光柵陣列安裝在第二熱電制冷器TEC上；各陣列的組成單元數(shù)均為η，η彡2 (如2個(gè) 120個(gè))，陣列與陣列之間的連接方式均為各組成單元的一對(duì)一連接；所述準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)包括快軸準(zhǔn)直透鏡和η個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡，快軸準(zhǔn)直透鏡與每個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡耦合連接。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器還包括熱沉，所述可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器的所有組成部件均固定封裝在熱沉中。進(jìn)一步優(yōu)化的，多組分玻璃光纖陣列中的多組分玻璃光纖的纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其化學(xué)組成為:65P205-9Al203-20Ba0-4La203-2Nd203 ;多組分玻璃光纖的基質(zhì)材料包括磷酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃和碲酸鹽玻璃，纖芯摻雜高濃度的稀土發(fā)光離子的(鑭系離子、過(guò)渡金屬離子或其他金屬離子中一種或幾種的組合體)，稀土離子的摻雜濃度大于I X 1019ions/cm3,其中鐿的摻雜濃度大于鉺的摻雜濃度。進(jìn)一步優(yōu)化的，多組分玻璃光纖陣列中的多組分玻璃光纖的纖芯為圓形，纖芯直徑為3 15 μ m,包層直徑為125 440 μ m ;纖芯的折射率為N1，包層的折射率分布為N2,且滿足關(guān)系=N1SN2t5 進(jìn)一步優(yōu)化的，多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜或?qū)拵Ч饫w光柵陣列與多組分玻璃光纖陣列和窄帶光纖光柵陣列連接形成多個(gè)單頻光纖激光輸出單元；半導(dǎo)體激光芯片陣列中的每個(gè)芯片單元相應(yīng)的對(duì)單頻光纖激光輸出單元進(jìn)行抽運(yùn)，每個(gè)單頻光纖激光輸出單元安裝在一個(gè)獨(dú)立的熱電制冷器TEC上，半導(dǎo)體激光芯片陣列的每個(gè)半導(dǎo)體激光芯片單元也均安裝在一個(gè)獨(dú)立的熱電制冷器TEC上，通過(guò)熱電制冷器TEC對(duì)每個(gè)單頻光纖激光輸出單元實(shí)行精密地溫控調(diào)節(jié)，從而控制單頻光纖激光輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)輸出激光中心波長(zhǎng)范圍的微調(diào)諧；選擇性控制一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光芯片單元的開(kāi)啟或者關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)輸出路數(shù)的可調(diào)諧，使所述單頻光纖激光輸出單元成為可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元；多個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元，通過(guò)保偏合波器，采取合波方式形成陣列輸出，即形成可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜或?qū)拵Ч饫w光柵陣列是對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率在80%、9%之間；對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)高反，反射率為8(Γ99% ;窄帶光纖光柵陣列中每一根窄帶光纖光柵對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)有選擇性反射，其中心波長(zhǎng)處的反射率為5 90% ;每一根窄帶光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)位于多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜或者寬帶光纖光柵的反射譜線內(nèi)。[0012]進(jìn)一步的，所述薄膜或者寬帶光纖光柵對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)高反，反射率大于85% ;對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率大于85%。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述半導(dǎo)體激光芯片陣列的半導(dǎo)體激光芯片單元為邊發(fā)射結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器芯片或者其他封裝形式的半導(dǎo)體激光器芯片中的一種以上，所述半導(dǎo)體激光芯片單元輸出參數(shù)為泵浦波長(zhǎng)800 1500nm，輸出泵浦功率大于40mW，泵浦方式是半導(dǎo)體激光芯片單元采用前向泵浦、后向泵浦、前后雙向泵浦或者它們之間的組合泵浦方式。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大功率半導(dǎo)體激光器芯片輸出參數(shù)為泵浦波長(zhǎng)800 1500nm，輸出泵浦功率大于200mW，泵浦方式是大功率半導(dǎo)體激光器芯片采用前向泵浦或后向泵浦方式；所述保偏尾纖為單模光纖，其纖芯直徑為4 15 μ m,包層直徑為125 μ m,數(shù)值孔徑為0.1 0.3。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述保偏合波器為平面基板高保偏合波器，是利用平面光波導(dǎo)光刻和離子蝕刻技術(shù)制作的高度集成化光器件，其類型為(1+ m) XI，信號(hào)輸入端端口數(shù)m ^ 1，將m個(gè)輸入信號(hào)(可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光單元的輸出信號(hào))與一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片的泵浦光進(jìn)行合波后再經(jīng)信號(hào)輸出端輸出。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述高增益短保偏有源光纖為高增益多組分玻璃保偏光纖，截面形狀為熊貓臉結(jié)構(gòu)，纖芯為圓形，纖芯直徑一般為2 15 μ m ;兩熊貓眼對(duì)稱排布且與纖芯距離為1(Γ40μπι，熊貓眼直徑為1(Γ30μπι;高增益短保偏有源光纖(9)包層為圓形，直徑為125 440 μ m,其纖芯成分為磷酸鹽玻璃，化學(xué)組成為:65P205-9Al203-20Ba0_4La203-2Nd203，其基質(zhì)材料包括磷酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃或碲酸鹽玻璃，其纖芯摻雜高濃度的稀土發(fā)光離子的(鑭系離子、過(guò)渡金屬離子或其他金屬離子中一種或幾種的組合體)，稀土離子的摻雜濃度要大于IX 1019ions/cm3，鐿的摻雜濃度大于鉺的摻雜濃度。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡，為梯度折射率分布微透鏡結(jié)構(gòu)，圓柱形，直徑Φ大于1mm，厚度d大于0.5mm。
進(jìn)一步優(yōu)化的，多組分玻璃光纖陣列作為單頻光纖激光的工作介質(zhì)，所述多組分玻璃光纖使用長(zhǎng)度為0.5^20 Cm，其具體使用長(zhǎng)度可以根據(jù)單頻光纖激光輸出單元的功率大小、線寬大小要求進(jìn)行不同的選擇。進(jìn)一步的，所述每個(gè)單頻光纖激光輸出單元的諧振腔采用短腔結(jié)構(gòu)，由每一根多組分玻璃光纖端面鍍膜或者一根寬帶光纖光柵(可選)和一根窄帶光纖光柵組成F-P腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡形式。所述前腔鏡由每一根多組分玻璃光纖的一端(前端)端面鍍上薄膜或者寬帶光纖光柵(可選)完成。所述每一根窄帶光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)位于多組分玻璃光纖端面鍍膜薄膜或者寬帶光纖光柵(可選)的反射譜線內(nèi)。窄帶光纖光柵對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)有選擇性反射(即部分透射)，中心波長(zhǎng)反射率為5 90%，其作為單頻光纖激光諧振腔的后腔鏡與輸出率禹合兀器件。進(jìn)一步優(yōu)化的，每個(gè)單頻光纖激光諧振腔(主要由多組分玻璃光纖和光纖光柵構(gòu)成)，置于一獨(dú)立的熱電制冷器TEC上進(jìn)行精密溫控調(diào)節(jié)，其溫度控制精度< ±0.01°C，通過(guò)精密溫控實(shí)現(xiàn)單頻光纖激光輸出單元的激光中心波長(zhǎng)的微調(diào)諧。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述光器件或光纖之間連接方式是通過(guò)研磨拋光其相應(yīng)光纖端面之后，采用機(jī)械對(duì)接耦合，或者采用熔接機(jī)熔融連接耦合。所述可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光功率放大之后，再經(jīng)過(guò)光隔離器、保偏尾纖輸出，其中光隔離器保障光路的正常反饋和抑制端面光反射，提高輸出激光的功率穩(wěn)定性與可靠性。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述平面基板高保偏合波器是利用平面光波導(dǎo)光刻和離子蝕刻技術(shù)制作的高度集成化光器件，其類型為(1+ m)Xl，(其中m3 1，表示信號(hào)輸入端端口數(shù)，如(1+1) X 1、( 1+10) X 1、( 1+40) X I等)，可以將m個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光單元與一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片的泵浦激光進(jìn)行合波在一起，經(jīng)其信號(hào)輸出端輸出。所述光路和元器件固定封裝在一金屬材質(zhì)熱沉上，有效進(jìn)行熱耗散，避免可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光工作時(shí)的熱量累積問(wèn)題，保證輸出功率、激光工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。所述準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)由一個(gè)快軸準(zhǔn)直透鏡單元與慢軸準(zhǔn)直透鏡陣列構(gòu)成，每個(gè)LD芯片單元輸出的發(fā)散狀態(tài)泵浦激光經(jīng)過(guò)快軸準(zhǔn)直透鏡單元聚焦準(zhǔn)直，接著準(zhǔn)直之后的泵浦激光再經(jīng)過(guò)慢軸準(zhǔn)直透鏡陣列聚焦耦合進(jìn)入光纖。本實(shí)用新型上述方案的部分工作原理說(shuō)明:首先，選擇半導(dǎo)體激光芯片陣列(由多個(gè)獨(dú)立半導(dǎo)體激光芯片單元構(gòu)成)對(duì)單頻光纖激光諧振腔陣列(主要由多組分玻璃光纖陣列和光纖光柵陣列構(gòu)成)進(jìn)行抽運(yùn)，共同實(shí)現(xiàn)陣列形式的單頻光纖激光輸出單元。接著通過(guò)溫度控制微型模塊一一熱電制冷器(TEC芯片)對(duì)每個(gè)單頻光纖激光輸出單元實(shí)行精密地溫控調(diào)節(jié)，從而可以控制單頻光纖激光輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)輸出激光中心波長(zhǎng)范圍的微調(diào)諧；此夕卜，選擇性控制一路或多路波長(zhǎng)是否同時(shí)工作輸出，即實(shí)現(xiàn)輸出路數(shù)(輸出波長(zhǎng)數(shù)目)的可調(diào)諧，這些控制方式可以實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻光纖激光的可調(diào)諧形式輸出。其次，多個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元，通過(guò)平面基板高保偏合波器，采取合波方式形成陣列輸出，即形成可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出，但其輸出功率一般較低。最后，采用微型短光纖功率放大技術(shù)，將可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光(信號(hào)種子激光)和一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片的泵浦激光合波在一起，進(jìn)入一段高增益短保偏有源光纖進(jìn)行功率放大至其輸出功率達(dá)到一定要求，即可以實(shí)現(xiàn)一般應(yīng)用要求的可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和顯著效果:高增益多組分玻璃光纖陣列作為激光的工作介質(zhì)，多組分玻璃光纖端面鍍膜或者寬帶光纖光柵(可選)和窄帶光纖光柵組成短F-P腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡。在半導(dǎo)體激光器芯片的連續(xù)泵浦激勵(lì)下，多組分玻璃光纖纖芯中的稀土發(fā)光離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射信號(hào)光，在腔鏡作用下，信號(hào)光多次來(lái)回振蕩反饋并得到多次放大，并最終產(chǎn)生激光輸出。由于激光諧振腔腔長(zhǎng)只有厘米量級(jí)，腔內(nèi)的縱模間隔可達(dá)GHz，當(dāng)窄帶光纖光柵3dB反射譜窄至0.08nm,即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模(單頻)激光輸出。繼續(xù)增加泵浦光功率，最后可以實(shí)現(xiàn)kHz量級(jí)的窄線寬單頻光纖激光輸出。將每個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元分別置于一獨(dú)立的熱電制冷器TEC上，進(jìn)行精密溫控調(diào)節(jié)，由于外界熱應(yīng)力影響光纖光柵的反射波長(zhǎng)以及引起激光諧振腔腔長(zhǎng)的變化，可以導(dǎo)致激光中心波長(zhǎng)的變化(偏移)，但溫度變化引起的激光波長(zhǎng)偏移量范圍有限，即可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元的激光波長(zhǎng)的微調(diào)諧；此外，選擇其中一個(gè)或多個(gè)LD芯片單元開(kāi)啟或者關(guān)閉，選擇性加載泵浦源工作狀態(tài)，控制一路或多路波長(zhǎng)是否同時(shí)工作輸出，即實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)(輸出路數(shù))的可調(diào)諧?；诰軠乜丶夹g(shù)和選擇性泵浦源工作控制方式，可以有效地實(shí)現(xiàn)每個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元的可調(diào)諧，多個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元采取合波方式(形成陣列形式輸出)，即可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光輸出。通過(guò)微型短光纖功率放大功能部分，即采用一平面基板高保偏合波器，將每個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光(信號(hào)種子激光)輸出單元與一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片的泵浦激光合波到一起，進(jìn)入一段高增益短保偏有源光纖；首先，在大功率半導(dǎo)體激光器芯片的連續(xù)抽運(yùn)下，高增益短保偏有源光纖纖芯中的高摻雜稀土發(fā)光離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)合波后的可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光(信號(hào)種子激光)通過(guò)時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并釋放出和可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光完全相同的全同光子，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光的功率放大，使輸出功率達(dá)到要求。通過(guò)優(yōu)化窄線寬陣列單頻光纖激光信號(hào)的輸入功率、高增益保偏有源光纖的使用長(zhǎng)度、大功率半導(dǎo)體激光器的泵浦波長(zhǎng)與泵浦功率等，可以得到高信噪比、輸出功率適中、低噪聲的可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出。
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光器原理示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中TEC溫控方式與封裝示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:I一半導(dǎo)體激光LD芯片，2—快軸準(zhǔn)直透鏡，3—慢軸準(zhǔn)直透鏡，4一多組分玻璃光纖(鉺鐿共摻磷酸鹽光纖)鍍膜端面，5—多組分玻璃光纖(鉺鐿共摻磷酸鹽光纖)，6—窄帶光纖光柵，7—大功率半導(dǎo)體激光器芯片，8—平面基板高保偏合波器，9一高增益短保偏有源光纖，10一光隔離器，11一保偏尾纖，12一第一熱電制冷器TEC, 13一第二熱電制冷器TEC, 14 一熱沉。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明闡釋，但不限于該實(shí)施方式。如圖1所示，可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光器中激光后腔鏡使用鍍膜方式，激光前腔鏡使用窄帶光纖光柵，每個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元采用半導(dǎo)體激光器前向泵浦方式；微型短光纖功率放大單元采用大功率半導(dǎo)體激光器芯片7前向泵浦方式，半導(dǎo)體激光器芯片陣列I包括40個(gè)(fn，n=40)半導(dǎo)體激光(LD)芯片單元與準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)構(gòu)成一起構(gòu)成陣列。其中每個(gè)LD芯片單元輸出端與快軸準(zhǔn)直透鏡2耦合連接，快軸準(zhǔn)直透鏡2與每個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡3耦合連接，慢軸準(zhǔn)直透鏡3與多組分玻璃光纖(鉺鐿共摻磷酸鹽光纖)鍍膜端面4聚焦耦合連接，這樣分別實(shí)現(xiàn)40個(gè)LD芯片單元I到40個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元的低損耗耦合連接。其中每個(gè)LD芯片單元由獨(dú)立的第一熱電制冷器TEC12進(jìn)行精密溫度控制，保證其工作穩(wěn)定性?？烧{(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光器中，由40個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光單元構(gòu)成陣列形式，每一個(gè)窄線寬陣列式單頻光纖激光單元的激光波長(zhǎng)信道間隔為100GHz，其包括多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜4 (采用鉺鐿共摻磷酸鹽光纖鍍膜)、多組分玻璃光纖陣列5 (米用鉺鐿共摻磷酸鹽光纖)、窄帶光纖光柵陣列6。由40個(gè)LD芯片單兀構(gòu)成的半導(dǎo)體激光芯片陣列分別對(duì)40個(gè)單頻光纖激光單元進(jìn)行泵浦，其中40根鉺鐿共摻磷酸鹽光纖前端端面鍍膜分別與40根鉺鐿共摻磷酸鹽光纖整體連在一起,40根鉺鐿共摻磷酸鹽光纖分別與窄帶光纖光柵陣列6輸入端耦合連接，窄帶光纖光柵陣列6輸出端與保偏合波器8 (采用平面基板高保偏合波器)信號(hào)輸入端連接。其中高增益鉺鐿共摻磷酸鹽光纖作為激光器的增益工作介質(zhì)，具體使用長(zhǎng)度可根據(jù)單頻激光輸出功率大小以及線寬大小決定，本例使用長(zhǎng)度為1cm，一般使用長(zhǎng)度為0.5 20 cm。摻雜高濃度的稀土發(fā)光離子鉺和鐿，其摻雜濃度分別是2X102°ionS/Cm3、
4.0X102°ionS/Cm3，其纖芯直徑為6Mm和包層直徑為125Mm，纖芯主要成分為磷酸鹽玻璃組分(組成:65P205-9Al203-20Ba0-4La203-2Nd203)，稀土發(fā)光離子在纖芯中是均勻的高濃度摻雜。鉺鐿共摻磷酸鹽光纖5是通過(guò)鉆孔法、管棒法制作光纖預(yù)制棒，并在光纖拉絲塔中拉制而成的。鉺鐿共摻磷酸鹽光纖一端端面鍍膜4 (實(shí)現(xiàn)針對(duì)1.5 μ m信號(hào)光波長(zhǎng)的高反后腔鏡)和窄帶光纖光柵陣列6組成短F-P腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡。窄帶光纖光柵陣列6中的每個(gè)窄帶光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)都位于激光工作介質(zhì)的增益譜內(nèi)，并且位于鉺鐿共摻磷酸鹽光纖端面鍍膜膜層的高反射譜內(nèi)，反射率為80%，一般反射率為5 90%。通過(guò)準(zhǔn)確控制光纖光柵的3dB反射譜寬、中心波長(zhǎng)、反射率等光柵的關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)，并嚴(yán)格控制柵區(qū)長(zhǎng)度及反射譜旁瓣效應(yīng)，將整個(gè)單頻激光諧振腔腔長(zhǎng)控制在2 cm以下，從而可以保證在窄帶光纖光柵的反射譜線寬小于0.05nm的情況下，激光腔內(nèi)只存在一個(gè)單縱模模式，且無(wú)跳模及模式競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象出現(xiàn)。用半導(dǎo)體激光芯片單元I注入泵浦光，采用前向泵浦方式，泵浦光輸入到激光諧振腔中的高增益陣列鉺鐿共摻磷酸鹽光纖纖芯中，使其高摻雜稀土發(fā)光離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射的激光信號(hào)，信號(hào)光在短F-P腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡的反饋?zhàn)饔孟?，多次?lái)回振蕩并得到多次放大，在激光功率飽和前，隨著泵浦功率的不斷增強(qiáng)，單頻激光線寬就會(huì)不斷變窄，最后可以實(shí)現(xiàn)kHz量級(jí)的窄線寬單頻光纖激光輸出單元。將40個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元分別置于40個(gè)獨(dú)立的第二熱電制冷器TEC13上，進(jìn)行精密溫控調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻光纖激光輸出單元的激光中心波長(zhǎng)的微調(diào)諧；此外，選擇其中一個(gè)或多個(gè)LD芯片單元開(kāi)啟或者關(guān)閉，選擇性加載泵浦源工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)(輸出路數(shù))的可調(diào)諧?；跍乜丶夹g(shù)和選擇性泵浦源工作控制方式，可以有效實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻光纖激光的可調(diào)諧，40個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元采取合波方式(形成陣列形式輸出)，即可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光陣列形式輸出。如圖2所示，微型短光纖功率放大單元，由大功率半導(dǎo)體激光器芯片7、保偏合波器8、高增益短保偏有源光纖9組成。其中，高增益短保偏有源光纖9采用高增益短鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖，對(duì)窄帶光纖光柵陣列6的端面進(jìn)行研磨拋光,窄帶光纖光柵陣列6輸出端與平面基板高保偏合波器8中信號(hào)輸入端耦合連接，大功率半導(dǎo)體激光器芯片7輸出端與平面基板高保偏合波器8中泵浦輸入端耦合連接，平面基板高保偏合波器8信號(hào)輸出端與鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖耦合連接。即通過(guò)平面基板高保偏合波器8，將可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光輸出單元信號(hào)與一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片7進(jìn)行信號(hào)光泵浦光合波，進(jìn)入一段高增益短鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖之中進(jìn)行功率放大，放大一路或多路窄線寬單頻光纖激光信號(hào)。將放大的單頻光纖激光信號(hào)輸出端與光隔離器10的輸入端相連，將光隔離器10的輸出端與保偏尾纖11的輸入端相連，最后經(jīng)保偏尾纖11輸出端輸出穩(wěn)定的可調(diào)諧窄線寬陣列單頻光纖激光，所有的光路和元器件固定封裝在一金屬材質(zhì)熱沉14中進(jìn)行散熱。 如圖3所示，鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖的纖芯直徑為8 μ m，貓眼直徑為15μπι，與纖芯距離為25 μ m，包層直徑為125 μ m，優(yōu)化高增益鉺鐿共摻磷酸鹽保偏光纖的使用長(zhǎng)度，本例為5cm，得到信噪比> 65dB、輸出功率> 100mW、輸出激光線寬彡10 kHz的可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光輸 出。
權(quán)利要求1.一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于包括半導(dǎo)體激光芯片陣列(I)、準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)、多組分玻璃光纖陣列(5)、窄帶光纖光柵陣列(6)、大功率半導(dǎo)體激光器芯片(7)、保偏合波器(8)、高增益短保偏有源光纖(9)、光隔離器(10)、保偏尾纖(11 )、第一熱電制冷器TEC (12)、第二熱電制冷器TEC (13)、熱沉(14)和多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜(4)或?qū)拵Ч饫w光柵陣列；半導(dǎo)體激光芯片陣列的輸出端與準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)連接，準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)與多組分玻璃光纖陣列鍍膜端面或者寬帶光纖光柵陣列耦合連接，多組分玻璃光纖陣列鍍膜端面或者寬帶光纖光柵陣列與多組分玻璃光纖陣列(5)連接，多組分玻璃光纖陣列(5)與窄帶光纖光柵陣列(6)的輸入端連接，窄帶光纖光柵陣列(6)的輸出端與保偏合波器(8)的信號(hào)輸入端連接,大功率半導(dǎo)體激光器芯片(7)的輸出端與保偏合波器(8)泵浦輸入端連接，保偏合波器(8)的信號(hào)輸出端與高增益短保偏有源光纖(9)連接，高增益短保偏有源光纖(9)與光隔離器的輸入端連接，光隔離器的輸出端與保偏尾纖連接；半導(dǎo)體激光芯片陣列(I)安裝在第一熱電制冷器TEC上，多組分玻璃光纖陣列(5)、窄帶光纖光柵陣列(6)安裝在第二熱電制冷器TEC上；各陣列的組成單元數(shù)均為η, n ^ 2，陣列與陣列之間的連接方式均為各組成單元的一對(duì)一連接；所述準(zhǔn)直透鏡耦合系統(tǒng)包括快軸準(zhǔn)直透鏡(2 )和η個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡(3 )，快軸準(zhǔn)直透鏡(2 )與每個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡(3)耦合連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于還包括熱沉(14)，所述可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器的所有組成部件均固定封裝在熱沉(14)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于多組分玻璃光纖陣列(5)中的多組分玻璃光纖的纖芯成分為磷酸鹽玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于多組分玻璃光纖陣列(5)中的多組分玻璃光纖的纖芯為圓形,纖芯直徑為3" 5μηι,包層直徑為125 440μπι;纖芯的折射率為N1，包層的折射率分布為N2，且滿足關(guān)系牡外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于 多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜(4)或?qū)拵Ч饫w光柵陣列與多組分玻璃光纖陣列(5)和窄帶光纖光柵陣列(6)連接形成多個(gè)單頻光纖激光輸出單元；半導(dǎo)體激光芯片陣列中的每個(gè)芯片單元相應(yīng)的對(duì)單頻光纖激光輸出單元進(jìn)行抽運(yùn)，每個(gè)單頻光纖激光輸出單元安裝在一個(gè)獨(dú)立的熱電制冷器TEC上，半導(dǎo)體激光芯片陣列(I)的每個(gè)半導(dǎo)體激光芯片單元也均安裝在一個(gè)獨(dú)立的熱電制冷器TEC上，通過(guò)熱電制冷器TEC對(duì)每個(gè)單頻光纖激光輸出單元實(shí)行精密地溫控調(diào)節(jié)，從而控制單頻光纖激光輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)輸出激光中心波長(zhǎng)范圍的微調(diào)諧；選擇性控制一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光芯片單元的開(kāi)啟或者關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)輸出路數(shù)的可調(diào)諧，使所述單頻光纖激光輸出單元成為可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元；多個(gè)可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光輸出單元，通過(guò)保偏合波器，采取合波方式形成陣列輸出，即形成可調(diào)諧窄線寬陣列式單頻光纖激光輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于所述多組分玻璃光纖陣列的 光纖前端鍍膜(4)或?qū)拵Ч饫w光柵陣列是對(duì)泵浦光波長(zhǎng)高透，透射率在80%、9%之間；對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)高反，反射率為8(Γ99% ;窄帶光纖光柵陣列(6)中每一根窄帶光纖光柵對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)有選擇性反射，其中心波長(zhǎng)處的反射率為5 90% ;每一根窄帶光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)位于多組分玻璃光纖陣列的光纖前端鍍膜或者寬帶光纖光柵的反射譜線內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光芯片陣列的半導(dǎo)體激光芯片單元為邊發(fā)射結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器芯片或者其他封裝形式的半導(dǎo)體激光器芯片中的一種以上，所述半導(dǎo)體激光芯片單元輸出參數(shù)為泵浦波長(zhǎng)800 1500nm，輸出泵浦功率大于40mW，泵浦方式是半導(dǎo)體激光芯片單元采用前向泵浦、后向泵浦、前后雙向泵浦或者它們之間的組合泵浦方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于所述大功率半導(dǎo)體激光器芯片(7)輸出參數(shù)為泵浦波長(zhǎng)800 1500nm，輸出泵浦功率大于200mW，泵浦方式是大功率半導(dǎo)體激光器芯片(7)采用前向泵浦或后向泵浦方式；所述保偏尾纖為單模光纖，其纖芯直徑為4 15 μ m,包層直徑為125 μ m,數(shù)值孔徑為0.1 0.3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于所述保偏合波器(8)為平面基板高保偏合波器，是利用平面光波導(dǎo)光刻和離子蝕刻技術(shù)制作的高度集成化光器件，其類型為(1+ m)X I,信號(hào)輸入端端口數(shù)m彡I，將m個(gè)輸入信號(hào)與一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器芯片的泵浦光進(jìn)行合波后再經(jīng)信號(hào)輸出端輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，其特征在于所述高增益短保偏有源光纖(9)為高增益多組分玻璃保偏光纖，截面形狀為熊貓臉結(jié)構(gòu)，纖芯為圓形，纖芯直徑一般為2 15 μ m ;兩熊貓眼對(duì)稱排布且與纖芯距離為1(Γ40 μ m,熊貓眼直徑為1(Γ30μπι;高增益短保偏有源光纖(9)包層為圓形，直徑為125 440 μ m，其纖芯成分為磷酸鹽玻璃 。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種可調(diào)諧窄線寬陣列形式單頻光纖激光器，該光纖激光包括半導(dǎo)體激光芯片陣列部分、可調(diào)諧窄線寬單頻光纖激光陣列部分和微型短光纖功率放大部分，它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)信道間隔為100GHz的單橫模功率≥100mW、信噪比≥65dB、窄線寬≤10kHz陣列式單頻光纖激光輸出?；诰軠乜丶夹g(shù)和選擇性泵浦源工作控制等方式，可以有效地實(shí)現(xiàn)每個(gè)窄線寬單頻光纖激光輸出單元的中心波長(zhǎng)(或輸出路數(shù))的可調(diào)諧功能，從而實(shí)現(xiàn)窄線寬陣列形式的單頻光纖激光所構(gòu)成的輸出波長(zhǎng)覆蓋范圍實(shí)時(shí)、有效地可調(diào)諧。該實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于相干光通信以及對(duì)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行高精度傳感、探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S3/042GK202997294SQ20122068534
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者徐善輝, 楊中民, 楊昌盛, 馮洲明, 張勤遠(yuǎn), 姜中宏 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)