一種可調(diào)諧單頻光纖激光器及其實(shí)現(xiàn)方法與流程

本發(fā)明涉及光電子技術(shù)中的光纖激光器研究領(lǐng)域，特別涉及一種可調(diào)諧單頻光纖激光器及其實(shí)現(xiàn)方法，其基于非線性器件中反四波混頻引入的光譜窄化效應(yīng)。

背景技術(shù)：

單頻光纖激光器屬于光纖激光器的熱點(diǎn)研究方向之一，以其相干性好、全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，被作為光源廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)、微波光子信號(hào)處理以及光譜成像等諸多領(lǐng)域。而寬帶可調(diào)諧單頻光纖激光器是其中一個(gè)重要研究方向。

目前單頻光纖激光器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以主要?dú)w納為以下幾大類：

一、超短腔。通過(guò)極大地縮短腔長(zhǎng)(一般約厘米或毫米量級(jí))增大激光器相鄰縱模間隔，結(jié)合窄帶濾波器件，使激光器工作在較穩(wěn)定的單頻狀態(tài)，如分布反饋式(DFB)和分布布拉格反射式(DBR)光纖激光器。但由于激光器的腔長(zhǎng)較短，輸出功率很低，也很難在腔內(nèi)插入可調(diào)諧濾波器等其它光學(xué)元器件來(lái)進(jìn)行輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧。

二、復(fù)合腔。通過(guò)在激光器腔內(nèi)插入兩個(gè)或多個(gè)光纖環(huán)或類似結(jié)構(gòu)形成復(fù)合腔，由于各子腔的腔長(zhǎng)不同，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的縱模間隔也不同，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光振蕩，激光輸出的縱模間隔最終由各個(gè)子腔對(duì)應(yīng)的縱模間隔的公倍數(shù)所決定，從而可大大增大縱模間隔，實(shí)現(xiàn)單頻輸出。但此類激光器容易受到外界環(huán)境諸如溫度、振動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致激光器穩(wěn)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(zhǎng)光柵的極窄帶濾波作用，可保證單頻激光輸出。但引入的可飽和吸收體也易受外界環(huán)境影響，且效應(yīng)本身就不穩(wěn)定。

四、引入窄帶濾波效應(yīng)或利用窄帶增益的受激布里淵散射效應(yīng)。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(shí)現(xiàn)單頻激光輸出，但其波長(zhǎng)可調(diào)諧特性受到限制。布里淵增益譜的譜寬非常窄，在腔長(zhǎng)較短時(shí)可實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出，但由于需要極高的泵浦光功率，且輸出單頻激光需要與泵浦光分離，實(shí)現(xiàn)方案具有一定局限性。

目前，非常需要一種穩(wěn)定、寬帶可調(diào)諧、較高輸出功率的單頻光纖激光器作為高性能單頻激光光源，以進(jìn)一步提高所應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種可調(diào)諧單頻光纖激光器，該激光器利用反四波混頻引入的光譜窄化效應(yīng)得到單頻激光輸出，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、寬帶可調(diào)諧、高功率輸出、高信噪比輸出等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述可調(diào)諧單頻光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法輸出光譜功率穩(wěn)定、線寬較窄。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種可調(diào)諧單頻光纖激光器，包括依次串聯(lián)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(yīng)的非線性器件和可調(diào)諧濾波器，其中，第一偏振控制器放在偏振相關(guān)的增益介質(zhì)之前，調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)后傳遞到光放大器，光放大器提供增益，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，所產(chǎn)生的光輸入到光纖耦合器，光纖耦合器有兩個(gè)輸出端，一個(gè)輸出端為激光輸出端，一個(gè)輸出端與第二偏振控制器連接，第二偏振控制器調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)后將光信號(hào)發(fā)送到非線性器件，非線性器件基于反四波混頻效應(yīng)對(duì)入射的光信號(hào)多縱模的激光光譜寬度進(jìn)行窄化，然后將信號(hào)發(fā)送到可調(diào)諧濾波器進(jìn)行窄帶濾波，最后再循環(huán)回到第一偏振控制器及光放大器。

本發(fā)明中所述反四波混頻效應(yīng)參見(jiàn)S.K.Turitsyn等人在Nature Photonics期刊發(fā)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(yīng)——反四波混頻，這種效應(yīng)可有效窄化入射的多縱模激光的光譜寬度，引入光譜窄化效應(yīng)。本發(fā)明通過(guò)將具有反四波混頻效應(yīng)的非線性器件引入光纖激光器諧振腔內(nèi)，通過(guò)各個(gè)部件的配合，可實(shí)現(xiàn)增益-損耗-光譜窄化等一系列過(guò)程的反復(fù)進(jìn)行，最終形成穩(wěn)態(tài)的激光，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧單頻激光的穩(wěn)定輸出。

作為一種優(yōu)選，所述具有反四波混頻效應(yīng)的非線性器件采用非線性半導(dǎo)體光放大器，根據(jù)研究顯示，此類半導(dǎo)體光放大器具有正常色散特性，且其色散特性可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流的改變進(jìn)行控制，從而有效保證反四波混頻導(dǎo)致的光譜窄化效應(yīng)的引入。

作為另一種優(yōu)選，所述具有反四波混頻效應(yīng)的非線性器件可采用正常色散光纖，該光纖在激光器輸出波段具有正常色散，光纖長(zhǎng)度可根據(jù)激光器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而有效保證反四波混頻導(dǎo)致的光譜窄化效應(yīng)的引入。

優(yōu)選的，所述光放大器采用半導(dǎo)體光放大器。半導(dǎo)體光放大器的腔長(zhǎng)(毫米量級(jí))與摻雜光纖放大器的腔長(zhǎng)(一般要幾米長(zhǎng))相比要短很多，可大大縮短所提出的光纖激光器的腔長(zhǎng)，有效增大縱模間隔，更易于實(shí)現(xiàn)單頻激光的輸出。

優(yōu)選的，在第一偏振控制器和光放大器之間設(shè)有用于保證光的單向傳輸?shù)牡谝还飧綦x器。

優(yōu)選的，在光放大器和光纖耦合器之間設(shè)有用于保證光的單向傳輸?shù)牡诙飧綦x器。該第二光隔離器同時(shí)可以避免反射光對(duì)光放大器造成影響。

優(yōu)選的，可調(diào)諧濾波器進(jìn)行大致選頻，其3dB帶寬設(shè)置一般小于0.4nm。

一種基于上述可調(diào)諧單頻光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟：

(1)第一偏振控制器調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)，監(jiān)測(cè)激光器輸出功率，使增益介質(zhì)工作在最佳狀態(tài)；

(2)光放大器提供增益，對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(jìn)行分光，一路光反饋回激光腔內(nèi)，另一路光作為激光輸出；

(4)反饋回激光腔內(nèi)的光進(jìn)入第二偏振控制器，第二偏振控制器調(diào)節(jié)其偏振態(tài)，監(jiān)測(cè)激光輸出光譜寬度，使非線性器件工作于最佳狀態(tài)，然后將信號(hào)傳送到非線性器件；

(5)非線性器件基于反四波混頻效應(yīng)對(duì)入射的信號(hào)多縱模的激光光譜寬度進(jìn)行窄化；

(6)非線性器件輸出的光信號(hào)依次輸入可調(diào)諧濾波器進(jìn)行濾波和光放大器放大，然后再次經(jīng)過(guò)光纖耦合器實(shí)現(xiàn)分光，上述過(guò)程循環(huán)反復(fù)，直至形成穩(wěn)態(tài)的激光，實(shí)現(xiàn)單頻激光的穩(wěn)定輸出；

(7)調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器的濾波波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出的可調(diào)諧。

優(yōu)選的，步驟(7)中，可調(diào)諧范圍受限于可調(diào)諧濾波器的工作帶寬及激光器增益介質(zhì)的增益帶寬。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明激光器利用反四波混頻引入的光譜窄化效應(yīng)，首次將其應(yīng)用于單頻光纖激光器，在激光腔內(nèi)插入可調(diào)諧濾波器進(jìn)行大致選頻，結(jié)合反四波混頻效應(yīng)引入的光譜窄化效應(yīng)消除多縱模振蕩，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的、寬帶可調(diào)諧的單頻激光輸出。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需加入復(fù)雜的器件，便于小型化、實(shí)用化。現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合腔及非泵浦可飽和吸收體等極大依賴于外界環(huán)境的穩(wěn)定性，且效應(yīng)本身就不穩(wěn)定，而本發(fā)明依賴的效應(yīng)非常穩(wěn)定，輸出激光光譜的穩(wěn)定性也很好，線寬較窄。

(2)本發(fā)明的激光器可以大范圍調(diào)諧，可覆蓋C+L波段，其調(diào)諧范圍僅受限于激光器增益介質(zhì)的增益帶寬及可調(diào)諧濾波器的工作波長(zhǎng)范圍。

(3)本發(fā)明的激光器輸出激光光譜的信噪比較高。此外，如果腔內(nèi)的介質(zhì)具有高增益的特性時(shí)，激光器的輸出功率可以很高。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1所述可調(diào)諧單頻光纖激光器的裝置圖。

圖2是實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是34nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧的單頻激光輸出。

圖4是1550.36nm波長(zhǎng)的激光在0～200MHz范圍內(nèi)的頻譜圖。

圖5是1550.36nm波長(zhǎng)的激光經(jīng)過(guò)210MHz頻移自拍后得到的頻譜圖。

圖6是實(shí)施例2所述可調(diào)諧單頻光纖激光器的裝置圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例一種可調(diào)諧單頻光纖激光器包括第一偏振控制器1、第一光隔離器2、半導(dǎo)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(diào)諧濾波器8。

本實(shí)施例中，非線性器件采用非線性半導(dǎo)體光放大器(NL-SOA)。激光器是通過(guò)依次串聯(lián)半導(dǎo)體光放大器3、光纖耦合器5、非線性半導(dǎo)體光放大器7-1和可調(diào)諧濾波器8構(gòu)成的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中光纖耦合器5有兩個(gè)輸出端。

環(huán)形腔內(nèi)半導(dǎo)體光放大器3所產(chǎn)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(jìn)行分光，一部分光信號(hào)反饋回環(huán)內(nèi)，另一部分光信號(hào)作為激光輸出。反饋回環(huán)內(nèi)的光信號(hào)依次輸入非線性半導(dǎo)體光放大器7-1、可調(diào)諧濾波器8和半導(dǎo)體光放大器3，而后再次經(jīng)過(guò)光纖耦合器5實(shí)現(xiàn)分光，上述過(guò)程循環(huán)反復(fù)，由于非線性半導(dǎo)體光放大器7-1能夠有效引入反四波混頻效應(yīng)，對(duì)入射的多縱模的激光光譜寬度具有明顯窄化效應(yīng)，可在穩(wěn)定激光建立過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光線寬的不斷窄化，從而實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出。

在環(huán)形腔內(nèi)引入可調(diào)諧濾波器8，一方面進(jìn)行選頻，另一方面可調(diào)節(jié)濾波波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了單頻光纖激光器的可調(diào)諧輸出?？烧{(diào)諧濾波器調(diào)節(jié)激光輸出的波長(zhǎng)，它通過(guò)非線性器件與光耦合器反饋端相連，整個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)不斷循環(huán)的環(huán)形腔，共同構(gòu)成激光器的反饋腔，決定激光器輸出特性。

由于半導(dǎo)體光放大器3和非線性半導(dǎo)體光放大器7-1都是偏振敏感器件，故在兩個(gè)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(duì)輸入半導(dǎo)體光放大器3的激光偏振態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，使半導(dǎo)體光放大器3工作在最佳狀態(tài)。第二偏振控制器6用于對(duì)輸入非線性半導(dǎo)體光放大器7-1的光的偏振態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，使非線性半導(dǎo)體光放大器7-1中的反四波混頻效應(yīng)效率更高。

第一光隔離器2和第二光隔離器4用來(lái)保證光的單向傳輸。

圖3為在1530.87nm～1565.22nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧的單頻激光輸出，SMSR均大于55dB。圖4為工作波長(zhǎng)在1550.36nm的激光輸出在0～200MHz范圍內(nèi)的頻譜圖，由于測(cè)量所得該單頻光纖激光器的腔基頻為8MHz，且在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)未見(jiàn)縱模之間的拍頻信號(hào)，故激光輸出為單頻輸出。圖5是采用移頻延遲自外差法，通過(guò)聲光調(diào)制器引入210MHz頻移得出的激光自拍頻譜圖，再利用洛倫茲曲線擬合，計(jì)算得出該波長(zhǎng)下單頻光纖激光器的線寬為9.5kHz。

本實(shí)施例所述可調(diào)諧單頻光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟：

(1)第一偏振控制器調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)，監(jiān)測(cè)激光輸出功率，使增益介質(zhì)工作在最佳狀態(tài)；

(2)光放大器提供增益，對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(jìn)行分光，一路光反饋回激光腔內(nèi)，另一路光作為激光輸出；

(4)反饋回激光腔內(nèi)的光進(jìn)入第二偏振控制器，第二偏振控制器調(diào)節(jié)其偏振態(tài)，監(jiān)測(cè)激光輸出光譜寬度，使非線性器件工作于最佳狀態(tài)，然后將信號(hào)傳送到非線性器件；

(5)非線性半導(dǎo)體光放大器基于反四波混頻效應(yīng)對(duì)入射的信號(hào)多縱模的激光光譜寬度進(jìn)行窄化；

(6)非線性半導(dǎo)體光放大器輸出的光信號(hào)依次輸入可調(diào)諧濾波器和光放大器，然后再次經(jīng)過(guò)光纖耦合器實(shí)現(xiàn)分光，上述過(guò)程循環(huán)反復(fù)，直至形成穩(wěn)態(tài)的激光，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧單頻激光的穩(wěn)定輸出。

實(shí)施例2

本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1：

本實(shí)施例中，非線性器件采用正常色散光纖。激光器包括第一偏振控制器1、第一光隔離器2、半導(dǎo)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(diào)諧濾波器8，如圖6所示。

環(huán)形腔內(nèi)半導(dǎo)體光放大器3所產(chǎn)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(jìn)行分光，一部分光信號(hào)反饋回環(huán)內(nèi)，另一部分光信號(hào)作為激光輸出。反饋回環(huán)內(nèi)的光信號(hào)依次輸入正常色散光纖7-2、可調(diào)諧濾波器8和半導(dǎo)體光放大器3，而后再次經(jīng)過(guò)光纖耦合器5實(shí)現(xiàn)分光，上述過(guò)程循環(huán)反復(fù)，由于正常色散光纖7-2能夠有效引入反四波混頻效應(yīng)，對(duì)入射的多縱模的激光光譜寬度會(huì)有窄化效果，可對(duì)激光線寬不斷窄化，從而實(shí)現(xiàn)單頻激光的輸出。在環(huán)形腔內(nèi)引入可調(diào)諧濾波器8，一方面進(jìn)行選頻，另一方面可調(diào)節(jié)濾波波長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)單頻光纖激光器的可調(diào)諧輸出。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。