一种可调谐窄线宽阵列单频光纤激光器

摘要

本发明提供了一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，该光纤激光包括半导体激光芯片阵列部分、可调谐窄线宽单频光纤激光阵列部分和微型短光纤功率放大部分，它可以同时实现激光波长信道间隔为100GHz的单横模功率≥100mW、信噪比≥65dB、窄线宽≤10kHz阵列式单频光纤激光输出。基于精密温控技术和选择性泵浦源工作控制等方式，可以有效地实现每个窄线宽单频光纤激光输出单元的中心波长（或输出路数）的可调谐功能，从而实现窄线宽阵列形式的单频光纤激光所构成的输出波长覆盖范围实时、有效地可调谐。该发明可以广泛应用于相干光通信以及对多个目标同时进行高精度传感、探测等应用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及到相干光通信、光纤传感、以及光纤遥感等领域所应用的光纤激光，尤其是一种可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光器。

 

背景技术

窄线宽单频激光是光纤激光器发展的一个重要方向，它具有极窄线宽、低噪声、优异相干特性，广泛应用于相干光通信、长距离与高精度传感、激光测距与指示、以及材料技术等领域。尤其对于相干光通信，一般要求激光光源的光谱线宽极窄（线宽将直接决定通信系统中所能达到的最低误码率，必须尽量减小）、频率稳定度高、多波长或波长可调谐输出（满足多信道工作，超高通信容量带宽）。其中窄线宽单频光纤激光光谱线宽最高可达到10^-8nm，比现有最好窄线宽DFB激光器的线宽要窄2个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。因此，发展可调谐kHz量级窄线宽单频光纤激光器势在必行。

要实现窄线宽单频光纤激光输出，合理的光学结构设计至关重要。目前，商用窄线宽单频光纤激光，一般采用稀土离子高掺杂石英基质光纤作为单频光纤激光的增益工作介质，结合短直F-P腔结构方式，但是受制于掺杂稀土离子的浓度无法进一步提高和单频激光谐振腔腔长等因素，最高只能输出几个mW量级的单频光纤激光，而且线宽较难做到10kHz以下。

然而，采用稀土离子高掺杂多组分玻璃基质光纤作为单频激光的增益工作介质，可以有效地实现输出功率大于100mW、线宽小于2kHz的单频光纤激光输出。例如：采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、波长为1.5μm的单频光纤激光输出报道[J. Lightwave Technol., 2004, 22: 57]。此外，2004年，美国亚历山大大学和NP光子公司申请了高功率窄线宽单频激光系统专利[公开号：US 2004/0240508 A1]，基于微片式激光谐振腔结构，但是其所要求的单频激光器并未具有全光纤化、波长可调谐与阵列式特征。2011年，美国IPG公司申请了高功率窄线宽光纤激光器专利[公开号：US 7903696 B2]，基于2个超短单频谐振腔输出低功率窄线宽单频激光信号，分别通过普通掺铒光纤放大器和高功率双包层光纤放大器进行激光功率放大，但是其所要求的光纤激光器并未具有波长可调谐与阵列式特征。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术方面的问题，提供一种可调谐窄线宽阵列单频光纤激光器。本发明分别利用多组分玻璃光纤阵列的高掺杂和高增益特性、半导体激光芯片阵列提供泵浦能量、窄线宽光纤光栅阵列进行选频、采用短直F-P腔结构设计，结合精密温控技术和选择性泵浦源工作控制方式，再利用微型短光纤功率放大技术，可以有效地实现可调谐kHz量级（如≤100kHz）窄线宽阵列式单频光纤激光输出。本发明通过如下技术方案实现。

一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其包括半导体激光芯片阵列、准直透镜耦合系统、多组分玻璃光纤阵列、窄带光纤光栅阵列、大功率半导体激光器芯片、保偏合波器、高增益短保偏有源光纤、光隔离器、保偏尾纤、热电制冷器TEC、热电制冷器TEC、热沉和多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列；半导体激光芯片阵列的输出端与准直透镜耦合系统连接，准直透镜耦合系统与多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列耦合连接，多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列连接，多组分玻璃光纤阵列与窄带光纤光栅阵列的输入端连接，窄带光纤光栅阵列的输出端与保偏合波器的信号输入端连接，大功率半导体激光器芯片的输出端与保偏合波器泵浦输入端连接，保偏合波器的信号输出端与高增益短保偏有源光纤连接，高增益短保偏有源光纤与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与保偏尾纤连接；半导体激光芯片阵列安装在第一热电制冷器TEC上，多组分玻璃光纤阵列、窄带光纤光栅阵列安装在第二热电制冷器TEC上；各阵列的组成单元数均为n，n≥2（如2个~120个），阵列与阵列之间的连接方式均为组成单元的一对一连接；所述准直透镜耦合系统包括快轴准直透镜和n个慢轴准直透镜，快轴准直透镜与每个慢轴准直透镜耦合连接。

进一步优化的，所述可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器还包括热沉，所述可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器的所有组成部件均固定封装在热沉中。

进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列中的多组分玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃，其化学组成为：65P₂O₅-9Al₂O₃-20BaO-4La₂O₃-2Nd₂O₃；多组分玻璃光纤的基质材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和碲酸盐玻璃，纤芯掺杂高浓度的稀土发光离子的（镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或几种的组合体），稀土离子的掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³，其中镱的掺杂浓度大于铒的掺杂浓度。

进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列中的多组分玻璃光纤的纤芯为圆形，纤芯直径为3~15μm，包层直径为125~440μm；纤芯的折射率为N₁，包层的折射率分布为N₂，且满足关系：N₁>N₂。

进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列和窄带光纤光栅阵列连接形成多个单频光纤激光输出单元；半导体激光芯片阵列中的每个芯片单元相应的对单频光纤激光输出单元进行抽运，每个单频光纤激光输出单元安装在一个独立的热电制冷器TEC上，半导体激光芯片阵列的每个半导体激光芯片单元也均安装在一个独立的热电制冷器TEC上，通过热电制冷器TEC对每个单频光纤激光输出单元实行精密地温控调节，从而控制单频光纤激光输出波长，实现输出激光中心波长范围的微调谐；选择性控制一个或多个半导体激光芯片单元的开启或者关闭，实现输出路数的可调谐，使所述单频光纤激光输出单元成为可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元；多个可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元，通过保偏合波器，采取合波方式形成阵列输出，即形成可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光输出。

进一步优化的，所述多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列是对泵浦光波长高透，透射率在80％~99%之间；对激光信号波长高反，反射率为80~99%；窄带光纤光栅阵列中每一根窄带光纤光栅对激光信号波长有选择性反射，其中心波长处的反射率为5~90%；每一根窄带光纤光栅的中心反射波长位于多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或者宽带光纤光栅的反射谱线内。

进一步的，所述薄膜或者宽带光纤光栅对激光信号波长高反，反射率大于85%；对泵浦光波长高透，透射率大于85%。

进一步优化的，所述半导体激光芯片阵列的半导体激光芯片单元为边发射结构半导体激光器芯片或者其他封装形式的半导体激光器芯片中的一种以上，所述半导体激光芯片单元输出参数为泵浦波长800～1500nm，输出泵浦功率大于40mW，泵浦方式是半导体激光芯片单元采用前向泵浦、后向泵浦、前后双向泵浦或者它们之间的组合泵浦方式。

进一步优化的，所述大功率半导体激光器芯片输出参数为泵浦波长800～1500nm，输出泵浦功率大于200mW，泵浦方式是大功率半导体激光器芯片采用前向泵浦或后向泵浦方式；所述保偏尾纤为单模光纤，其纤芯直径为4～15μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.1～0.3。

进一步优化的，所述保偏合波器为平面基板高保偏合波器，是利用平面光波导光刻和离子蚀刻技术制作的高度集成化光器件，其类型为（1+ m）×1，信号输入端端口数m≥1，将m个输入信号（可调谐窄线宽单频光纤激光单元的输出信号）与一个大功率半导体激光器芯片的泵浦光进行合波后再经信号输出端输出。

进一步优化的，所述高增益短保偏有源光纤为高增益多组分玻璃保偏光纤，截面形状为熊猫脸结构，纤芯为圆形，纤芯直径一般为2~15μm；两熊猫眼对称排布且与纤芯距离为10~40μm，熊猫眼直径为10~30μm；高增益短保偏有源光纤（9）包层为圆形，直径为125~440μm，其纤芯成分为磷酸盐玻璃，化学组成为：65P₂O₅-9Al₂O₃-20BaO-4La₂O₃-2Nd₂O₃，其基质材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃或碲酸盐玻璃，其纤芯掺杂高浓度的稀土发光离子的（镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或几种的组合体），稀土离子的掺杂浓度要大于1×10¹⁹ions/cm³，镱的掺杂浓度大于铒的掺杂浓度。

进一步优化的，所述准直透镜耦合系统包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，为梯度折射率分布微透镜结构，圆柱形，直径Φ大于1mm，厚度d大于0.5mm。

进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列作为单频光纤激光的工作介质，所述多组分玻璃光纤使用长度为0.5~20 cm，其具体使用长度可以根据单频光纤激光输出单元的功率大小、线宽大小要求进行不同的选择。

进一步的，所述每个单频光纤激光输出单元的谐振腔采用短腔结构，由每一根多组分玻璃光纤端面镀膜或者一根宽带光纤光栅（可选）和一根窄带光纤光栅组成F-P腔结构的前后腔镜形式。所述前腔镜由每一根多组分玻璃光纤的一端（前端）端面镀上薄膜或者宽带光纤光栅（可选）完成。所述每一根窄带光纤光栅的中心反射波长位于多组分玻璃光纤端面镀膜薄膜或者宽带光纤光栅（可选）的反射谱线内。窄带光纤光栅对激光信号波长有选择性反射（即部分透射），中心波长反射率为5~90%，其作为单频光纤激光谐振腔的后腔镜与输出耦合元器件。

进一步优化的，每个单频光纤激光谐振腔（主要由多组分玻璃光纤和光纤光栅构成），置于一独立的热电制冷器TEC 上进行精密温控调节，其温度控制精度＜±0.01℃，通过精密温控实现单频光纤激光输出单元的激光中心波长的微调谐。

进一步优化的，所述光器件或光纤之间连接方式是通过研磨抛光其相应光纤端面之后，采用机械对接耦合，或者采用熔接机熔融连接耦合。所述可调谐窄线宽阵列单频光纤激光功率放大之后，再经过光隔离器、保偏尾纤输出，其中光隔离器保障光路的正常反馈和抑制端面光反射，提高输出激光的功率稳定性与可靠性。

进一步优化的，所述平面基板高保偏合波器是利用平面光波导光刻和离子蚀刻技术制作的高度集成化光器件，其类型为（1+ m）×1，（其中m≥1，表示信号输入端端口数，如（1+1）×1、（1+10）×1、（1+40）×1等），可以将m个可调谐窄线宽单频光纤激光单元与一个大功率半导体激光器芯片的泵浦激光进行合波在一起，经其信号输出端输出。

所述光路和元器件固定封装在一金属材质热沉上，有效进行热耗散，避免可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光工作时的热量累积问题，保证输出功率、激光工作波长的稳定性与可靠性。

所述准直透镜耦合系统由一个快轴准直透镜单元与慢轴准直透镜阵列构成，每个LD芯片单元输出的发散状态泵浦激光经过快轴准直透镜单元聚焦准直，接着准直之后的泵浦激光再经过慢轴准直透镜阵列聚焦耦合进入光纤。

本发明上述方案的部分工作原理说明：首先，选择半导体激光芯片阵列（由多个独立半导体激光芯片单元构成）对单频光纤激光谐振腔阵列（主要由多组分玻璃光纤阵列和光纤光栅阵列构成）进行抽运，共同实现阵列形式的单频光纤激光输出单元。接着通过温度控制微型模块——热电制冷器（TEC芯片）对每个单频光纤激光输出单元实行精密地温控调节，从而可以控制单频光纤激光输出波长，实现输出激光中心波长范围的微调谐；此外，选择性控制一路或多路波长是否同时工作输出，即实现输出路数（输出波长数目）的可调谐，这些控制方式可以实现窄线宽单频光纤激光的可调谐形式输出。其次，多个可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元，通过平面基板高保偏合波器，采取合波方式形成阵列输出，即形成可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光输出，但其输出功率一般较低。最后，采用微型短光纤功率放大技术，将可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光(信号种子激光)和一个大功率半导体激光器芯片的泵浦激光合波在一起，进入一段高增益短保偏有源光纤进行功率放大至其输出功率达到一定要求，即可以实现一般应用要求的可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光输出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：高增益多组分玻璃光纤阵列作为激光的工作介质，多组分玻璃光纤端面镀膜或者宽带光纤光栅（可选）和窄带光纤光栅组成短F-P腔结构的前后腔镜。在半导体激光器芯片的连续泵浦激励下，多组分玻璃光纤纤芯中的稀土发光离子发生粒子数反转，产生受激辐射信号光，在腔镜作用下，信号光多次来回振荡反馈并得到多次放大，并最终产生激光输出。由于激光谐振腔腔长只有厘米量级，腔内的纵模间隔可达GHz，当窄带光纤光栅3dB反射谱窄至0.08nm，即可实现稳定的单纵模（单频）激光输出。继续增加泵浦光功率，最后可以实现kHz量级的窄线宽单频光纤激光输出。

将每个窄线宽单频光纤激光输出单元分别置于一独立的热电制冷器TEC上，进行精密温控调节，由于外界热应力影响光纤光栅的反射波长以及引起激光谐振腔腔长的变化，可以导致激光中心波长的变化（偏移），但温度变化引起的激光波长偏移量范围有限，即可以实现每个窄线宽单频光纤激光输出单元的激光波长的微调谐；此外，选择其中一个或多个LD芯片单元开启或者关闭，选择性加载泵浦源工作状态，控制一路或多路波长是否同时工作输出，即实现输出波长（输出路数）的可调谐。基于精密温控技术和选择性泵浦源工作控制方式，可以有效地实现每个窄线宽单频光纤激光输出单元的可调谐，多个可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元采取合波方式（形成阵列形式输出），即可以实现可调谐窄线宽阵列单频光纤激光输出。

通过微型短光纤功率放大功能部分，即采用一平面基板高保偏合波器，将每个可调谐窄线宽单频光纤激光（信号种子激光）输出单元与一个大功率半导体激光器芯片的泵浦激光合波到一起，进入一段高增益短保偏有源光纤；首先，在大功率半导体激光器芯片的连续抽运下，高增益短保偏有源光纤纤芯中的高掺杂稀土发光离子发生粒子数反转，当合波后的可调谐窄线宽阵列单频光纤激光（信号种子激光）通过时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并释放出和可调谐窄线宽阵列单频光纤激光完全相同的全同光子，从而实现可调谐窄线宽阵列单频光纤激光的功率放大，使输出功率达到要求。通过优化窄线宽阵列单频光纤激光信号的输入功率、高增益保偏有源光纤的使用长度、大功率半导体激光器的泵浦波长与泵浦功率等，可以得到高信噪比、输出功率适中、低噪声的可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光输出。

附图说明  

图1为本发明实施例中可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光器原理示意图。

图2为本发明实施例中TEC温控方式与封装示意图。

图3为本发明实施例中铒镱共掺磷酸盐保偏光纤结构示意图。

图中：1—半导体激光LD芯片，2—快轴准直透镜，3—慢轴准直透镜，4—多组分玻璃光纤（铒镱共掺磷酸盐光纤）镀膜端面，5—多组分玻璃光纤（铒镱共掺磷酸盐光纤），6—窄带光纤光栅，7—大功率半导体激光器芯片，8—平面基板高保偏合波器，9—高增益短保偏有源光纤，10—光隔离器，11—保偏尾纤，12—第一热电制冷器TEC，13—第二热电制冷器TEC，14—热沉。

 

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图，对本发明作进一步的说明阐释，但不限于该实施方式。

如图1所示，可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光器中激光后腔镜使用镀膜方式，激光前腔镜使用窄带光纤光栅，每个窄线宽单频光纤激光输出单元采用半导体激光器前向泵浦方式；微型短光纤功率放大单元采用大功率半导体激光器芯片7前向泵浦方式，半导体激光器芯片阵列1包括40个（1~n，n=40）半导体激光（LD）芯片单元与准直透镜耦合系统构成一起构成阵列。其中每个LD芯片单元输出端与快轴准直透镜2耦合连接，快轴准直透镜2与每个慢轴准直透镜3耦合连接，慢轴准直透镜3与多组分玻璃光纤（铒镱共掺磷酸盐光纤）镀膜端面4聚焦耦合连接，这样分别实现40个LD芯片单元1到40个窄线宽单频光纤激光输出单元的低损耗耦合连接。其中每个LD芯片单元由独立的第一热电制冷器TEC 12进行精密温度控制，保证其工作稳定性。

可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光器中，由40个可调谐窄线宽单频光纤激光单元构成阵列形式，每一个窄线宽阵列式单频光纤激光单元的激光波长信道间隔为100GHz，其包括多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜4（采用铒镱共掺磷酸盐光纤镀膜）、多组分玻璃光纤阵列5（采用铒镱共掺磷酸盐光纤）、窄带光纤光栅阵列6。由40个LD芯片单元构成的半导体激光芯片阵列分别对40个单频光纤激光单元进行泵浦，其中40根铒镱共掺磷酸盐光纤前端端面镀膜分别与40根铒镱共掺磷酸盐光纤整体连在一起，40根铒镱共掺磷酸盐光纤分别与窄带光纤光栅阵列6输入端耦合连接，窄带光纤光栅阵列6输出端与保偏合波器8（采用平面基板高保偏合波器）信号输入端连接。

其中高增益铒镱共掺磷酸盐光纤作为激光器的增益工作介质，具体使用长度可根据单频激光输出功率大小以及线宽大小决定，本例使用长度为1cm，一般使用长度为0.5~20 cm。掺杂高浓度的稀土发光离子铒和镱，其掺杂浓度分别是2×10²⁰ions/cm³、4.0×10²⁰ions/cm³，其纤芯直径为6μm和包层直径为125μm，纤芯主要成分为磷酸盐玻璃组分（组成：65P₂O₅-9Al₂O₃-20BaO-4La₂O₃-2Nd₂O₃），稀土发光离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂。铒镱共掺磷酸盐光纤5是通过钻孔法、管棒法制作光纤预制棒，并在光纤拉丝塔中拉制而成的。

铒镱共掺磷酸盐光纤一端端面镀膜4（实现针对1.5μm信号光波长的高反后腔镜）和窄带光纤光栅阵列6组成短F-P腔结构的前后腔镜。窄带光纤光栅阵列6中的每个窄带光纤光栅的中心反射波长都位于激光工作介质的增益谱内，并且位于铒镱共掺磷酸盐光纤端面镀膜膜层的高反射谱内，反射率为80%，一般反射率为5~90%。通过准确控制光纤光栅的3dB反射谱宽、中心波长、反射率等光栅的关键光学参数，并严格控制栅区长度及反射谱旁瓣效应，将整个单频激光谐振腔腔长控制在2 cm以下，从而可以保证在窄带光纤光栅的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模模式，且无跳模及模式竞争现象出现。用半导体激光芯片单元1注入泵浦光，采用前向泵浦方式，泵浦光输入到激光谐振腔中的高增益阵列铒镱共掺磷酸盐光纤纤芯中，使其高掺杂稀土发光离子发生粒子数反转，产生受激辐射的激光信号，信号光在短F-P腔结构的前后腔镜的反馈作用下，多次来回振荡并得到多次放大，在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，单频激光线宽就会不断变窄，最后可以实现kHz量级的窄线宽单频光纤激光输出单元。

将40个窄线宽单频光纤激光输出单元分别置于40个独立的第二热电制冷器TEC13上，进行精密温控调节，可以实现窄线宽单频光纤激光输出单元的激光中心波长的微调谐；此外，选择其中一个或多个LD芯片单元开启或者关闭，选择性加载泵浦源工作状态，可以实现输出波长（输出路数）的可调谐。基于温控技术和选择性泵浦源工作控制方式，可以有效实现窄线宽单频光纤激光的可调谐，40个可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元采取合波方式（形成阵列形式输出），即可以实现可调谐窄线宽单频光纤激光阵列形式输出。

如图2所示，微型短光纤功率放大单元，由大功率半导体激光器芯片7、保偏合波器8、高增益短保偏有源光纤9组成。其中，高增益短保偏有源光纤9采用高增益短铒镱共掺磷酸盐保偏光纤，对窄带光纤光栅阵列6的端面进行研磨抛光，窄带光纤光栅阵列6输出端与平面基板高保偏合波器8中信号输入端耦合连接，大功率半导体激光器芯片7输出端与平面基板高保偏合波器8中泵浦输入端耦合连接，平面基板高保偏合波器8信号输出端与铒镱共掺磷酸盐保偏光纤耦合连接。即通过平面基板高保偏合波器8，将可调谐窄线宽阵列单频光纤激光输出单元信号与一个大功率半导体激光器芯片7进行信号光泵浦光合波，进入一段高增益短铒镱共掺磷酸盐保偏光纤之中进行功率放大，放大一路或多路窄线宽单频光纤激光信号。将放大的单频光纤激光信号输出端与光隔离器10的输入端相连，将光隔离器10的输出端与保偏尾纤11的输入端相连，最后经保偏尾纤11输出端输出稳定的可调谐窄线宽阵列单频光纤激光，所有的光路和元器件固定封装在一金属材质热沉14中进行散热。

如图3所示，铒镱共掺磷酸盐保偏光纤的纤芯直径为8μm，猫眼直径为15μm，与纤芯距离为25μm，包层直径为125μm，优化高增益铒镱共掺磷酸盐保偏光纤的使用长度，本例为5cm，得到信噪比≥65dB、输出功率≥100mW、输出激光线宽≤10 kHz的可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光输出。