一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器

摘要

一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器，涉及光电子技术领域中的光纤激光器。该激光器是在保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)、掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)依次连接形成的激光器线性谐振主腔内引入双直波导谐振环结构作为环形子腔，将硅基双直波导谐振环连接在掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)之间，利用环形子腔的模式清洁的作用，获得单频输出。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域中的光纤激光器，具体涉及一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器。

背景技术

单频光纤激光器因其具有抽运阈值功率低、转换效率高、耦合效率高、线宽窄、体积小等优点，在高精密光纤传感、相干光通信、高速率密集波分复用通信系统、激光雷达和高分辨率激光光谱等领域具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。

近年来，研究者提出了一种运用短腔法的方式实现光纤激光器单频输出(QilaiZhao,Shanhui Xu,Kaijun Zhou,Changsheng Yang,Can Li,Zhouming Feng,MingyingPeng,Huaqiu Deng,and Zhongmin Yang，Broad-bandwidth near-shot-noise-limitedintensity noise suppression of a single-frequency fiber laser,Optics Letters，41(2016)，1333-1335)具体原理如下：半导体激光器(LD)发出泵浦光通过波分复用器(WDM)耦合进谐振腔，谐振腔分别由窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)、Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐光纤和宽带光纤布拉格光栅(WB-FBG)连接，其中谐振腔闲置宽带光纤布拉格光栅(WB-FBG)端尾纤切成8°角用来消除后向端面光反射，经谐振腔后输出的激光通过窄带光纤布拉格光栅(NB-FBG)出射，并经波分复用器(WDM)及光隔离器(ISO)输出。该方法中需要采用Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐光纤，使得光纤制造成本高，且难以与常规的石英光纤器件熔接。

中国发明专利《一种单频光纤激光器及其制作方法》(申请号：201611076624.7)公开了另一种单频光纤激光器及其制作方法，该单频光纤激光器包括泵浦光源、波分复用器(WDM)、增益光纤和光隔离器(ISO)。将泵浦光源产生的泵浦光注入到波分复用器(WDM)的泵浦端口，泵浦光从波分复用器(WDM)的公共端口输出进入增益光纤，其中在增益光纤上刻有相移光纤光栅和高反光纤光栅，相移光纤光栅作为光纤激光器的输出耦合器，相移光纤光栅、增益光纤和高反光纤光栅构成光纤激光谐振腔，产生的激光从波分复用器(WDM)的信号端口，经过光隔离器(ISO)输出。该单频光纤激光器利用增益光纤上刻写的相移光纤光栅，通过增益竞争压制其它激光纵模谐振从而实现单频激光谐振。该方案需要在增益光纤上刻相移光纤光栅和高反光纤光栅，通常增益光纤对刻写激光的光敏特性较差，因此需要对增益光纤进行低温高压H₂扩散处理增强其光敏性，使得其实施难度大，成本高；并且，由于对应的纵模间隔小，通过调节相移光纤光栅的相移长度实现激光谐振效率的优化，通常是不容易实现的。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的实施难度大的缺陷，研究设计一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器，该激光器是在保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)、掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)依次连接形成的激光器线性谐振主腔内引入双直波导谐振环(add-drop microring resonator)结构作为环形子腔，其中，上直波导与环波导之间的耦合系数和下直波导与环波导之间的耦合系数相同，将硅基双直波导谐振环连接在掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)之间，利用环形子腔的模式清洁的作用，获得单频输出。

本发明的技术方案如下：

一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器，包括半导体激光器(LD)、保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)、掺Er增益光纤、波导谐振环、高反光纤布拉格光栅(HRFBG)、波分复用器(WDM)和光隔离器(ISO)；

所述半导体激光器(LD)作为泵浦源与波分复用器(WDM)的泵浦端相连，波分复用器(WDM)的公共端与保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)一端连接，波分复用器(WDM)的信号端与光隔离器(ISO)输入端连接，保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)另一端与掺Er增益光纤一端连接，波导谐振环的下直波导右端口与掺Er增益光纤另一端口连接，波导谐振环的上直波导右端口与高反光纤布拉格光栅(HRFBG)一端连接；

所述半导体激光器(LD)在波分复用器(WDM)泵浦端口输入泵浦光，经过波分复用器(WDM)的公共端口输出到保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)的一端，经保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)的另一端输出到掺Er增益光纤，通过增益光纤后的振荡激光输入波导谐振环的下直波导右端口；基于下直波导和环波导的跨导耦合系数，输入的振荡激光部分通过环波导与下直波导的耦合区进入环波导的左半环，剩余的从下直波导左端口输出，进入左半环的光波通过环波导与上直波导的耦合区时，基于上直波导和环波导的跨导耦合系数，部分光通过耦合区进入上直波导经上直波导的右端口输出，剩余的光通过右半环进入环波导与下直波导的耦合区，在该耦合区，满足相位延迟为2π整数倍的光频率沿波导左半环传输，剩余的光基于下直波导与环波导的跨导耦合系数，部分光通过耦合区进入左半环，剩下的经下直波导左端口输出；

经上直波导的右端口输出的光波，通过高反光纤布拉格光栅(HRFBG)反射设定波长的光波后，进入上直波导与环波导的耦合区，基于上直波导和环波导的跨导耦合系数，部分光进入环波导的左半环，剩余的光从上直波导的左端口输出；进入环波导的左半环的光到达环波导与下直波导的耦合区时，基于下直波导和环波导的跨导耦合系数，部分光从下直波导右端口输出，通过掺Er增益光纤，剩余的光进入环波导右半环；进入掺Er增益光纤的光波经保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)输入波分复用器的公共端，然后经波分复用器的信号端输入光隔离器，光隔离器输出稳定的单频激光；进入环波导右半环的光波到达上直波导与环波导的耦合区时，满足相位延迟为2π整数倍的光频率进入左半环，剩余的光基于上直波导与环波导的跨导耦合系数，部分光通过耦合区进入左半环，剩下的经上直波导左端口输出。

进一步地，所述波导谐振环包括上直波导、下直波导、位于上直波导和下直波导之间的环波导。其中，环波导作为一个环形子腔，并且上下两个直波导和环波导之间具有一定的功率耦合比，满足在环波导中的振荡光与线性谐振主腔的振荡光具有相同的频率和相位差为2π整数倍时，才能形成相干相长，从而使得环形子腔具有模式清洁的作用。

进一步地，所述上直波导与环波导之间的跨导耦合系数为50％，下直波导与环波导之间的跨导耦合系数为50％。

进一步地，所述波导谐振环采用LiNbO₃、Si基(SiO₂、SOI)、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等常用的光波导材料。

优选地，所述保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)对1.55μm附近的激光波长具有一定的透过率，用于激光的输出耦合，也保证了输出激光的偏振特性。

进一步地，所述高反光纤布拉格光栅(HRFBG)对1.55μm附近的激光波长具有高反射特性，

进一步地，所述保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)的反射峰重合。

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器，在保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)、掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)依次连接形成的激光器线性谐振主腔内引入双直波导谐振环(add-drop microring resonator)结构作为环形子腔，将波导谐振环连接于掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)之间，利用环形子腔的模式清洁作用，获得单频输出。

2、本发明提供的光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器中，在环波导内绕环传输的光波，对于满足相位延迟为2π整数倍的光频率，会在环内形成谐振，由于多光束干涉效应，通过合理选取直波导和环波导之间的耦合系数可使得传输到上下两个直波导的左端口的功率为零；同时，对于满足相位延迟为2π整数倍的光频率，从波导谐振环的外部来看，光从上直波导的右端输入时经下直波导的右端输出，而从下直波导的右端输入时经上直波导的右端输出，没有光功率损失；而对于不满足相位延迟为2π整数倍的光频率，基于上直波导与环波导的跨导耦合系数、或者下直波导与环波导的跨导耦合系数，部分沿环传输，剩余的光在上直波导或下直波导的左端口输出，形成激光损耗，因此，波导谐振环对振荡激光具有滤波效果，因而具有模式清洁的作用。本发明提供的单频光纤激光器中，满足环波导谐振条件的激光模式在激光谐振腔内形成振荡，而其它模式由于损耗较高而被抑制，从而获得单频激光输出。

附图说明

图1为本发明提供的一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器的结构示意图；其中，1-波导谐振环，2-高反光纤布拉格光栅(HRFBG)，3-掺Er增益光纤，4-保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)，5-波分复用器(WDM)，6-半导体激光器(LD)，7-光隔离器(ISO)；

图2为本发明实施例中波导谐振环的光路结构示意图；

图3为本发明实施例中波导谐振环的模式清洁原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，同时需要说明的是本发明要求保护的范围并不仅仅局限于实施例表述的范围。

本实施例方式中：

波导谐振环1：在SiO₂波导上制作上下两个直波导和谐振环，在不明显增大损耗的情况下，环的直径可做到18mm以内，SiO₂波导模场直径可以设计为6μm左右，保持与高掺杂Er光纤中的模场尺寸吻合，上直波导与环波导之间的耦合系数等于下直波导与环波导之间的耦合系数。

高反光纤布拉格光栅(HRFBG)2和保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)4：分别基于HI1060和PM980光纤制作，保证整个激光谐振腔中的模场尺寸匹配。

掺Er增益光纤3：为OFS EDF150LD型高掺Er光纤，由于Yb敏化粒子的掺杂浓度已获得大幅提高，经过初步估算厘米量级的增益光纤长度即可满足泵浦光高效吸收的要求。

半导体激光器(LD)6：作为泵浦源，输出泵浦波长为976nm。

实施例

图1为本发明工作原理示意图，半导体激光器(LD)6在波分复用器(WDM)5泵浦端口输入976nm波长的泵浦光，经过波分复用器(WDM)5的公共端口输出到保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)4的一端，经保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)4的另一端输出到掺Er增益光纤3，在其中形成激光增益。

在光纤激光器中，从右向左通过增益光纤的振荡激光，由波导谐振环1下直波导的右端口输入，光波在波导谐振环的光路可参照附图2。从波导谐振环1上直波导的右端口输出的光波，经过高反光纤布拉格光栅(HRFBG)2选择性反射位于1.55μm附近波长，反射光波从波导谐振环1上直波导的右端口输入。在谐振环内形成谐振的光频率，从波导谐振环1下直波导的右端口实现无损耗输出，经过掺Er增益光纤3传输到保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)4，再通过波分复用器(WDM)5的信号端口，从光隔离器(ISO)7输出稳定的单频激光。

其中，所述保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)的反射峰重合，均位于1.55μm附近，且具有较窄的反射谱宽。

其中，波导与波导之间，以及波导与光纤之间的耦合，需保持模场尺寸的吻合。本发明由于激光在两种光纤中传输的距离小，损耗较小，器件的连接可以采用模式精确对准后点胶固化的方式，实现低损耗连接。

其中，波导谐振环的模式清洁效果，可以根据多光束干涉理论，计算得到从上直波导的右端口输入，从下直波导的右端口输出时，输出光强与输入光强之比为：

该式也适用于从下直波导的右端口输入，从上直波导的右端口输出的情况，式中：下直波导到波导环的跨导耦合系数为δ，非跨导耦合系数为γ，上直波导到波导环的跨导耦合系数为α，非跨导耦合为β，右侧半环和左侧半环的光学长度分别为l₁和l₂，光波波矢量为k。取δ＝γ＝α＝β＝50％时，根据理论推导可得，当波导环的光程长度等于对应波长整数倍的光波时，谐振环内可以实现无损耗输出。从谐振腔滤波响应的角度解释环形子腔的模式清洁原理，其滤波响应如图3所示：(a)图为环形子腔的谐振频谱，其腔长短，纵模间隔大，本征模式线宽宽；(b)图为线性谐振主腔的谐振频谱，其腔长长，纵模间隔小，本征模式线宽小，图中虚线为保偏光纤FBG的反射谱；(c)图为两个腔综合滤波响应，只有同时满足两个腔谐振条件的激光频率才能起振。

图3中取环形子腔的直径为18mm，线性谐振主腔的长度为100mm，直波导与环波导的耦合系数为50％，即δ＝γ＝α＝β＝50％。在设计中，通过调节两个腔的光程长度，以得到最佳滤波效果，保证激光器单纵模输出。

本发明将波导谐振环与光纤谐振腔结合，提出了一种光纤与波导谐振环复合的单频光纤激光器。本发明利用波导谐振环作为激光器的环形谐振子腔，在光纤谐振主腔内掺Er增益光纤和高反光纤布拉格光栅(HRFBG)之间插入波导谐振环，并保持谐振腔整体上为线性腔结构，波导谐振环作为激光器的环形谐振子腔具有模式清洁的作用，只有同时满足两个腔谐振条件的激光频率才能起振，可实现稳定的单频激光输出。