基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的制作方法

1.本发明涉及单频光纤激光器，具体为一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器。


背景技术：

2.单频光纤激光器具有输出光束质量高以及输出线宽窄的优点，而掺铒光纤单频光纤激光器具有输出线宽极窄、稳定性很高、光信噪比高以及易于与光学系统集成等显著优点。因此，高性能的掺铒光纤单频光纤激光器在微波光子学、光通信、光学探测以及时间频率传输等领域中表现出很好的应用前景。
3.环形腔结构是实现单频激光输出的一种常用腔结构，环形腔结构激光器具有较长的腔长以及增益光纤，因此环形腔光纤激光器可以获得更高的输出功率和更窄的输出线宽。此外，环形腔结构激光器不会出现由于驻波效应所引起的空间烧孔效应，因此，采用环形腔结构激光器是获得单频光纤激光器的一种有效结构。在环形腔结构中，设计具有高质量选模能力的多环谐振腔来保证激光器获得稳定单频输出以及高光信噪比输出是一种有效方案。在此基础上，在激光器腔内使用自注入锁定环可以帮助激光器获得更窄的线宽以及更高的输出稳定性。然而，现阶段大多数环形腔单频光纤激光器采用的是非保偏结构，激光器使用前需要通过调节偏振控制器等光器件来使得激光器获得最好的单频输出效果。此外，非保偏结构单频激光器对外界震动以及温度变化非常敏感，这影响了激光器的输出稳定性。综上所述，研究设计一种有效地结合多环谐振腔与自注入锁定环的全保偏结构单频光纤激光器方案对于进一步提升单频激光器的输出性能以及实用性具有非常重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器，解决现有单频光纤激光器存在的问题，进一步提高单频光纤激光器的输出性能以及实用性。本发明结构紧凑，腔内形成的双环谐振腔包含两个双耦合光纤环，具有很好的单模选择特性，可以有效抑制腔内多纵模振荡，帮助激光器获得单频输出。受益于双环谐振腔的高模式选择特性，激光器可以获得较高的光信噪比。此外，激光器腔内采用一个自注入锁定环来帮助激光器获得更窄的线宽以及更好的输出稳定性。最后，激光器采用全保偏结构，全保偏结构激光器可以使得激光器具有更好的抗外界干扰能力，进一步提高激光器的输出稳定性。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器，其特征在于所述单频光纤激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、1
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2光耦合器、光环形器、光纤布拉格光栅、第一2
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2光耦合器、第二2
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2光耦合器、第三2
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2光耦合器、第四2
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2光耦合器和光隔离器采用光纤熔接的方式连接组成。
6.泵浦源的输出端与波分复用器的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器的1550nm端口与增益光纤进行光纤熔接，增益光纤的另一端与光环形器的1端口进行光纤熔接，光环
形器的2端口与的1
×
2光耦合器的90％端口进行光纤熔接，1
×
2光耦合器的输出端口与光纤布拉格光栅进行光纤熔接，1
×
2光耦合器的10％端口与第三2
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2光耦合器的一个输入端口进行光纤熔接，第三2
×
2光耦合器的一个输出端口与第四2
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2光耦合器的一个输入端口进行光纤熔接。此外，光环形器的3端口与第一2
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2光耦合器的1端口进行光纤熔接，第一2
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2光耦合器的3端口与第二2
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2光耦合器的5端口进行光纤熔接，第一2
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2光耦合器的4端口与第二2
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2光耦合器的6端口进行光纤熔接，第二2
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2光耦合器的8端口与第一2
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2光耦合器的2端口进行光纤熔接，第二2
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2光耦合器的7端口与第四2
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2光耦合器的一个输入端口进行光纤熔接。第四2
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2光耦合器一个输出端口与波分复用器的公共端口进行光纤熔接，第四2
×
2光耦合器的另一个输出端口与光隔离器光纤熔接后作为激光器的输出端。
7.本发明所述的一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的工作原理是：
8.一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器采用向泵浦结构来使得激光器获得更好的输出噪声性能。激光器腔内的保偏增益光纤为一段高掺杂浓度的掺铒光纤，由保偏泵浦源发出的980nm泵浦光通过保偏980/1550nm波分复用器来泵浦。腔内的保偏光环形器可以用来保证谐振腔内激光信号单方向运转，避免由驻波效应所引起的跳模或者多模振荡。在激光器输出端的保偏光隔离器可以用来抑制不必要的反射回激光器腔内，减少对激光器的影响。保偏光纤布拉格光栅可以作为腔内反射镜以及初始模式滤波器决定了光纤激光器的输出波长并且可以大大降低激光器腔内的纵模输出。腔内形成的双环谐振腔中包含了两个双耦合光纤环，可以有效抑制激光器的多模振荡并保证激光器实现单频输出。激光器腔内的自注入锁定环可以起到稳频和压制线宽的效果，帮助激光器获得更窄的输出线宽以及提高激光器的输出稳定性。最后，由于整个激光器采用全保偏结构，因此激光器不需要采用偏振控制器或者偏振分束器等光器件就可以获得稳定的单频输出状态，激光器泵浦上电后就可以获得单频输出。此外，由于全保偏结构具有很好的抗干扰能力，所设计光纤激光器对温度变化和外界轻微振动并不敏感，激光器的输出稳定性可以进一步得以提升。
9.本发明提供的一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器与现有技术相比，其优点和积极效果在于：
10.1.本发明所述的单频光纤激光器采用紧凑简洁的设计结构，不需要使用复杂的激光器结构，也不需要使用价格昂贵的器件就可以获得超窄线宽输出、超高稳定度、高光信噪比以及抗外界干扰能力强的单频光纤激光输出，克服了现有单频光纤器所存在的实验结构复杂，成本高，插损大等缺陷。
11.2.本发明所述的单频光纤激光器利用双环谐振腔与自注入锁定环结合的方案来实现单频输出，双环谐振腔具有较高的自由光谱范围以及很窄的通带带宽，在有效可以降低谐振腔内的模式密度的同时可以抑制腔内的多纵模振荡，帮助激光器获得稳定的单频输出。自注入锁定环可以压窄线宽和提高激光器输出稳定性。所述激光器具有极窄的输出线宽和极好的输出稳定性。
12.3.本发明所述单频光纤激光器采用全保偏结构，腔内不需要使用偏振控制器或者偏振分束器来调节腔内激光偏振态就可以获得稳定的单频输出，激光器具有很好的实用性。
13.检索文献以及专利，迄今未发现相同结构的基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的专利报道。
附图说明：
14.图1是本发明所述的基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的结构原理图。
15.图2是本发明所述的基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的单频输出原理图。
16.图3是本发明所述的基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的输出光谱图。
17.图中：1泵浦源、2波分复用器、3增益光纤、4光环形器、5 1
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2光耦合器、6光纤布拉格光栅、7第一2
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2光耦合器、8第二2
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2光耦合器、9第三2
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2光耦合器、10第四2
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2光耦合器和11光隔离器。
具体实施方式
18.为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
19.图1为本发明一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的结构原理图，本发明所述单频光纤激光器由泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、光环形器4、1
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2光耦合器5、光纤布拉格光栅6、第一2
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2光耦合器7、第二2
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2光耦合器8、第三2
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2光耦合器9、第四2
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2光耦合器10和光隔离器11组成。
20.基于上述构成要件，本发明的构成关系如下：
21.泵浦源1的输出端与波分复用器2的980nm端口进行光纤熔接，波分复用器2的1550nm端口与增益光纤3进行光纤熔接，增益光纤3的另一端与光环形器4的1端口进行光纤熔接，光环形器4的2端口与的1
×
2光耦合器5的90％端口进行光纤熔接，1
×
2光耦合器5的输出端口与光纤布拉格光栅6进行光纤熔接，1
×
2光耦合器5的10％端口与第三2
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2光耦合器9的一个输入端口进行光纤熔接，第三2
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2光耦合器9的一个输出端口与第四2
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2光耦合器10的一个输入端口进行光纤熔接。此外，光环形器4的3端口与第一2
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2光耦合器7的1端口进行光纤熔接，第一2
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2光耦合器7的3端口与第二2
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2光耦合器8的5端口进行光纤熔接，第一2
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2光耦合器7的4端口与第二2
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2光耦合器8的6端口进行光纤熔接，第二2
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2光耦合器8的8端口与第一2
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2光耦合器7的2端口进行光纤熔接，第二2
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2光耦合器8的7端口与第四2
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2光耦合器10的一个输入端口进行光纤熔接。第四2
×
2光耦合器10一个输出端口与波分复用器2的公共端口进行光纤熔接，第四2
×
2光耦合器10的另一个输出端口与光隔离器11光纤熔接后作为激光器的输出端。
22.基于上述具体实施方案，本发明进一步的具体实施方案如下：
23.所述泵浦源1为保偏型980nm泵浦源，本实施案例采用的欧镭泽科技公司生产的保
偏980nm泵浦源；
24.所述波分复用器2为保偏型号980nm/1550nm泵浦源，本实施案例采用的是光越公司的保偏980nm/1550nm波分复用器；
25.所述增益光纤3为高掺杂浓度的保偏掺铒光纤，本实施案例采用的liekki公司的保偏掺铒光纤；
26.所述1
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2光耦合器5为分光比为90：10的保偏光纤耦合器；第一2
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2光耦合器7、第二2
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2光耦合器8、第三2
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2光耦合器9和第四2
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2光耦合器10是分光比为50：50的保偏光纤耦合器，本案例采用的是光越公司的保偏光纤耦合器；
27.所述保偏光纤布拉格光栅6峰值反射率和3-db带宽分别为96％和0.1nm，本案例采用的是瀚宇公司的保偏光纤布拉格光栅。
28.图2为本发明一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的单频输出原理图，从图2.(a)中可以发现由于保偏光纤布拉格光栅6的3-db带宽远宽于激光器主腔对应的自由光谱范围(约13mhz)，因此腔内存在大量的模式数。从图2.(b)和图2.(c)中可以发现双环谐振腔中两个无源谐振腔ring-1和ring-2协同作用可以使腔内模式密度降低，受益于游标原理的自由光谱扩大机制，激光器腔内最终的有效自由光谱范围值大于激光器保偏光纤布拉格光栅的3-db带宽，因此光纤布拉格光栅3-db带宽只存在一个通带。此外，ring-对应的通带带宽小于激光器主腔对应的自由光谱范围，因此在光纤激光器通带范围内有且只有一个模式占主导地位，最终实现了激光器的单频输出。在此基础上，激光器腔内的自注入锁定环起到了稳频和压窄线宽的作用，因此最终实现了窄线宽、高稳定性的单频激光输出。
29.本发明所述的一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的工作原理是：
30.所述单频窄线宽光纤激光器采用正向泵浦结构，通过主腔内的光环形器4使腔内振荡激光单向运转，保证谐振腔工作在行波状态，可以避免由于驻波效应所引起的多纵模振荡。在泵浦源1抽运下，光纤环内形成激光振荡，振荡激光经增益光纤3放大后，部分经第四2
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2光耦合器10的一个输出端口输出，而另一部分光则由第四2
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2光耦合器10的一个输入端口重新输入回腔内进行振荡。激光器的主腔腔长约为15m，对应的主腔模式间隔近似为13mhz，而光纤布拉格光栅13的3-db带宽(0.1nm约为12.5ghz)远大于主腔对应的自由光谱范围，因此在激光器通带内存在大量的纵模。激光器腔内的光纤布拉格光栅6作为腔内的初始模式滤波器来有效降低腔内的纵模数目并且决定了激光器的输出波长，但是因为光纤布拉格光栅6的3-db带宽远大于激光器主腔的纵模间隔，因此激光器中存在严重的跳模和多纵模振荡。在本发明中，双环谐振腔负责实现激光器的单频输出，具体实现机制为：两个双耦合光纤环ring-1和ring-2所对应的长度约为4.3m和3.5m，因此这两个环型无源谐振腔所对应的自由光谱范围分别可以计算为47.4mhz和58.3mhz。根据游标原理，激光器腔内所对应的有效自由光谱范围为ring-1和ring-2所对应自由光谱范围以及主腔纵模间隔所对应的最小公倍数，其数值计算约为39ghz。由于腔内的有效自由光谱范围大于光纤布拉格光栅6的3-db带宽，因此，光纤布拉格光栅内只有一个有效通带。此外，根据双耦合光纤环传输函数公式，ring-1所对应的通带带宽值为11.2mhz，因为ring-1通带带宽值小于腔内纵模间隔，最终激光器可以获得稳定的单频输出，如图2.(d)所示。
31.图3是本发明所述的一种基于双环谐振腔和自注入锁定环的全保偏单频光纤激光器的光谱图。本实施例中光纤激光器在100mw泵浦激励情况下，输出激光的中心波长为1549.28nm，对应的光信噪比约为76db。
32.最后应说明的是：以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。