线宽可调谐的单频光纤激光器

1.本发明属于光纤激光器的技术领域，特别是涉及线宽可调谐的单频光纤激光器。


背景技术：

2.具有超窄线宽的单频光纤激光器凭借其超低的相位噪声以及长的相干长度在原子钟、光学精密计算以及相干通信方面有重要作用；而较宽激光线宽的单频光纤激光器以及超宽激光线宽的单频光纤激光器在单频调q及单频放大领域扮演重要角色。于是在实际应用中，线宽可调谐的单频光纤激光器就会显得很有价值。
3.线宽的调谐涉及到线宽加宽与压窄技术。对于线宽的加宽技术，目前最常用的方式便是对单频光纤激光器的输出激光进行频率调制，但此项技术会向光纤激光器中引入电学噪声，并且并非全光纤结构，不利于线宽的大幅度调谐。因此，相比线宽的逐渐加宽，利用线宽压窄技术对宽线宽的单频激光进行逐渐窄化，并分别提取输出是更加高效的线宽调谐方式。
4.在dbr(distributed bragg reflector)或者dfb等经典单频结构中加入由光纤光栅组成的f-p结构，从而利用慢光效应来压窄线宽是一个很实用的方法。但是这种方式改变了原激光器结构，无法控制慢光效应的程度，起不到调谐的效果。类似的线宽压窄方式还有虚拟折叠腔技术，未泵浦掺杂光纤滤波技术等，都无法起到调谐的效果。
5.传统的自注入利用自身输出光的一部分充当外部注入光，经高q值的外腔后回到主腔中，使得高频噪声被抑制，从而压窄线宽，结构十分简易，并且在合适的外腔光功率反馈范围内，改变反馈功率的大小能控制压窄线宽的程度，起到调谐的作用。但是这种调谐存在局限性，一般而言，在不控制外腔相位的条件下，可压窄线宽至原线宽的4到5倍。若用线宽mhz级别的单频激光器做种子源，输出激光线宽根本达不到hz级别。
6.受激布里渊散射其本身拥有极窄的本征增益谱线宽，窄于绝大多数滤波器，因此其拥有极强大的压窄线宽能力。但其本身没有调谐能力，并且，由于布里渊增益系数很低，往往需要足够长的增益介质才会有足够的布里渊增益，这就会导致腔长的增加，从而引起跳模。
7.综上所述，压窄线宽技术中具有明显调谐能力且结构简易的只有光自注入技术，但是自注入技术的调谐范围具有局限性；受激布里渊散射具有高的压窄线宽的能力，但是，其没有调谐能力，并且需要很长的腔长，而这会导致跳模。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供线宽可调谐的单频光纤激光器，属于结构简易，线宽可调谐范围广，全光纤结构的光纤激光器。
9.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
10.线宽可调谐的单频光纤激光器，由第一光泵浦源通过第一波分复用器泵浦dfb单频激光器产生第一信号光和第二信号光，并具有剩余泵浦光，剩余泵浦光和第二信号光经
过第二波分复用器分离；
11.第二信号光从第二波分复用器被分离后，依次经过延时光纤、和光纤型可调谐衰减器组成的外腔，并通过第一光耦合器和光隔离器返回至内腔完成自注入过程；
12.第一信号光经过光隔离器和第一光耦合器与被分离的剩余泵浦光在第三波分复用器中合并，到达掺饵光纤，完成信号放大，之后经过第二可调谐衰减器，并进入第二光学环形器到达环形腔，在环形腔中发生受激布里渊散射，产生一阶斯托克斯光并产生单频光输出。
13.进一步地，所述第二可调谐衰减器与第二光学环形器之间安装有第一光学环形器，所述第一光学环形器连接有光纤光栅。
14.进一步地，所述第二信号光在到达延时光纤之前还经过设置的第二光耦合器，所述第二光耦合器连接有光功率计。
15.进一步地，所述第二可调谐衰减器与第二光学环形器之间安装有第三光耦合器，所述第三光耦合器连接有第一激光测量系统，所述第三光耦合器将光信号分为部分，一部分进入第一激光测量系统，另一部分进入第二光学环形器。
16.进一步地，所述第二光学环形器对应的环形腔中安装有第四光耦合器，所述第四光耦合器连接有第二激光测量系统。
17.进一步地，所述第二光学环形器对应的环形腔中安装有第四波分复用器和第二掺饵光纤，所述第四波分复用器连接有第二光泵浦源。
18.进一步地，所述第二光学环形器对应的环形腔，其腔长在10m以内，用于保证在布里渊增益范围内只有一个纵模，所述第二掺饵光纤拥有较高的掺杂浓度。
19.进一步地，所述第二光学环形器对应的环形腔中安装有可调谐的光学滤波器，所述光学滤波器位于第二掺饵光纤的后端。
20.原理：
21.1、首先使用自注入的方式对激光线宽进行调谐。自注入是一种十分简易但效果显著的线宽压缩方式，通过在注入回路中添加可调谐衰减器，使注入功率处于注入效应的第三阶段，从而让自注入的线宽压缩能力能够随着注入光功率的改变而改变，使得线宽压缩过程具有很大的调谐能力。
22.2、将自注入与布里渊激光器结合。布里渊激光器的输出光线宽与其布里渊泵浦的线宽有关，布里渊泵浦的线宽在一定程度上越窄，其输出光线宽越窄。将自注入可调谐线宽的激光输出当作布里渊激光器的布里渊泵浦，不仅使得布里渊压缩线宽的过程具有了调谐能力，也使得自注入压缩线宽的范围变得更大，调谐范围更广。
23.3、在布里渊激光器中添加增益光纤作为信号光以及斯托克斯光的放大增益，不仅大大降低了腔内受激布里渊的阈值，更重要的是，减小了腔内需要的长度，保证了单频输出。在环形腔中，受激布里渊泵浦光首先由第二光泵浦源在掺铒光纤中得到放大，以此保证在腔内较短增益介质中能达到受激布里渊阈值，产生一阶斯托克斯光之后，一阶斯托克斯光继续在第二光泵浦源以及掺铒光纤组成的结构中得到光放大，并通过腔内的5:5耦合器向外输出。
24.在滤除ase的光纤光栅中，其反射带宽需要涵盖信号光波段，且反射带宽越窄，ase滤除效果越明显。环型腔的整体腔长，在保证单频特性的情况下，需要控制在10m以下。并且
腔内的可调谐滤波器通带需要越窄越好，通带越窄，腔内的增益曲线越可以看作一条平坦的曲线，对于环形腔自激振荡的抑制越有作用。当可调谐滤波器的通带不够窄时，需要控制第二光泵浦源的功率，以此来抑制自激振荡。
25.本发明具有以下有益效果：
26.(1)传统的自注入技术，虽然具有调谐能力，但是无法大范围的对线宽进行调谐。而单个受激布里渊效应有很强的线宽压缩能力，但是不具备调谐能力。本发明将处于反馈效应第三阶段的自注入技术与受激布里渊散射结合在一起，利用自注入的调谐能力，受激布里渊效应强大的压窄线宽的能力，以及受激布里渊压窄线宽能力对于布里渊泵浦线宽敏感的特性，使其能对激光线宽进行大范围的调谐。
27.(2)传统的受激布里渊散射为了得到足够的布里渊增益，需要几百米的单模光纤，这往往会使腔长过长而导致跳模。本发明在环形腔中加入掺铒光纤的线性增益，不仅放大了输入的布里渊泵浦功率，降低了所需环形腔的长度要求，还能够放大产生的一阶斯托克斯光，这又进一步降低了腔的长度要求，使得整个环形腔能够在低于10m的情况下稳定运行。
28.(3)相比于部分线宽调谐技术的空间结构，本发明采用全光纤结构，大大简化系统结构，同时具有更低的损耗，更高的效率，并且对于环境以及器件的要求远远小于部分线宽调谐装置。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。
30.图1为本发明结构示意图。
31.图2为自注入调谐dfb激光线宽装置示意图。
32.图3为自注入调谐dfb激光线宽并将输出激光进行放大装置示意图。
33.图4为普通的受激布里渊激光器装置示意图。
34.图5为结合掺铒线性增益的布里渊激光器装置示意图。
35.图6为在结合掺铒线性增益的布里渊激光器中加入滤波器的装置示意图。
36.图7为调谐线宽范围结果说明示意图。
37.附图中，各标号所代表的部件列表如下：第一光泵浦源1、第一波分复用器2、dfb单频激光器3、第二波分复用器4、光隔离器5、第一光耦合器6、光纤型可调谐衰减器7、延时光纤8、第二光耦合器9、光功率计10、第三波分复用器11、第一掺饵光纤12、第一光学环形器13、光纤光栅14、第二可调谐衰减器15、第三光耦合器16、第一激光测量系统17、第二光学环形器18、第二光泵浦源19、第四波分复用器20、第二掺饵光纤21、第四光耦合器22、第二激光测量系统23、光学滤波器24。
具体实施方式
38.下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.如图1-2所示：线宽可调谐的单频光纤激光器，由第一光泵浦源1通过第一波分复
用器2泵浦dfb单频激光器3产生第一信号光和第二信号光，并具有剩余泵浦光，剩余泵浦光和第二信号光经过第二波分复用器4分离；第一光泵浦源1为980nm光学泵浦源。第一波分复用器2为980/1550波分复用器，第二波分复用器4为980/1550波分复用器，dfb单频激光器信号输出端与泵浦端为同一端，另一端的信号光输出功率可忽略不计。
40.如图2所示：在图1的基础上加入了一系列器件构成自注入结构，第二信号光从第二波分复用器4被分离后，依次经过延时光纤8、和光纤型可调谐衰减器7组成的外腔，并通过第一光耦合器6和光隔离器5返回至内腔完成自注入过程；第一光耦合器6为5:5光耦合器。其中，其外腔中的光纤型可调谐衰减器7以及延时光纤8的长分别是用来改变外腔中的反馈功率以及q值。在自注入过程中，使用光纤型可调谐衰减器7改变注入功率，从而改变自注入对于线宽的压缩程度，即整个自注入压缩线宽的过程可以通过光纤型可调谐衰减器7进行调谐。
41.光隔离器5既保证了主腔内信号光的方向，也保证了外腔信号光的功率，确保了整个注入过程的稳定性。
42.如图3-4所示：第一信号光经过光隔离器5和第一光耦合器6与被分离的剩余泵浦光在第三波分复用器11中合并，到达掺饵光纤12，完成信号放大，之后经过第二可调谐衰减器15，并进入第二光学环形器18到达环形腔，在环形腔中发生受激布里渊散射，产生一阶斯托克斯光并产生单频光输出。
43.自注入最后的输出光性质与延时光纤8的长度有关。在确保最后输出单频光不会跳模且有一定的边模抑制比的情况下，延时光纤8的长度越长，自注入压缩线宽能力越强，自注入调谐线宽范围越宽。
44.调节光纤型可调谐衰减器7加在光路中的衰减能够对输出线宽进行调谐，但是在调谐过程中，要注意最后输出单频光不会跳模且有一定的边模抑制比，即在保证最后输出单频光不会跳模且有一定的边模抑制比的情况下，光纤型可调谐衰减器7的调节范围在整个自注入过程，可以对线宽的调谐范围进行调节。
45.进行光学放大的掺饵光纤12的掺杂浓度不应该太大，防止信号光太弱，从而导致未进行光放大，信号光就由于重吸收而被损失。
46.如图3所示：第二可调谐衰减器15与第二光学环形器18之间安装有第一光学环形器13，环形器端口在图中已经用不同颜色字体标注，在环形器中，1端口的激光只能从2端口出射，2端口只能从3端口出射。第一光学环形器13连接有光纤光栅14。第一光学环形器13与光纤光栅14是为了去除放大时产生的ase(amplified spontaneous emission)。第二波分复用器4将剩余泵浦分离开来，通过第三波分复用器11的作用又重新与信号光合束至第一掺铒光纤12，对信号光进行放大。此时的掺铒光纤12的掺杂浓度不应太高，防止信号光未放大就因重吸收而损耗。
47.如图3所示：第二信号光在到达延时光纤8之前还经过设置的第二光耦合器9，第二光耦合器9连接有光功率计10。第二光耦合器9为99:1光耦合器，功率计10用来检测注入光的功率。
48.如图4所示：第二可调谐衰减器15与第二光学环形器18之间安装有第三光耦合器16，第三光耦合器16连接有第一激光测量系统17，第三光耦合器16将光信号分为部分，一部分进入第一激光测量系统17，另一部分进入第二光学环形器18。第三光耦合器16为5:5光耦
合器，既可以输出自注入控制线宽的信号光，也可以监测输入到之后第二光学环形器的光功率。第一激光测量系统17为频谱仪或者光谱仪等装置，用于测量布里渊泵浦光的诸多特性、例如线宽、光谱、纵模光谱等。当布里渊泵浦光功率很低时，由于无法达到腔内的受激布里渊阈值，基本不会发生受激布里渊效应，这样一来，大大限制了该线宽调谐装置的适用范围。因此，在第二光学环形器18前端安装有第一测量系统17，用于监测信号光的功率是否满足要求。
49.自注入压窄线宽的程度与外腔反馈的光功率以及外腔q值有关，外腔中的光纤型可调谐衰减器7以及延时光纤8正是分别改变这两个参数的器件。理论上，延时光纤8越长对于压窄线宽越有利，但是，延时光纤8越长也会带来主腔的fsr(free spectral range)的改变，从而降低输出单频光的边模抑制比，甚至可能引起跳模，因此需要以5:5光耦合16器输出的单频信号稳定性为参考来确认延时光纤8长度是否合适。另外根据外腔反馈光功率的多少，主腔的输出信号可分为五个阶段反馈量随阶段递增：第一阶段，外腔的相位决定了主腔输出光线宽的加宽或者压窄；第二阶段，同样由外腔的相位控制，只是线宽的加宽现象被替换为快速的跳模；第三阶段，外腔相位作用减弱，主腔输出光稳定的处于压窄状态，但对外部反馈很敏感，在这个阶段内，反馈越强，压得越窄；第四阶段，发生相干崩溃；第五阶段，外腔相位作用继续减弱，主腔输出光稳定的处于压窄状态，对外部反馈不再敏感。由于dfb单频光纤激光器两侧很高的光栅反射率，绝大多数对于dfb单频激光器的反馈都处于第三阶段，故光纤型可调谐衰减器7可调节线宽的压窄程度。但同时也要注意，在某一反馈量时，可能由于外腔对主腔某一纵模的增益从而导致边模抑制比下降严重，甚至跳模，这一点也要以第三光耦合器16的输出光的单频稳定性来判断反馈量是否合适。
50.如图5所示：第二光学环形器18对应的环形腔中安装有第四光耦合器22，第四光耦合器22连接有第二激光测量系统23。第四光耦合器22为5:5光耦合器。单模光纤的布里渊增益非常低，图4的布里渊光纤激光器需要很长的单模光纤，但是布里渊的增益带宽大概是20mhz，当单模光纤很长，即腔长很长时，由第四光耦合器22输出的激光将不再是单频光。所以安装第二激光测量系统23用于监测环形腔中信号光的强度，是否满足带宽的要求。
51.如图6所示：第二光学环形器18对应的环形腔中安装有第四波分复用器20和第二掺饵光纤21，第四波分复用器20连接有第二光泵浦源19。第二光泵浦源19为980nm光学泵浦源，第四波分复用器20为980/1550波分复用器。为了能够满足布里渊增益带宽的要求，解决单模光纤布里渊增益低的问题，在环形腔中加入了980nm的第二光学泵浦源19、980/1550的第四波分复用器20、以及第二掺饵光纤21，使得注入的布里渊信号光以及产生的微弱的一阶斯托克斯光都得到放大，从而以更短的增益光纤达到受激布里渊的阈值，大大降低了所需的布里渊泵浦功率以及腔的长度，在保证了单频输出的前提下，也提高了输出光的功率。
52.这里所用第二掺饵光纤21的浓度应偏高，这样才能在保证腔长度最短的前提下，有足够的增益来放大布里渊泵浦光以及一阶斯托克斯光。
53.第二光学环形器对应的环形腔，其腔长在10m以内，用于保证在布里渊增益范围内只有一个纵模，第二掺饵光纤21拥有较高的掺杂浓度。掺杂光纤的浓度需要满足以下两个要求：1，在整个腔的长度需要少于10m的要求下，所加入的掺杂光纤需要为布里渊泵浦光以及产生的斯托克斯光提供足够的增益；2，特殊情况下，当之前的自注入装置的输出激光功率比较低时，也要保证加入的掺杂光纤能对弱的输入布里渊泵浦光进行有效放大，而不是
布里渊泵浦光未被放大就被重吸收而消耗。从而保证在拥有较高增益水平的前提下尽可能减小腔长。
54.如图6所示：第二光学环形器18对应的环形腔中安装有可调谐的光学滤波器24，光学滤波器24位于第二掺饵光纤21的后端。通过调节光学滤波器24，使得整个腔一定在一阶斯托克斯附近起振，并且由于一阶斯托克斯波长处含有额外的布里渊增益，这样由于增益竞争，输出光一定为单频激光。
55.所用光学滤波器24的通带宽度应比与整个装置适用的激光波段对应的布里渊频移窄或者相等,这样才能保证整个处于通带范围内的腔增益可以看作为同一水平，类似一定平坦的直线，此时增益仍然小于损耗，无法起振，此时若受激布里渊发生在某个波长上，加上受激布里渊增益后增益足以抵消腔内损耗，此时，谐振腔起振，并且能抑制腔的自激振荡，保证单纵模特性。这样一阶斯托克斯光波长处的布里渊增益才能更为突出，增益竞争才能更明显。
56.如图7所示：线宽的第一阶段对应线宽最宽，此后阶段线宽依次降低为原激光器线宽，该线宽可在将光纤型可调谐衰减器7调节至衰减最大时在第三光耦合器16输出中获得，该阶段线宽不可调谐；
57.线宽的第二阶段为调节光纤型可调谐衰减器7后得到的线宽，该线宽可在调节可调谐衰减器7后，从第三光耦合器16输出中获得，该阶段线宽为可调谐，且调谐范围大概为原线宽至其五分之一线宽范围内。
58.第三阶段线宽为可调谐衰减器衰减最大时得到的布里渊压窄后的线宽，该线宽可在将光纤型可调谐衰减器7调节至衰减最大时在第四光耦合器22输出中获得，该阶段线宽不可调谐；
59.第四阶段为极窄线宽，该线宽可在调节可调谐衰减器7后，从第四光耦合器22输出中获得，该阶段线宽为可调谐，且若原单频激光器线宽为mhz级别时，其调谐范围大概在khz及hz级别。
60.本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。