CN103401132B - 一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器 - Google Patents

一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器 Download PDF

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一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是它包括泵浦激光器发出的光经分束器分成两束分别送入第一波分复用器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的信号端口之间连接有第一隔离器，第一波分复用器输出的光信号分成两路，一路为泵浦光经非对称结构有源相移光栅吸收后至第三波分复用器，另一路为窄线宽激光经第一隔离器和第二波分复用器送至掺铒光纤中；第二波分复用器输出的激光信号经掺铒光纤放大后送至第三波分复用器，第三波分复用器输出光信号一路为剩余泵浦光，进入非对称结构有源相移光栅，另一路为放大的窄线宽激光经第二隔离器输出。

Description

一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种窄线宽大功率的分布反馈光纤激光器，它同时具有光纤激光器和光纤放大器结构，作为光源适用于传感、通信等领域，尤其适用于分布式光纤振动传感***。
背景技术
光纤激光器由于具有泵浦阈值功率低、转换效率高、散热好、可调谐范围宽、结构紧凑、与现有光纤通信***和光纤传感***完全兼容等优点，成为当前激光技术领域研究的热点。其中，分布反馈光纤激光器是直接在稀土掺杂（掺镱、铒、铥等）光纤上刻写光纤光栅构成的一种短腔激光器，由于采用单独的有源相移光纤光栅作为激光谐振腔，因此具有极窄的线宽、极低的噪声和绝对单纵模运转等优点，在光纤声学振动传感、激光雷达、相干光通信、激光光谱学，以及作为高性能种子光源等方面都有着重要的应用价值。但另一方面，由于分布反馈光纤激光器的谐振腔长很短，一般小于10cm，而具有紫外光敏性的高增益光纤尚未问世，因此现有分布反馈光纤激光器输出功率很小，仅为百uW量级，这使得它尽管有上百千米的相干长度，却在诸如分布式光纤振动传感等应用中因无法激励起足够强的散射信号而失去实用性。
采用铒/镱共掺光纤是有效提高光纤激光器转换效率的方法，但目前此类光纤产品的光敏性很差，难以制作出合适参数的相移光纤光栅，无法保证激光信号的线宽和噪声性能。磷酸盐玻璃光纤可实现高浓度的稀土离子掺杂而不产生“浓度淬灭”效应，基于这种技术的超短腔分布布拉格反射光纤激光器可同时实现窄线宽和大功率输出，但由于作为腔镜的光纤光栅的反射带宽无法做到极窄，这种激光器仍存在跳模的风险。
专利201010228500.2设计了一种融合分布反馈光纤激光器与光纤放大器的光纤器件，通过在分布反馈光纤激光器腔外预留一定长度的铒纤，使激光功率获得放大。其所涉及的结构中，作为放大器种子光的分布反馈光纤激光器为相移对称结构，它所具有的双向输出特性限制了注入到预留铒纤中的窄线宽光功率，从而会影响有效光放大效率；而采用普通光纤作为980nm泵浦光的传导光纤，泵浦光无法保持单模传输特性，使得分布反馈光纤激光器难以获得稳定的低噪声和窄线宽性能，这会严重影响其在实际工程中的应用。另外，用于制作分布反馈光纤激光器的光敏性铒纤价格很高，若采用预留铒纤的方法来获得更大的输出功率，往往会得不偿失。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种结构简单、成本低、大功率输出的窄线宽光源，它同时具有非对称相移分布反馈光纤激光器和双向泵浦光纤放大器的结构，可以满足诸多应用中对光源线宽和功率的要求。
一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是它包括泵浦激光器发出的光经光纤分束器分成两束分别送入第一波分复用器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的信号端口之间连接有第一隔离器，第一波分复用器输出的光信号分成两路，一路为泵浦光经非对称结构有源相移光栅吸收后至第三波分复用器，另一路为窄线宽激光经第一隔离器和第二波分复用器送至掺铒光纤中；第二波分复用器输出的激光信号经掺铒光纤放大后送至第三波分复用器，第三波分复用器输出光信号一路为剩余泵浦光，进入非对称结构有源相移光栅，另一路为放大的窄线宽激光经第二隔离器输出。
所述泵浦激光器为980nm的半导体激光器，带有980nm单模尾纤；
所述光纤分束器为工作波长980nm的光纤分束器；
所述波分复用器均为980/1550波分复用器；
所述隔离器为工作波长1550nm的光纤隔离器；
所述非对称结构有源相移光栅为在有源光纤上曝光刻写的π相移光纤光栅，用来受激产生窄线宽激光信号，其相移点不在光栅中心，而是将光栅分为不同长度的两段，这使得激光输出具有单向性，近相移点一侧为激光输出端；
所述有源光纤为光敏性掺铒光纤或载氢增敏掺铒光纤，有源相移光栅的制作方法包含了遮挡法、二次曝光法和相位掩膜板移动法；
所述掺铒光纤为价格低廉的普通掺铒光纤，它具有较高的C波段增益，用来实现对注入的窄线宽激光功率放大。
本发明的有益效果是，泵浦激光器的能量经分束器和波分复用器分别注入有源相移光栅和掺铒光纤的前端，由于泵浦功率不会被铒离子完全吸收，剩余的泵浦光将分别经过第三波分复用器注入到有源相移光栅和掺铒光纤的后端，所以由有源相移光栅构成的分布反馈激光器和由掺铒光纤构成的光放大器都具有双向泵浦结构，而双向泵浦结构有利于增益介质粒子数反转的一致性，对提高激光器和放大器的工作效率，抑制自发辐射噪声具有显著的作用。而从有源相移光栅激发产生的窄线宽激光只会从近相移端输出，经第一波分复用器、第一隔离器和第二波分复用器注入掺铒光纤，并进行受激发射而放大输出。尽管只采用了单个泵浦光源，但本发明将光纤激光器和光纤放大器结构完全独立开来，激光信号不会发生相互耦合，有利于保持激光信号的低噪声窄线宽输出特性。
附图说明
图1是窄线宽分布反馈光纤激光放大器的结构示意图；图2是非对称结构有源相移光栅的结构示意图。
图中：1-泵浦激光器；2-光纤分束器；3-第一波分复用器；4-非对称结构有源相移光栅；5-第一隔离器；6-第二波分复用器；7-掺铒光纤；8-第三波分复用器；9-第二隔离器；41-相移点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，本发明的目的和效果将更加明显。
如图1所示，一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是它包括980nm的泵浦激光器1尾纤连接光纤分束器2合波端，光纤分束器2两子端口分别连接第一波分复用器3和第二波分复用器6的980端口，第一波分复用器3公共端连接非对称结构有源相移光栅4的近相移点光纤，第一波分复用器3的1550端口连接第一隔离器5输入端，第一隔离器5输出端连接第二波分复用器6的1550端口，第二波分复用器6公共端连接掺铒光纤7一端，掺铒光纤7另一端连接第三波分复用器8公共端，第三波分复用器8的980端连接非对称结构有源相移光栅4的远相移点光纤，第三波分复用器8的1550端连接第二隔离器9的输入端。上述连接方式均为光纤间的低损耗熔接。
所述光纤分束器2为工作波长980nm的光纤分束器；
所述第一波分复用器3、第二波分复用器6和第三波分复用器8均为980/1550波分复用器；
所述第一隔离器5和第二隔离器9均为工作波长1550nm的光纤隔离器；
如图2所示，所述非对称结构有源相移光栅4为在有源光纤上曝光刻写的π相移光纤光栅，在泵浦激光的激发下产生窄线宽激光信号，其相移点41将光栅分为长短不同的两段，这使得激光输出具有单向性，近相移点一侧为激光输出端。
所述有源光纤为光敏性掺铒光纤或载氢增敏掺铒光纤，有源相移光栅的制作方法包含了遮挡法、二次曝光法和相位掩膜板移动法；
所述掺铒光纤7为价格低廉的普通掺铒光纤，它具有较高的C波段增益，用来实现对注入的窄线宽激光功率放大。
下面通过具体实施例对本发明的有益效果作进一步说明。
实施例1：泵浦激光器1功率为300mW，经50:50光纤分束器2均匀分为两部分，分别通过第一波分复用器3和第二波分复用器6注入非对称结构有源相移光栅4和掺铒光纤7泵浦激发铒离子。非对称结构有源相移光栅4所用铒纤掺杂浓度为1500ppm，长度L1=45mm，掺铒光纤7的掺杂浓度为4000ppm，长度为2m。注入到非对称结构有源相移光栅4的150mW泵浦功率经吸收后剩余95mW，剩余功率经第三波分复用器8注入掺铒光纤7，构成双向泵浦光放大器；注入到掺铒光纤7的150mW泵浦功率经吸收后剩余20mW，剩余功率经第三波分复用器8注入到非对称结构有源相移光栅4，构成双向泵浦光纤激光器。
非对称结构有源相移光栅4长度L2=40mm，布拉格波长1550.12nm，相移量为π，相移点41将光栅分为4:6两段，光栅耦合系数为140m-1。从第一隔离器5的输出端测量分布反馈激光器的功率为210uW，线宽小于5kHz；从第二隔离器9 的输出端测量激光放大器的功率为55mW，线宽小于2kHz。在此实施例中，激光功率获得显著的放大，而线宽更得到了进一步的压窄。
实施例2：光纤分束器2采用10:90光纤分束器，掺铒光纤7长度为3m，其他参数均同于实施例1。注入到非对称结构有源相移光栅4的30mW泵浦功率经吸收后剩余21mW，剩余功率经第三波分复用器8注入掺铒光纤7，构成双向泵浦光放大器；注入到掺铒光纤7的270mW泵浦功率经吸收后剩余30mW，剩余功率经第三波分复用器8注入到非对称结构有源相移光栅4，构成双向泵浦光纤激光器。从第一隔离器5的输出端测量分布反馈激光器的功率为50uW，线宽约5kHz；从第二隔离器9 的输出端测量激光放大器的功率为78mW，线宽小于10kHz。

Claims (8)

1.一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是它包括泵浦激光器发出的光经分束器分成两束分别送入第一波分复用器和第二波分复用器；第一波分复用器和第二波分复用器的信号端口之间连接有第一隔离器，第一波分复用器输出的光信号分成两路，一路为泵浦光经非对称结构有源相移光栅吸收后至第三波分复用器，另一路为窄线宽激光经第一隔离器和第二波分复用器送至掺铒光纤中；第二波分复用器输出的激光信号经掺铒光纤放大后送至第三波分复用器，第三波分复用器输出光信号一路为剩余泵浦光，进入非对称结构有源相移光栅，另一路为放大的窄线宽激光经第二隔离器输出；所述泵浦激光器为980nm的半导体激光器，带有980nm单模尾纤；所述非对称结构有源相移光栅为在有源光纤上曝光刻写的π相移光纤光栅，用来受激产生窄线宽激光信号，其相移点不在光栅中心，而是将光栅分为4:6的两段，这使得激光输出具有单向性，近相移点一侧为激光输出端；所述非对称结构有源相移光栅耦合系数为140m-1。
2.根据权利要求1所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述分束器为工作波长980nm的光纤分束器。
3.根据权利要求1所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述波分复用器均为980/1550波分复用器。
4.根据权利要求1所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述隔离器为工作波长1550nm的光纤隔离器。
5.根据权利要求1所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述有源光纤为光敏性掺铒光纤或载氢增敏掺铒光纤。
6.根据权利要求1所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述掺铒光纤为价格低廉的普通掺铒光纤，它具有较高的C波段增益，用来实现对注入的窄线宽激光功率放大。
7.一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是它包括980nm的泵浦激光器尾纤连接光纤分束器合波端，光纤分束器两子端口分别连接第一波分复用器和第二波分复用器的980端口，第一波分复用器公共端连接非对称结构有源相移光栅的近相移点光纤，第一波分复用器的1550端口连接第一隔离器输入端，第一隔离器输出端连接第二波分复用器的1550端口，第二波分复用器公共端连接掺铒光纤一端，掺铒光纤另一端连接第三波分复用器公共端，第三波分复用器的980端连接非对称结构有源相移光栅的远相移点光纤，第三波分复用器的1550端连接第二隔离器的输入端；
所述非对称结构有源相移光栅为在有源光纤上曝光刻写的π相移光纤光栅，用来受激产生窄线宽激光信号，其相移点不在光栅中心，而是将光栅分为4:6的两段，这使得激光输出具有单向性，近相移点一侧为激光输出端；所述非对称结构有源相移光栅耦合系数为140m-1。
8.根据权利要求7所述的窄线宽分布反馈光纤激光放大器，其特征是所述光纤分束器为工作波长980nm的光纤分束器；所述第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器均为980/1550波分复用器；所述第一隔离器和第二隔离器均为工作波长1550nm的光纤隔离器；所述有源光纤为光敏性掺铒光纤或载氢增敏掺铒光纤；所述掺铒光纤为普通掺铒光纤。
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