CN103928834B - 一种基于soa的超窄线宽fdml环形激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，其由光隔离器、半导体光放大器SOA、可调谐滤波器、第一耦合器、反馈环、第二耦合器、第一单模光纤环组成一个环形腔，反馈环包括：光环形器、高瑞利散射光纤环、可调谐衰减器、第三单模光纤环、第一偏振控制器、第四单模光纤环、第二偏振控制器。本发明实施例提供的基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器同时具备超窄线宽和波长可调谐的优点。

Description

一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤测量领域，尤其涉及一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器.

背景技术

傅里叶域锁模(Fourier Domain Mode Locking，简称FDML)代表一种全新的激光工作状态。与传统的幅度调制或相位调制的锁模机理完全不同，FDML是一种频谱调制的锁模方式，FDML激光器输出频率连续扫描的激光，可经压缩输出超短激光脉冲序列，全部扫描频率信息以光的形式储存在激光谐振腔内(通常为环形腔)。FDML也是一种通常意义上的波长扫描激光器(Wavelength Swept Laser，简称WSL)，在一定的波长范围内实现高速波长连续扫描，瞬时输出峰值功率高、线宽窄的激光。

窄线宽激光器具有抽运阈值低、转换效率高、散热效果好、调谐范围宽、耦合效率高、结构紧凑等特点，凭借其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感高精度光谱及光纤通信领域，可以极大推动大量程传感、远距离测量激光雷达的发展。

2000年，西南交大潘炜围绕利用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA)作为核心器件，配合尾纤式机械调谐带通滤波器作为选模元件，通过在线光纤耦合器、隔离器和单模光纤等构成外腔式可调谐光纤环形腔半导体激光器(FRSLs)，从理论上建立了FRSLs的物理模型，得到适用于FRSLs的单模行波速率方程，经简化后得到了光子流密度分布的解析表达式，对FRSLs的性能进行了定量分析；组建了FRSLs的实验装置及相应的测试***，实现高重复率下的动态单纵模调谐，得到稳定的单频光脉冲输出。采用射频电流直接调制，获得了重复频率高于1GHz、半值全宽度低于100ps、调谐范围大于36nm的短光脉冲列。从现有文献看来，潘炜博士的工作可能是国内最早关于可调谐SOA环形腔激光器的报道，但是，遗憾的是，他没有提到任何有关傅里叶域锁模的事情。

2009年，浙江大学陈达如介绍了FDML光纤激光器的基本概念和工作原理，搭建了连续波FDML光纤激光器并将其应用于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)解调。在环形腔中加入固定波长的滤波器，实现一种频谱受限FDML光纤激光器，探讨了该技术在FBG多点传感方面的应用，并结合拉曼放大实现了远距离应力传感。

丁志华、陈明惠等人于2009年综述了快速扫频光源的研究现状与进展，介绍了基于快速扫频光源的光学频域成像技术与应用,并就该领域存在的主要问题以及技术发展的趋势进行了探讨。2011年，他们报道了一种基于光栅多面镜调谐滤波器的宽带快速线性波长扫描激光器。调谐滤波器由光栅和旋转多面镜组成，采用了非望远镜利特罗布局。在激光谐振腔中采用了自发辐射光谱范围互为拓展的双半导体光放大器，并将两者并联使用确保宽光谱范围。波长扫描范围为170nm，中心波长为1312nm。当多面镜的转速达到695r/s，波长扫描速度为50kHz，相应的激光输出平均功率为2mW。

2004年S.H.Yun等人报道了一种利用衍射光栅和振动反射镜做滤波器的波长扫描激光器。激光器用一个中心波长在1310nm附近的SOA做增益介质；通过一个衍射光栅和一个震动的反射镜实现滤波，当反射镜旋转到一定角度，只有对应波长能返回到激光器中，从而实现滤波作用。实验中可以通过调整反射镜的驱动信号控制激光器波长扫描范围和扫描频率。实验得到了波长扫描范围为80nm，扫描频率为500Hz，瞬时光谱线宽小于0.06nm的激光。2005年，R.Huber等人报道了波长扫描激光器。这种激光器由单模光纤组成一个环形腔，用SOA做增益介质，滤波器为可调光纤Fabry-Perot滤波器。这种激光器在20kHz的波长扫描频率下输出功率可达45mW。

R.Huber分析了传统的波长扫描激光器的缺点，对于传统的波长扫描光纤激光器，每当滤波器透过波长改变，之前激光腔内的振动模式会被打乱，新的起振模式将从增益介质的自发辐射中再重新建立起来。每次变化滤波器的透过波长，激光器都要重新建立稳定的运行模式，因此，激光器从自发辐射到形成激光的时间限制了波长扫描速度，这就是传统的波长扫描激光器扫描频率很难提高的一个重要瓶颈。

和传统波长扫描激光器相比，FDML激光器克服了波长改变需要从自发辐射重新形成激光的缺点。因此，它的波长扫描速度显著提高。2006年R.Huber等人提出了一种傅里叶域锁模光纤激光器,并给出了几种不同扫描频率下输出激光器的时域特性，其中最大波长扫描频率高达290kHz，波长扫描范围超过100nm。

2009年Christian Jirauschek等人为FDML激光器提出了一种理论模型，通过数值模拟得出了激光振幅的时域变化曲线及激光中心波长随时间的变化曲线。结果证明，单模光纤中的色散、非线性系数对激光振幅的影响非常小，而滤波器波长扫描周期和腔内绕行时间不匹配时，对激光振幅影响很大。并在随后的几年里，他们利用这个理论模型，分析环形腔各物理效应对FDML激光器输出的影响，包括色散、自相位调制和SOA的增益恢复和线宽增强因子等因素。

2009年Benjamin等人实验研究了光纤色散、滤波器带宽对FDML激光器瞬时光谱线宽的影响。并在随后的一年里，设计出一种电光调制方法，能直接测量FDML激光器瞬时光谱线宽，电光调制方法克服了这个缺点，它用一个和FDML激光器扫描相同的信号驱动一个电光调制器，电光调制器每次只能让很短时间内的光通过(约几ns)，因为驱动信号和扫描周期同步，每次通过的光的波长也相同。这样就可以直接测量FDML激光器的瞬时光谱线宽。

目前窄线宽单纵模光纤激光器的常用技术有：(1)控制和利用腔内相遇光波的偏振状态来消除驻波效应引起的空间烧孔的非相干技术；(2)在腔内采用光纤布喇格光栅作为激光腔镜，可以得到激光的窄带输出；(3)在激光腔中加入未抽运掺杂光纤来选频并抑制跳模的饱和吸收体技术方案；(4)由于光纤中各种非线性效应的有效利用，近年来又出现了基于布里渊散射或瑞利散射的窄线宽光纤激光器。

2003年，Jae Chul Yong利用非平衡MZ干涉仪耦合反馈/输出，DFB激光器泵浦实现单频连续光布里渊光纤激光器，纵模位置与布里渊增益峰值的相对位置影响激光器单纵模或多纵模工作，采用自动跟踪稳定反馈环技术实现了单频稳定工作，泵浦光功率26.4mW时布里渊激光器输出功率约3.18mW，功率波动抑制在4％以下，测得线宽小于1kHz。

朱涛、鲍晓毅等人利用受激瑞利散射实现纵模抑制，对单纵模超窄线宽光纤激光器进行了详细研究。2010年，在光纤中观察到了受激瑞利散射现象，并指出这种现象可用于激光线宽压缩，初步的理论分析表明该方法可实现数十Hz的超窄线宽激光输出，并且可实现超宽带范围的波长可调。2011年实现了3dB线宽小于2KHz的可调谐激光输出，输出激光边模抑制比(SMSR)达到70dB，在0.6nm范围内进行了波长调谐，光功率最高达到5dBm。2013年，利用长约110m的光纤上分布的21个拉锥结构，实现模式抑制和线宽压缩，再次报道了基于瑞利散射的单纵模超窄线宽激光器，实验得到输出激光线宽约200Hz。进一步，他们引入自注入反馈方式，获得了线宽小于130Hz的单纵模光纤激光器，SMSR高达75dB。

在光纤通信领域，未来的高带宽、高传输速率的光通信***中需要高质量的光源，尤其是在光通信***的波长相关性能的实时高速测量方面，对光源的动态特性要求很高，而且波长调谐特性也是重要参数之一，超窄线宽FDML激光器凭借其良好的动态调谐特性，可用于光纤通信***的色散、偏振模色散等高速测量和光谱分析。

发明内容

本发明提供了一种超窄线宽、波长可调谐的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器。

第一方面，本发明实施方式提供一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器由光隔离器、半导体光放大器SOA、可调谐滤波器、第一耦合器、反馈环、第二耦合器、第一单模光纤环组成一个环形腔，其中：

所述反馈环包括：光环形器、高瑞利散射光纤环、可调谐衰减器、第三单模光纤环、第一偏振控制器、第四单模光纤环、第二偏振控制器；

光束由所述第一耦合器输出，并通过所述光环形器的第一端口进入到所述光环形器；进入所述光环形器的光束由所述光环形器的第二端口输出，一部分光束到达所述高瑞利散射光纤环产生背向瑞利散射光，另一部分光束继续传输到达所述可调谐衰减器形成直通光束；所述直通光束经过调谐以及所述第三单模光纤环输送到所述第二耦合器的第一端口；所述背向瑞利散射光返回到所述光环形器的第二端口进入所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出，依次经过所述第二偏振控制器、所述第四单模光纤环、所述第一偏振控制器到达所述第二耦合器的第二端口经合束后输出。

第二方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述半导体光放大器SOA通过自发辐射使得所述基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器存在自发辐射源，每次光束经过所述半导体光放大器SOA时被放大，以实现受激辐射产生激光。

第三方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述光隔离器设置有第一光隔离器和第二光隔离器，所述第一光隔离器和所述第二光隔离器设置位于所述半导体光放大器SOA的两端，用于使所述光束单向传输。

第四方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述半导体光放大器SOA的载流子恢复时间为300ps。

第五方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述环形腔留出两个端口，且端口类型设置为环型连接器FC/微凸抛光连接器APC，其余元件之间通过熔接的方法来连接。

第六方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，根据所述环形腔内光纤的长度选择所述第一耦合器和所述第二耦合器的最佳的分光比；所述第一耦合器的分光比设置为30:70，所述第二耦合器的分光比设置为50:50。

第七方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述可调谐滤波器根据设计扫描速率要求选择波长，以实现滤波。

第八方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述半导体光放大器SOA和所述可调谐滤波器的驱动电路由基于FPGA直接数字频率合成实现。

第九方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，所述可调衰减器控制所述背向瑞利散射光和所述直通光束在环中的比例，使得所述背向瑞利散射光对所述环形腔中光束的带宽进一步压缩，最终实现窄线宽激光输出。

第十方面，在根据本发明实施方式的一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，设整个光纤长度设置为ring length，所述高瑞利散射光纤的长度为Fiber2，所述第一单模光纤环长度为Fiber1、所述第三单模光纤环长度为Fiber3、所述第四单模光纤环长度为Fiber4，则各部分光纤的长度满足下述条件：

Fiber3＝Fiber2+Fiber4；ring length＝Fiber1+Fiber2+Fiber3。

因为采用基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器，上述技术方案具有如下有益效果：

(1)采取傅里叶域锁模FDML工作模式，能够大大提高波长扫描速度，突破了传统波长扫描激光器的波长扫描速度受光纤环形腔长度、滤波器调谐速度、增益介质亚稳态载流子寿命等限制，打破了难以实现高扫描速度的局限，为光通信和光传感提供高速波长调谐激光器；

(2)采用受激瑞利散射反馈的方式，实现超窄线宽的功能的同时不影响FDML环形腔的谐振问题，可以为相干测量提供优质光源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施方式的光纤环形腔扫描激光器原理图；

图2是根据本发明一个实施方式的基于半导体光放大器SOA和受激瑞利散射的傅里叶域锁模FDML光纤激光器原理图；

图3是根据本发明一个实施方式的基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器原理图；

图4是根据本发明一个实施方式的环形腔扫描激光器输出连续波长时的激光光谱；

图5是根据本发明一个实施方式的法布里-珀罗波长可调谐滤波器三角波驱动电路输出。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

(1)环形腔扫描激光器的性能测试和受激瑞利散射的实现

本发明实施方式提供一种基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器。首先，搭建光纤环形腔扫描激光器100，如图1所示，其包括：半导体光放大器SOA 101、第一光隔离器1021、第二光隔离器1022、可调谐滤波器103、耦合器104。半导体光放大器SOA 101作为光纤环形腔扫描激光器的自发辐射源和放大器件，通过半导体光放大器SOA 101的自发辐射使得激光器存在自发辐射源，每次光束经过半导体光放大器SOA 101时，会被半导体光放大器SOA 101放大，最终实现受激辐射产生激光。第一光隔离器1021、第二光隔离器1022设置位于半导体光放大器SOA 101的两端，用于使光纤环形腔扫描激光器100的环中光沿着规定方向单向性传输。可调谐滤波器103在驱动电路1031的作用下使得滤波器能够按照设计扫描速率要求大范围选择波长，实现滤波。耦合器104合理的分配输出激光和环内部循环的激光，实现激光的分束。

实验获取基于半导体光放大器SOA 101的非线性增益过程和滤波器的高速调谐过程，以及傅里叶域锁模FDML的输出特性与***各参量的关系，包括半导体光放大器SOA 101的增益、相位、噪声、载流子恢复动态过程、驱动电流、半导体光放大器SOA 101结构和尺寸、滤波器的透过特性、调谐速度、环形腔的偏振特性、损耗、色散等等诸多参量对光纤环形腔扫描激光器100的影响，得到构成光纤环形腔扫描激光器100各部分器件的性能测试结果。同时研制基于石英光纤的高瑞利散射介质或结构，抑制其它非线性散射过程，增强瑞利散射反馈，并利用高速示波器等测量激光建立过程，包括纵模抑制、线宽压缩等现象，以及在均匀展宽介质(如EDF)和非均匀展宽(如SOA)介质中激光建立过程的差异。在此基础上观察在非均匀展宽介质SOA的增益谱范围内，瑞利散射实现纵模抑制和线宽压缩的过程；随后检测有源介质载流子寿命对受激瑞利散射的影响作用，观测其对反馈增益过程和线宽压缩的影响。最终选择利用非均匀展宽介质SOA作为增益介质，由于SOA的载流子寿命一般约数百ps，本发明实施例的半导体光放大器SOA 101的载流子回复时间为300ps，比目前广泛使用的EDF小7-8个量级，由此产生的激光建立过程存在差异，所以在前面建立的光纤环形腔激光器的基础上，提出如图2的研究方案，同时将背向瑞利散射光和直通光反馈共同注入半导体光放大器SOA 101，在环形腔内传输，最终实现基于SOA的超窄线宽FDML激光器。

(2)对环形腔实现色散管理和波长定标，实现傅里叶域锁模工作模式。

傅里叶域锁模FDML光纤激光器腔内多波长谐振，环形腔的色散会影响高速扫描波长输出，光纤链路的色散管理技术在光纤通信***中已经非常成熟，通过实验已积累了丰富的研究成果和经验，因此，结合理论分析和实验研究，将色散管理技术用于傅里叶域锁模FDML，提高扫描带宽，改善输出光谱特性。采用多种色散管理方法，包括普通光纤加色散补偿光纤、色散位移光纤、啁啾光栅等，调整傅里叶域锁模FDML扫描波长范围内的色散特性，减小全带宽范围内的传输时延差，实现宽带宽、功率均衡、高速波长扫描激光输出，实现对环形腔的色散进行控制和管理。

通过控制可调谐滤波器103扫描状态最终实现对傅里叶域锁模FDML光纤激光器输出波长的控制。由于可调谐滤波器103的中心波长与施加在PZT上的电压呈非线性关系，而且每次扫描结束后PZT的位置有所不同，每次扫描曲线的变化形式也有差异，无法用曲线拟合得到统一的数学表达式；而且PZT不仅受电压影响，环境温度也会改变PZT的工作状态，实验表明，温度改变10℃，同一电压下可调谐滤波器103的中心波长改变3-5nm。所以傅里叶域锁模FDML光纤激光器每次扫描过程中需要对可调谐滤波器103进行动态标定。

具体的标定方法如下：采用标准具和吸收气室实现傅里叶域锁模FDML光纤激光器输出波长的动态标定，构成闭环控制过程，通过波长的标定，动态调整PZT扫描电压，使可调谐滤波器103工作在一个受控的稳定状态，从而实现傅里叶域锁模FDML光纤激光器输出波长的可控和标定。标准具实际也是一个梳状可调谐滤波器103，相邻两个透射峰之间的间隔为0.8nm，将可调谐滤波器103的自由光谱区划分为100个区间，每个区间的电压对波长的变化可认为是线性的。傅里叶域锁模FDML激光器波长扫描时，同时也对梳状可调谐滤波器103进行扫描，瞬时输出谱必定处于梳状可调谐滤波器103的某个区间内，然后使用线性插值就可以得到傅里叶域锁模FDML激光器输出波长的准确位置。

然而我们采用的标准具梳状可调谐滤波器103也会受到温度的影响，当温度变化100℃时，梳状可调谐滤波器103各峰值的位置漂移2-5pm，因此定标器件也会带来测量误差。由于气体的吸收谱线随温度变化极小，为了校正梳状可调谐滤波器103带来的误差，可用注入乙炔气体的气室吸收光谱进行标定。进行一次扫描后可以由梳状可调谐滤波器103对吸收峰进行标定，得到的结果与标准的吸收谱线的差值即为由温度引起的测量误差，用这个误差对激光器输出波长进行标定，这样能够准确的实现控制激光器波长的输出，同时也实现了傅里叶域锁模FDML工作模式。

(3)设计驱动与控制电路。

超窄线宽FDML激光器的关键器件包括半导体光放大器SOA 101、可调谐滤波器103和高瑞利散射介质，我们将首先设计并研制半导体光放大器SOA 101及可调谐滤波器103的驱动(包括直流、交流)和温度控制。半导体光放大器SOA 101的驱动电流连续可调，温度连续可控，交流驱动的频率和幅度均可调。

通过测量获得可调谐滤波器103的电学特性参数，包括等效电阻、电感和电容，以测量数据为依据设计驱动与控制***，研究可调谐滤波器103的调谐特性，包括中心波长与驱动电压的线性关系、调谐机理和调谐频率等，研究MHz以上超高速调谐的方案和技术，可调谐滤波器103的驱动函数、频率、电压和幅度等参数均可调，工作温度可调。

电路驱动方面的实现：半导体光放大器SOA 101和可调谐滤波器103的驱动与控制电路部分采用基于FPGA直接数字频率合成(DDS)技术生成任意波形，实现任意函数波形频率、幅度、电平的调节，设计波形信号放大电路满足可调谐滤波器103的驱动电压。控制部分主要是温度控制、外部调节和显示，包括三个方面：采用帕尔贴元件和热敏电阻实现温度控制；采集频率、幅度、函数等控制按钮的信号，输入到FPGA，完成输出波形的频率和幅度等参量的控制；输出频率、幅度、电平、温度信息到显示屏。环境温度在10-40度变化时，温控电路使可调谐滤波器103工作在25度，温度波动<0.1度。

傅里叶域锁模FDML的实现：一般地，光纤环形腔的基频与激光波长有关，傅里叶域锁模FDML激光器要求波长扫描频率为光纤环形腔的基频的整数倍，因此，只有在光纤环形腔无色散时，才能实现全带宽范围内的扫描频率匹配，实现傅里叶域锁模FDML。从不同位置散射的瑞利散射光到达半导体光放大器SOA 101和可调谐滤波器103的时间不同，即在图2中，高瑞利散射光纤环1062上不同位置的背向瑞利散射光将经历不同传输时延反馈回到半导体光放大器SOA 101，因此，我们只能保证足够多的瑞利散射光经过半导体光放大器SOA 101和可调谐滤波器103，形成谐振输出，实现超窄线宽傅里叶域锁模FDML激光器。为了使瑞利散射光和泵浦光同时形成谐振，整个光纤长度设置为ringlength，高瑞利散射光纤环1062的长度为Fiber2，第一单模光纤环1061长度为Fiber1、第三单模光纤环1063长度为Fiber3、第四单模光纤环1064长度为Fiber4，则各部分光纤的长度满足下述条件：

Fiber3＝Fiber2+Fiber4；ring length＝Fiber1+Fiber2+Fiber3。

举例说明长度条件：如果环长10km，那么1550nm波段的光在环形腔内绕行周期为50us，可调谐滤波器103的扫描频率应为20kHz才能实现傅里叶域锁模FDML；如果波导调谐范围为50nm，可调谐滤波器103的3dB带宽为0.1nm，那么可以等效地认为每个谐振波长处的停留时间为0.1nm/50nm/20kHz＝0.1us，那么就要求瑞利散射介质高瑞利散射光纤环1062两端的背向散射光往返时延差不超过0.1us，这样，高瑞利散射光纤环1062的长度必须小于10m；如果环形腔增长，那么可调谐滤波器103调谐频率将减小，高瑞利散射光纤环1062要适当加长。

(4)超窄线宽FDML激光器的调试

超窄线宽FDML激光器***的调试工作主要包括：半导体光放大器SOA 101的驱动与控制***的调试；可调谐滤波器103的驱动与控制***调试；瑞利散射介质或光纤结构的调试(散射系数、长度等)；偏振控制器的调节；耦合器104分光比的调节；环形腔长度调节和色散管理；激光器输出波长的监测与标定等等。经过调试后，确定超窄线宽FDML激光器***中的各光器件参数、驱动电路参数等。

(5)超窄线宽FDML激光器的实现

基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器***图如图3所示。因为环形腔中激光的输出和谐振受到偏振影响大，基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器中偏振态的控制具有重要意义，所以在图2方案的基础上加入第一偏振控制器1081和第二偏振器1082来实现对基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器偏振态的控制。

基于半导体光放大器SOA的超窄线宽傅里叶域锁模激光器，由半导体光放大器SOA101、第一光隔离器1021、第二光隔离器1022、可调谐滤波器103、第一耦合器1041、第二耦合器1042、反馈环、第二耦合器1042、第一单模光纤1061环组成一个环形腔，其中：反馈环包括：光环形器105、高瑞利散射光纤环1062、可调谐衰减器VOA 107、第三单模光纤环1063、第一偏振控制器1081、第四单模光纤环1064、第二偏振控制器1082。

半导体光放大器SOA 101作为光纤环形腔扫描激光器的自发辐射源和放大器件，通过半导体光放大器SOA 101的自发辐射使得激光器存在自发辐射源，每次光束经过半导体光放大器SOA 101时，会被半导体光放大器SOA 101放大。为使半导体光放大器SOA 101的自发辐射光沿着规定的方向传输，光路的单向性传输主要由位于半导体光放大器SOA101两端的第一光隔离器1021和第一光隔离器1022来实现。放大后的单向光束传输到可调谐滤波器103，在驱动电路1031的作用下使得可调谐滤波器103能够按照设计扫描速率要求大范围选择波长，实现对光束的滤波。

滤波后的光束到达第一耦合器1041，一部分光束通过第一耦合器1041的第一端口A输出，另一部分光束通过第一耦合器1041的第二端口B输出，经过预留端口H1到达光环形器105的第一端口C。进入到光环形器105的光束由其第二端口D输出。D端口输出的光束，一部分到达高瑞利散射光纤环1062产生背向瑞利散射光，另一部分继续传输到达可调谐衰减器VOA 107形成直通光束。直通光束经过可调谐衰减器VOA 107以及第三单模光纤环1063输送到达第二耦合器1042的第一端口F，高瑞利散射光纤环1062和单模光纤环1063主要是为了增强瑞利散射的产生，可调谐衰减器VOA 107主要为了控制经过单模光纤环1063的光的强度，进而控制瑞利散射光和直通光在环形腔中的强度比例，通过调节可调谐衰减器VOA 107使得背向瑞利散射光对环形腔中激光束的带宽进一步压缩，最终实现窄线宽激光输出。所述背向瑞利散射光返回到光环形器105的第二端口D进入光环形器105，并由光环形器105的第三端口E输出，依次经过第二偏振控制器1082、第四单模光纤环1064、第一偏振控制器1081到达第二耦合器1042的第二端口G。第二耦合器1042实现了两束光的合束。合束后的激光由第二耦合器1042经过预留端口H2连接到第一光隔离器1021，实现环路。

不同分光比的光纤耦合器对激光器输出功率有很大的影响，同时，它对于腔内激光的谐振也有着重要影响。根据环形腔内光纤的长度以及实验结果，选择的最佳的分光比，第一耦合器1041的分光比设置为30:70，第二耦合器1042的分光比设置为50:50。

预留端口H1、H2均通过FC/APC来连接，其余器件之间都是通过熔接来连接，这主要是为了减小端面反射和腔内的损耗作用。通过不同方式的连接结构，可以实现不同的功能；例如，如果两个端口仅通过光纤连接，这样就可以实现一个波长扫描光纤激光器的功能。

光束在整个环形腔中多次谐振，由于半导体光放大器SOA 101的增益，以及瑞利散射的反馈作用，最终实现超窄线宽的傅里叶域锁模FDML激光输出。波长的扫描通过对可调谐滤波器103的调制来实现。通过调节扫描激光器的参数，能够得到基于SOA的超窄线宽FDML环形激光器输出连续波长时的激光光谱如图4所示，驱动可调谐滤波器103所产生的三角波电压信号如图5所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器由光隔离器、半导体光放大器、可调谐滤波器、第一耦合器、反馈环、第二耦合器、第一单模光纤环组成一个环形腔，其中：

所述光隔离器设置有第一光隔离器和第二光隔离器，所述第一光隔离器和所述第二光隔离器设置位于所述半导体光放大器的两端，用于使光束单向传输；

所述反馈环包括：光环形器、高瑞利散射光纤环、可调谐衰减器、第三单模光纤环、第一偏振控制器、第四单模光纤环、第二偏振控制器；

光束由所述第一耦合器输出，并通过所述光环形器的第一端口进入到所述光环形器；进入所述光环形器的光束由所述光环形器的第二端口输出，一部分光束到达所述高瑞利散射光纤环产生背向瑞利散射光，另一部分光束继续传输到达所述可调谐衰减器形成直通光束；所述直通光束经过调谐以及所述第三单模光纤环输送到所述第二耦合器的第一端口；所述背向瑞利散射光返回到所述光环形器的第二端口进入所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出，依次经过所述第二偏振控制器、所述第四单模光纤环、所述第一偏振控制器到达所述第二耦合器的第二端口经合束后输出。

2.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述半导体光放大器通过自发辐射使得所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器存在自发辐射源，每次光束经过所述半导体光放大器时被放大，以实现受激辐射产生激光。

3.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述半导体光放大器的载流子恢复时间为300ps。

4.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述环形腔留出两个端口，且端口类型设置为环型连接器FC/微凸抛光连接器APC，其余元件之间通过熔接的方法来连接。

5.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，根据所述环形腔内光纤的长度选择所述第一耦合器和所述第二耦合器的最佳的分光比；所述第一耦合器的分光比设置为30:70，所述第二耦合器的分光比设置为50:50。

6.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述可调谐滤波器根据设计扫描速率要求选择波长，以实现滤波。

7.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述半导体光放大器和所述可调谐滤波器的驱动电路由基于FPGA直接数字频率合成实现。

8.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，所述可调衰减器控制所述背向瑞利散射光和所述直通光束在环中的比例，使得所述背向瑞利散射光对所述环形腔中光束的带宽进一步压缩，最终实现窄线宽激光输出。

9.如权利要求1所述基于半导体光放大器的超窄线宽傅里叶域锁模环形激光器，其特征在于，设整个光纤长度设置为ring length，所述高瑞利散射光纤环的长度为Fiber2，所述第一单模光纤环长度为Fiber1、所述第三单模光纤环长度为Fiber3、所述第四单模光纤环长度为Fiber4，则各部分光纤的长度满足下述条件：

Fiber3＝Fiber2+Fiber4；ring length＝Fiber1+Fiber2+Fiber3。