專利名稱：復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖激光器，特別是具有復(fù)合腔的單縱模摻鉺激光器，屬激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
窄線寬、單縱模光纖激光器在光纖通信、光傳感及光譜學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。摻鉺光纖激光器具有低閾值、低噪聲、高信噪比、高溫度穩(wěn)定性和便于小型化等半導(dǎo)體激光器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別是光纖中摻雜的鉺離子激射波長范圍幾乎覆蓋C+L通信波段(1520-1610nm)，利用鉺光纖制成的單縱模光纖激光器，近年來成為高速光通信系統(tǒng)和高密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中極具吸引力的光源。單縱模摻鉺光纖激光器通常為環(huán)形腔與線形腔結(jié)構(gòu)。對于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗脫姐s光纖較長(大約幾米)，縱模間隔小，容易導(dǎo)致多個模式落入增益譜內(nèi)，常發(fā)生模式跳躍現(xiàn)象。并且環(huán)形腔結(jié)構(gòu)還需要一些昂貴的元件，如環(huán)形器、隔離器等，大大降低了在實(shí)際應(yīng)用中的性價比。對于線形腔結(jié)構(gòu)，多為短腔分布Bragg反射(DBR)結(jié)構(gòu)，因?yàn)檎瓗挼墓饫wBragg光柵(FBG)能夠在空間燒孔效應(yīng)(SHB)存在的條件下壓窄線寬并選取單縱模。但是這一方法的腔長太短，泵浦效率太低而且輸出激光的線寬往往比腔長很長的環(huán)形激光器的線寬還要寬。并且理論上存在缺陷要想獲得1550nm的單縱模激光輸出，理論上腔長應(yīng)短至1cm或者作為腔鏡的光纖Bragg光柵反射帶寬窄至0.01nm，這兩項(xiàng)顯然都是不實(shí)際的。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是解決以上提出和討論的問題，為摻鉺光纖通信系統(tǒng)的研發(fā)與測試提供制作工藝簡單、成本低、高性價比、輸出功率穩(wěn)定、無跳模的單縱模激光光源，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，全光纖化，能夠長期穩(wěn)定工作。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是
這種復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，它包括主諧振腔a、外腔反饋b和信號光放大輸出c三部分
主諧振腔a依次由半導(dǎo)體激光器LD1、波分復(fù)用器WDM2、光纖光柵R13、高摻雜濃度的鉺光纖4和光纖光柵R25熔接構(gòu)成；其中半導(dǎo)體激光器LD是泵浦源，光纖光柵R1、高摻雜濃度的鉺光纖和光纖光柵R2構(gòu)成激光器諧振腔，泵浦光通過波分復(fù)用器WDM耦合進(jìn)激光器諧振腔中，從主諧振腔a的端口①出射波長為1550nm的激光；
外腔反饋b由單模傳光光纖6和光纖光柵R37構(gòu)成；光纖光柵R3通過單模傳光光纖6對主諧振腔a部分輸出的窄線寬激光起到了光反饋并選取單縱模的作用，主諧振腔a部分的端口①與外腔反饋b部分端口②相熔接，從光纖光柵R3反射回來的部分信號光通過端口②進(jìn)入主諧振腔a部分，從光纖光柵R3透射的信號光由端口③出射；
信號光放大輸出c由普通摻雜濃度的鉺光纖8、單向?qū)Ч馄?和8°角的輸出端面10構(gòu)成；該部分的端口④與外腔反饋b部分的端口③相熔接，普通摻雜濃度的鉺纖對從端口③出射的信號光進(jìn)行放大，放大了的信號光經(jīng)單向?qū)Ч馄?，?°角的輸出端面的右側(cè)端口⑤出射，輸出的單縱模激光接入光譜分析儀進(jìn)行觀測。
本實(shí)用新型的有益效果是
解決了全光纖化摻鉺光纖通信系統(tǒng)光源輸出激光的窄線寬單縱模特性與相對較高的泵浦效率不可兼得的弊端，以及以往窄線寬激光器成本高、易跳模的問題，實(shí)現(xiàn)了單縱模、斜率效率達(dá)到4％的1548.4nm激光的輸出，并且使裝置全光纖化，結(jié)構(gòu)緊湊，高性價比，能夠長期穩(wěn)定工作。


圖1.a、主諧振腔 b、外腔反饋部分 c、信號光的放大輸出部分
圖2.加入外腔未加放大時，輸出功率和泵浦功率的關(guān)系
圖3.激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)時內(nèi)、外腔長度的關(guān)系曲線
圖4.未加入外腔及放大時，主腔輸出激光的光譜
圖5.復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器的輸出光譜
實(shí)施具體方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行具體說明
這種復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，它由三部分構(gòu)成主諧振腔a、外腔反饋部分b和信號光的放大輸出部分c。
主諧振腔a依次由半導(dǎo)體激光器LD1、波分復(fù)用器WDM2、光纖光柵R13、高摻雜濃度的鉺光纖4和光纖光柵R25熔接構(gòu)成；其中半導(dǎo)體激光器LD是泵浦源，光纖光柵R1、高摻雜濃度的鉺光纖和光纖光柵R2構(gòu)成激光器諧振腔，泵浦光通過波分復(fù)用器WDM耦合進(jìn)激光器諧振腔中，從主諧振腔a的端口①出射波長為1550nm的激光；
外腔反饋b由單模傳光光纖6和光纖光柵R37構(gòu)成；光纖光柵R3通過單模傳光光纖6對主諧振腔a部分輸出的窄線寬激光起到了光反饋并選取單縱模的作用，主諧振腔a部分的端口①與外腔反饋b部分端口②相熔接，從光纖光柵R3反射回來的部分信號光通過端口②進(jìn)入主諧振腔a部分，從光纖光柵R3透射的信號光由端口③出射；
信號光放大輸出c由普通摻雜濃度的鉺光纖8、單向?qū)Ч馄?和8°角的輸出端面10構(gòu)成；該部分的端口④與外腔反饋b部分的端口③相熔接，普通摻雜濃度的鉺纖對從端口③出射的信號光進(jìn)行放大，放大了的信號光經(jīng)單向?qū)Ч馄?，?°角的輸出端面的右側(cè)端口⑤出射，輸出的單縱模激光接入光譜分析儀進(jìn)行觀測。
激光器的復(fù)合腔由主諧振腔a與外腔反饋b兩部分構(gòu)成。
半導(dǎo)體激光器LD的激光波長是980nm。
主諧振腔中的光纖光柵均為光纖布拉格光柵FBG，光纖光柵R13、R25的3dB反射帶寬均為0.1nm，中心反射波長1550nm處反射率分別為99.9％、80％。
主諧振腔a中的高摻雜鉺光纖4長12cm，摻雜濃度2740ppm，980nm處峰值吸收系數(shù)為14dB/m。
外腔反饋中的單模傳光光纖6是普通單模光纖，長為10m；光纖光柵R37亦是光纖布拉格光柵FBG，其3dB反射帶寬為0.1nm，中心反射波長1550nm處反射率為50％。
光纖光柵R25、R37分別固定在兩個懸臂梁上，通過調(diào)節(jié)加在懸臂梁上的應(yīng)力，使其彎曲，從而調(diào)整光纖光柵的中心反射波長，使三個FBG的中心反射波長達(dá)到完全匹配，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模的激光輸出。
信號光放大輸出c部分中，是利用剩余泵浦光對長為2m，980nm處峰值吸收系數(shù)為6dB/m的摻鉺光纖8進(jìn)行泵浦，從而對信號進(jìn)行放大，放大了的信號光應(yīng)經(jīng)過單向?qū)Ч馄?從磨制成8°的端面10輸出。
該裝置中，光纖光柵R2、R3分別固定在兩個懸臂梁上，通過調(diào)節(jié)加在懸臂梁上的應(yīng)力，使其彎曲，從而調(diào)整光纖光柵的中心反射波長，使三個FBG的中心反射波長達(dá)到完全匹配，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模的激光輸出。
按照圖1把每個部分的組件分別進(jìn)行熔接，保證每個熔接點(diǎn)的損耗小于0.02dB。
將主諧振腔a部分的端口①與外腔反饋部分b部分的端口②相熔接，就構(gòu)成了復(fù)合腔部分。從端口③出射的激光與從端口①出射的激光相比，已是被壓窄約1000倍左右的單縱模激光了。
由于該激光器的增益光纖很短，較高功率的泵浦光通過增益介質(zhì)后仍有大量能量未被耗盡；而且激光器的斜率效率較低，直接輸出的信號光太弱。為了充分吸收剩余泵浦光及實(shí)現(xiàn)對信號光的放大，我們將端口③與端口④相熔接，在原來激光器的外腔后面加入了2m摻雜濃度較低的鉺光纖并采用8°角的輸出端以防止端面反射，影響激光質(zhì)量。輸出的單縱模激光接入分辨率為0.1nm，型號是MS9001B1的光譜分析儀進(jìn)行觀測。
圖2為加入外腔但未加放大時，輸出功率隨注入功率的變化曲線。由圖可見，它并不完全是一條直線，在泵浦功率16mW時斜率效率最大，為2％，但輸出功率太小，若繼續(xù)增大泵浦功率，輸出功率雖隨之增大，但其代價是斜率效率的緩慢降低。在最大泵浦功率60mW時，輸出0.83mW，斜率效率降至1.4％。由此可見，在設(shè)定激光器的泵浦功率時要兼顧輸出功率與此時的斜率效率。我們將泵浦功率選定在50mW，這時輸出功率0.76mW，斜率效率1.5％，閾值泵浦功率10mW。
圖3為激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)時內(nèi)、外腔長度的關(guān)系曲線。這種復(fù)合腔結(jié)構(gòu)單頻光纖激光器能夠保證單縱模工作的增益光纖長度是由主、外腔的長度共同決定的主腔的長度決定了縱模間隔，外腔的作用是將增益譜壓窄至縱模間隔以下。外腔壓窄后增益譜寬恰好等于縱模間隔，激光器處于由單模向多模轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)，這時得到圖中曲線A。可以看出，主腔越短，縱模間隔越大，要把譜線壓窄至縱模間隔以下需要的外腔越短，如當(dāng)主腔為1cm時，外腔只要1.3cm即可使譜線壓窄至等于縱模間隔；當(dāng)主腔增長，縱模間隔減小，需要的外腔就要變長，當(dāng)增益光纖為7cm時，外腔至少要27cm，增益光纖12cm時，外腔至少66cm才能滿足要求；外腔達(dá)到一定長度時，損耗恰好抵消增益使激光停止振蕩，得到曲線B，如，主腔1cm時外腔最長10cm，若再長激光器就無法起振了；主腔3cm時，外腔最長91cm；激光器的閾值決定了曲線C，這里增益光纖的最小長度為2cm。因此，單縱模工作區(qū)間是三條曲線A、B、C圍成的區(qū)域。
圖4為未加入外腔及放大時，主諧振腔(a)部分輸出激光的光譜圖。入纖功率為50mW的泵浦光經(jīng)過WDM耦合進(jìn)諧振腔中，從主諧振腔部分的端口①出射波長為1548.4nm的激光，接入型號是MS9001B1的光譜分析儀。此時最大輸出功率為672μW，輸出激光線寬顯示值為0.076nm，增益譜內(nèi)仍有多個縱模。
圖5.復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器的輸出光譜圖。當(dāng)入纖泵浦功率為50mW時，該激光器在1548.4nm獲得了譜寬極窄(受光譜儀分辨率限制，線寬已不可分辨，測量值顯示0.016nm)的穩(wěn)定、無跳模的激光輸出，最大光功率達(dá)1.92mW，斜率效率為4％。通過圖5與圖4的比較可知，外腔的引入大大壓窄了輸出激光的線寬，并使提高泵浦功率的利用效率成為可能(以往文獻(xiàn)報道的窄線寬摻鉺光纖激光器的斜率效率大都在1～2％左右)。
權(quán)利要求1、一種復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于它包括主諧振腔(a)、外腔反饋(b)和信號光放大輸出(c)三部分
主諧振腔(a)依次由半導(dǎo)體激光器LD(1)、波分復(fù)用器WDM(2)、光纖光柵R1(3)、高摻雜濃度的鉺光纖(4)和光纖光柵R2(5)熔接構(gòu)成；其中半導(dǎo)體激光器LD是泵浦源，光纖光柵R1、高摻雜濃度的鉺光纖和光纖光柵R2構(gòu)成激光器諧振腔，泵浦光通過波分復(fù)用器WDM耦合進(jìn)激光器諧振腔中，從主諧振腔(a)的端口①出射波長為1550nm的激光；
外腔反饋(b)由單模傳光光纖(6)和光纖光柵R3(7)構(gòu)成；光纖光柵R3通過單模傳光光纖(6)對主諧振腔(a)部分輸出的窄線寬激光起到了光反饋并選取單縱模的作用，主諧振腔(a)部分的端口①與外腔反饋(b)部分端口②相熔接，從光纖光柵R3反射回來的部分信號光通過端口②進(jìn)入主諧振腔(a)部分，從光纖光柵R3透射的信號光由端口③出射；
信號光放大輸出(c)由普通摻雜濃度的鉺光纖(8)、單向?qū)Ч馄?9)和8°角的輸出端面(10)構(gòu)成；該部分的端口④與外腔反饋(b)部分的端口③相熔接，普通摻雜濃度的鉺纖對從端口③出射的信號光進(jìn)行放大，放大了的信號光經(jīng)單向?qū)Ч馄?，?°角的輸出端面的右側(cè)端口⑤出射，輸出的單縱模激光接入光譜分析儀進(jìn)行觀測。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于激光器的復(fù)合腔由主諧振腔(a)與外腔反饋(b)兩部分構(gòu)成。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于半導(dǎo)體激光器LD的激光波長是980nm。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于主諧振腔中的光纖光柵均為光纖布拉格光柵FBG，光纖光柵R1(3)、R2(5)的3dB反射帶寬均為0.1nm，中心反射波長1550nm處反射率分別為99.9％、80％。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于主諧振腔(a)中的高摻雜鉺光纖(4)長12cm，摻雜濃度2740ppm，980nm處峰值吸收系數(shù)為14dB/m。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于外腔反饋中的單模傳光光纖(6)是普通單模光纖，長為10m；光纖光柵R3(7)亦是光纖布拉格光柵(FBG)，其3dB反射帶寬為0.1nm，中心反射波長1550nm處反射率為50％。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于光纖光柵R2(5)、R3(7)分別固定在兩個懸臂梁上，通過調(diào)節(jié)加在懸臂梁上的應(yīng)力，使其彎曲，從而調(diào)整光纖光柵的中心反射波長，使三個FBG的中心反射波長達(dá)到完全匹配，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模的激光輸出。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合腔單縱模摻鉺光纖激光器，其特征在于信號光放大輸出(c)部分中，是利用剩余泵浦光對長為2m，980nm處峰值吸收系數(shù)為6dB/m的摻鉺光纖(8)進(jìn)行泵浦，從而對信號進(jìn)行放大，放大了的信號光應(yīng)經(jīng)過單向?qū)Ч馄?9)從磨制成8°的端面(10)輸出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖激光器，特別是具有復(fù)合腔的單縱模摻鉺激光器，屬激光技術(shù)領(lǐng)域。主要由三部分構(gòu)成主諧振腔部分、外腔反饋部分和信號光的放大輸出部分。采用緊湊型半導(dǎo)體激光器作泵浦源，在幾個厘米長的高摻鉺光纖兩端熔接光纖Bragg光柵對兒構(gòu)成主腔，一段帶有另一個光纖Bragg光柵的單模傳光光纖與主腔熔接構(gòu)成外腔，外腔的光纖光柵對信號光產(chǎn)生反饋并選取單縱模。最后，剩余泵浦光繼續(xù)泵浦一段低摻鉺光纖，對信號進(jìn)行放大，放大后的激光經(jīng)單向?qū)Ч馄鲝牡蛽姐s纖的另一端輸出。該結(jié)構(gòu)制作工藝簡單，性價比高，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、無跳模的單縱模激光運(yùn)轉(zhuǎn)?？蓮V泛用于高速光通信、高密集波分復(fù)用、相干檢測系統(tǒng)及相位型光纖傳感系統(tǒng)及光譜學(xué)等領(lǐng)域中。
文檔編號H01S3/067GK2711951SQ20042002928
公開日2005年7月20日 申請日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月5日
發(fā)明者王文倩, 呂福云, 謝春霞, 張書敏, 王健, 王宏杰 申請人:南開大學(xué)