基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器 本申请要求 2010 年 8 月 13 日提交的、 名称为 “基于并行反馈的超窄线宽环形腔光 纤激光器” 、 申请号为 201010253809.7 的中国申请的优先权， 在此将其全文引入作为参考。
技术领域 本发明涉及通信技术领域， 更为具体地， 涉及一种基于并行反馈的超窄线宽环形 腔激光器。
背景技术 窄线宽激光器在水听器、 激光陀螺、 光控雷达相控阵天线等光相干探测领域具有 广泛的应用。 与其它介质激光器相比， 光纤激光器具有增益区长、 结构紧凑， 能量密度高， 抗 电磁干扰强， 温度膨胀系数小、 且无需加散热等优点。尤其是外腔方式的光纤激光器， 因为 腔长较长， 所以具有天然窄线宽优势。 目前窄线宽光纤激光器的实现方式很多， 例如采用光 纤布拉格光栅 FBG 构成分布反馈 DFB 或着分布布拉格反射 DBR 的线型腔结构、 单向运转的 环形腔结构以及复合腔结构。 图 1 示出了现有窄线宽光纤激光器的基本结构。 如图 1 所示， 现有窄线宽光纤激光器通常包括掺铒光纤、 隔离器、 耦合器、 滤波器件和波分复用器。
现在， 针对在腔中加入光纤布拉格光栅来实现超窄线宽光纤激光器的方法的研究 也很广泛。然而， 这种方法存在下述问题 ：
首先， 利用光纤布拉格光栅实现超窄线宽对于光栅的要求非常高， 不容易实现 ；
其次， 这种方式的成本很高， 而且光频率与光纤布拉格光栅有关， 不能反映腔长的 变化， 因此不能用于光纤陀螺传感器中。
目前实现超窄线宽的主要方式是基于可饱和吸收体光窄带滤波器的光纤激光器， 其线宽普遍在 kHz 量级。这种方法简单有效， 是目前实现超窄线宽的主要方式。但是， 这种 方法很难实现双向出光， 而且进一步压缩线宽要大幅度增长掺铒光纤长度， 因此实现超窄 线宽很困难。
发明内容
针对激光器当前正反馈结构仅为单向反馈回路进一步提高激光器性能很难的问 题， 通过对比单环和复合谐振腔， 提出了并行多路反馈结构方案。 具体是在单模光传输介质 中插入多模光传输介质来设计基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器。
本发明的目的是提供一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器， 该超窄线宽环 形腔激光器可以用于光纤激光陀螺。
根据本发明的一个方面， 提供了一种基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器， 包 括掺铒光纤放大器、 F-P 腔滤波器、 单模光传输介质、 多模光传输介质、 90 ∶ 10 耦合器以及 隔离器， 其中所述掺铒光纤放大器分别经由单模光传输介质与 F-P 腔滤波器、 隔离器、 多模 光传输介质、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的直通端接 入所述环形腔， 耦合端作为光路输出端口。此外， 所述单模光传输介质和多模光传输介质分别是单模和多模光纤、 光波导或 光子晶体。
此外， 在所述多模光传输介质包括多段光传输介质时， 单模光传输介质和多模光 传输介质按照交替的方式构成由单模光传输介质和多模光传输介质构成的光传输结构。
此外， 优选地， 在光传输介质是光纤时， 所述多模光纤的外芯直径为 125μm， 内芯 直径为 100μm。此外， 所述多模光纤的长度为 5m。
此外， 所述多模光纤可以包括多段多模光纤。 优选地， 所述多段多模光纤的外芯直 径为 125μm， 内芯直径为 100μm， 且每段多模光纤的长度为 5m。
有益效果
根据本发明提供的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器， 可以利用由单模光传 输介质和多模光传输介质构成的光传输结构来压缩线宽， 而无需大幅度增长掺铒光纤长 度， 从而克服了现有窄线宽激光器结构复杂和成本昂贵的缺点， 并且进一步大大压缩了线 宽， 实现了超窄线宽激光输出， 根据本发明的超窄线宽激光器的的线宽达到 15Hz， 其仿真结 果甚至可以达到亚 Hz 量级。
为了实现上述以及相关目的， 本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而， 这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外， 本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。 附图说明 通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容， 并且随着对本发明的更全面 理解， 本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中 ：
图 1 示出了现有技术的窄线宽光纤激光器的基本结构图 ；
图 2 示出了并行反馈结构示意图 ；
图 3 示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的最小结构 ；
图 4 示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的一个示例结 构；
图 5 示出了图 4 中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的群指 数；
图 6 示出了利用自拍法测量出的图 4 中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激 光器的结构的线宽测量图 ；
图 7 示出了根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的另一示例结 构；
图 8 示出了利用自拍法测量出的图 7 中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激 光器的结构的线宽测量图 ；
图 9 示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输结构的示意图 ；
图 10 示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输结构的示意 图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在进行根据本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的实施例描述之前， 首先解释几个概念。
(1) 共腔结构。所谓共腔结构是指不同的谐振腔存在一段共同的谐振回路。通过 理论推导可以证明 ： 共腔结构可以使激光器有效实现锁模来稳定运行， 并且具有非常好的 抗干扰性能。
(2) 并行反馈回路， 是指在上面提出的共腔概念的基础上， 使光纤激光器中的正反 馈回路为多路并行， 通过不同回路之间光的相干叠加作用， 使得最后输出激光的波形有所 改善。通过仿真和实验证明 ： 采用多模光纤搭建的并行反馈激光器可以实现超窄线宽到 Hz 以下量级。而目前现有商用光纤激光器线宽都在 kHz 以上， 而且价格昂贵。
下面对与根据本发明的并行反馈光纤激光器相关的工作原理进行详细说明。
1. 并行反馈结构的谐振原理
图 2 示出了并行反馈结构的示意图。对于双耦合器的 MZI 结构谐振腔， 在不考虑 偏振态、 熔接损耗和传输衰减且光源为单频的情况下， 其谐振选频原理推导如下 ：
假设输入光强为， 其中 E2 ＝ 0。 其中 κ 是耦合系数。当
长度为 d 的耦合器传输矩阵为 因此得到 ：耦合器是 3dB 耦合器时，
由此， 得到等式 (1) 和等式 (2) ： 等式 (1) ；
等式 (2)， 其中 为传播常数， n 为光纤折射率。
若要求 E8 ＝ 0， 则需 ： 于是要求 β(L1-L2) ＝ 2kπ+π(k ∈ Z)。 由此， 得到等式 (3) ： 等式 (3)。谐振条件为 ： β(L1+L3) ＝ 2mπ， β(L2+L3) ＝ 2nπ+π， (m， n ∈ Z)。此时恰好也满 足的限制条件 β(L1-L2) ＝ 2kπ+π(k ∈ Z)。
假设第一条谐振回路的长度为 La ＝ L1+L3， 第二条谐振回路的长度为 Lb ＝ L2+L3， 则 对应的相位分别为 ：5101997263 A CN 101997268
说明书(m， n ∈ Z)。4/7 页由此， 谐振条件可等效地表示为 ： 因为(i ＝ m， n)， 谐振回路的长度之比为 r ＝ La ∶ Lb ＝ 2m ∶ (2n+1)，所以 FSR 复合＝ 2m×FSRa ＝ (2n+1)×FSRb。
在这种情况下， 增大 FSR 复合有两种方法 ： 一是使谐振回路的长度之比 r 趋近于 1 ； 二是使其中一个谐振回路的长度非常短。在第一种方法中， 由于复合谐振腔对外部干扰比 较敏感， 很难控制两个谐振回路的长度接近， 也很不稳定。 在第二种方法中， 假设 Lb ＜＜ La， 则最后 FSR 复合≈ FSRb。但是， 缩小其中一个回路的长度是有极限的， 工程上只能到 10cm 左 右， 这远远达不到要求。 共腔方式则克服了以上两个方式的缺点 ： 既能实现两个谐振回路的 差很小， 又能将两个谐振回路的差控制为稳定。 而并行反馈方式实际就是共腔方式的升级， 即多路共腔。
2. 激光器线宽与群速度关系
半导体激光器的线宽为 ：其中 ： vg 是群速度 ； α 是半导体激光器的特有参数， Γw 为光限制因子 ； hv 为光子 αi 是腔内损耗 ( 包括吸收、 衍射、 散射等 ) ； αm 是谐振腔损耗 ； 能量 ； nsp 是自发辐射因子 ； P0 是输出光功率。
可见， 如果群速降低一个数量级， 则线宽将会降低两个数量级。多模光传输介质 ( 例如， 多模光纤、 多模光波导或多模光子晶体 ) 由于传播的模式数较多， 群速度随着模式 的增加将会减小， 这对于压窄激光器线宽有很大作用。 基于此， 提出利用在单模光传输介质 中插入多模光传输介质形成并行反馈光传输结构来构建超窄线宽环形腔激光器。
3. 多模光传输介质有效模式数量
现以 Corning 公司生产的 62.5/125um 的渐变折射率多模光纤为例来对此进行说 明。数值孔径为 NA ＝ 0.200， 相对折射率差 Δ ＝ 1％， 则 n(0) ＝ 1.414， n2 ＝ 1.400。
由此可知， 当工作波长为 1550nm， 光纤内芯直径为 62.5μm 时， 归一化频率为 V ＝ 25.34。则 模式总数为 若是渐变型折射率多模光 则纤， 则有效传播模群为 11 个。若是阶跃型折射率多模光纤， 有效传播模群数为 15 个。
当 光 纤 内 芯 直 径 为 100μm 时，归 一 化 频 率 为 V ＝ 40.53。 则 模式总数 若是渐变型折射率多模光纤， 则有效传 则有效传播模群播模群为 19 个。 若是阶跃型折射率多模光纤，数为 24 个。
假设在谐振腔中可以有效传播的模式个数为 m， 则将 2 段 “单模光纤 - 多模光 纤 - 单模光纤” 结构级联起来时， 所产生不同通路个数有 m*m 个。这样， 将n段 “单模光 n 纤 - 多模光纤 - 单模光纤” 结构级联起来时， 独立的通路数为 m 个， 会随着级联段数急剧增 n 加。若将该级联结构环起来形成环形谐振腔， 将产生 m 个独立谐振回路。若将该级联结构两端加上反射镜， 即形成线腔激光器结构， 将产生 mn*mn ＝ m2n 个独立谐振回路。 当谐振腔中 存在增益介质， 形成激光器时， 所产生激光需要同时满足所有谐振腔的限制条件， 从而所获 得的激光具有极窄的线宽。
4. 群指数公式
群指数是与群速度相对应的。所谓慢光是指群速度较小的光， 是在高色散器件和 媒质中存在的一种反常物理现象。在光纤通信中使用的光是以光脉冲的形式来传播信息， 而光脉冲的速度是光的群速度而不是光的相速度 (3e+8m/s)。 为了获得慢光， 需要较高的群 指数。
群指数和群速度之间的关系为 ：其中 ng 为群指数， νg 为群速度，τ(ω) 为延时， Φ 为相位， L 为总环长。
光在长度为 l 的介质中传播， 所产生的相移为 ： 这样可以得到群指数和相位之间的关系为 ：多模光传输介质 ( 例如， 多模光纤、 多模光波导或多模光子晶体 ) 由于能够传播 多种模式， 不同模式的有效折射率相差很小， 不同模式之间相互干涉， 通过对不同结构的仿 真， 最大的群指数达到了 10 的 3 次方量级， 从而实现了选频和压线宽的作用。通过仿真， 图 4 结构的群指数如图 5 所示， 能够接近 10 的 3 次方数量级。在图 5 中出光频率比较多， 这是 因为仿真时没有考虑 F-P 腔的滤波作用。
下面结合附图对本发明的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的实施例进行 详细说明。
图 3 示出了基于并行反馈的超窄线宽环形腔光纤激光器 300 的最小结构。如图 3 所示， 并行反馈光纤激光器 300 包括集成掺铒光纤放大器 EDFA、 F-P 腔滤波器、 光隔离器 ISO、 5 段单模光传输介质、 1 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器。其中， 所述掺铒光纤放大器分别 经由单模光纤与 F-P 腔滤波器、 隔离器、 1 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环 形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的 90％的直通端接入所述环形腔， 10％的耦合端作为光路输 出端口。通过实验可知， 当多模光纤的内芯直径越大时， 压缩线宽的效果也越好。在图 3 的 结构中， 优选地， 所述多模光纤的外芯直径为 125μm， 内芯直径为 100μm。所述多模光纤的 长度为 5m。这里要说明的是， 多模光纤的外芯直径和内芯直径以及长度也可以采用其它数 值。
图 4 示出了根据本发明第一实施例的一个示例的基于并行反馈的超窄线宽环形 腔光纤激光器 400 的结构的示意图。如图 4 所示， 基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器 400 包括集成掺铒光纤放大器 EDFA、 F-P 腔滤波器、 光隔离器 ISO、 8 段单模光纤、 4 段 5m 长 的 100/125μm 的多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器。 其中， 所述掺铒光纤放大器分别经由单模光纤 与 F-P 腔滤波器、 隔离器、 4 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器的 90％的直通端接入所述环形腔， 10％的耦合端作为光路输出端口。此外， 5 段单模光纤和 4 段多模光纤按照交替的方式构成由单模光纤和多模光纤构成的光传输介 质结构。这里， 所述多段多模光纤的长度可以相等或不等， 优选为相等。多模光纤的外芯直 径和内芯直径以及长度也可以采用其它数值。图 7 示出了根据本发明第一实施例的另一示例的基于并行反馈的超窄线宽环形 腔激光器 700 的结构的示意图。如图 7 所示， 基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器 700 包括集成掺铒光纤放大器 EDFA、 F-P 腔滤波器、 光隔离器 ISO、 11 段单模光纤、 7 段 5m 长的 100/125μm 的多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器。 其中， 所述掺铒光纤放大器分别与 F-P 腔滤波器、 隔离器、 4 段多模光纤、 90 ∶ 10 耦合器串连， 以形成一个环形腔， 并且所述 90 ∶ 10 耦合器 的 90％的直通端接入所述环形腔， 10％的耦合端作为光路输出端口。此外， 8 段单模光纤和 7 段多模光纤按照交替的方式构成由单模光纤和多模光纤构成的光传输介质结构。 同样， 所 述多段多模光纤的长度可以相等或不等， 优选为相等。多模光纤的外芯直径和内芯直径以 及长度也可以采用其它数值。
图 5 示出了图 4 中示出的基于并行反馈的超窄线宽环形腔激光器的结构的群指 数。图 6 示出了利用如下所述的自拍法测量出的图 4 中示出的基于并行反馈的超窄线宽环 形腔激光器 400 的结构的线宽测量图。
首先， 连接如图 4 所示的光路， 在该光路中连接有 4 段多模光纤。然后， 将输出光 路连接自拍法线宽测量装置， 将自拍法线宽测量装置的输出端接 PD 光电转换装置， 将电信 号连接数字采集卡。 接着， 打开掺铒光纤放大器 EDFA 电源、 自拍法中使用的声光调制器 AOM、 数字采集 卡电源及计算机。随后， 调节掺铒光纤放大器 EDFA 功率旋钮， 当泵浦光功率为 11mW 时， 停 止调整。此时， 测量激光器的线宽。通过自拍法测量到的具有图 4 中的结构的光纤激光器 的激光线宽如图 6 所示， 其中 3dB 线宽为 95Hz。在图 6 中， 上半部分是线宽测量原始数据， 下半部分为对应的滤波后图形， 从滤波后图形中可以清晰看出线宽。
图 8 示出了利用如下所述的自拍法测量出的图 7 中示出的基于并行反馈的超窄线 宽环形腔激光器 700 的结构的线宽测量图。
首先， 连接如图 7 所示的光路， 在该光路中连接有 7 段多模光纤。然后， 将输出光 路连接自拍法线宽测量装置， 将自拍法线宽测量装置的输出端接 PD 光电转换装置， 将电信 号连接数字采集卡。
接着， 打开掺铒光纤放大器 EDFA 电源、 自拍法中使用的声光调制器 AOM、 数字采集 卡电源及计算机。随后， 调节掺铒光纤放大器 EDFA 功率旋钮， 当泵浦光功率为 21mW 时， 停 止调整。将泵浦光功率设为 21mW， 这是因为串连多模光纤段数越多， 损耗越大， 需要补充的 能量越高。此时， 测量激光器的线宽。通过自拍法测量到的具有图 7 中的结构的光纤激光 器的激光线宽如图 8 所示， 其中 3dB 线宽为 15Hz。在图 8 中， 上半部分是线宽测量原始数 据， 下半部分为对应的滤波后图形， 从滤波后图形中可以清晰看出线宽。
通过比较图 6 和图 8 中所测量出的线宽可以看出， 串联的多模光纤段数越多， 压缩 线宽效果越好。
如上以利用光纤作为光传输介质构成并行反馈光传输结构为例， 对根据本发明的 实施例进行了描述。本领域技术人员应该明白的是， 还可以采用光波导或者光子晶体作为 光传输介质构成并行反馈光传输结构。
图 9 示出了由单模光波导和多模光波导构成的并行反馈光传输介质结构的示意 图。所述光波导可以包括介质薄膜波导、 介质带状波导和介质圆波导。这里所说的介质圆 波导实际上就是上述的光纤。
如同多模光纤一样， 多模光波导也可以具有多个传导膜， 从而可以传输多个传播 模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。
图 10 示出了由单模光子晶体和多模光子晶体构成的并行反馈光传输介质结构的 示意图。
光子晶体是介电常数在光波长尺度上呈现周期性变化的一种人造晶体。 折射率的 周期性变化产生了光带隙结构， 从而控制着光在光子晶体中的运动。高低折射率的材料交 替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙。而周期的大小不同， 导致了一定距离大 小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
由于光被禁止出现在光子晶体带隙中， 所以能够自由控制光的行为。因此可以制 备出单模光子晶体和多模光子晶体。 同样， 多模光子晶体中可以多个传导膜， 从而可以传输 多个传播模式。多个传播模式之间的干涉选膜同样可以压窄激光器输出的激光的线宽。
如上参照图 1 到图 10 描述了根据本发明的实施例的基于并行反馈的超窄线宽环 形腔激光器。 但是， 本领域技术人员应当理解， 对于上述本发明所提出的基于并行反馈的超 窄线宽环形腔激光器， 还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。 因此， 本发明的 保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。