单频窄线宽光纤激光器研究
1.5um腔稳超稳激光器关键技术研究
1.5um腔稳超稳激光器关键技术研究超稳激光器又称为超窄线宽激光器,是单色性最好的激光器,通常用于时间频率和精密光谱等诸多前沿科学研究领域。
超稳激光器对于提高光学原子钟的稳定度,光生超稳微波源的稳定度,以及一些基础物理量的测量精度等指标至关重要。
1.5μm激光处于光纤通信的低损耗窗口,有很高的应用价值,并且,目前世界上最好的超稳激光系统处在1.5μm左右,也表明这一波长下的超稳光学参考腔制作工艺和其他技术都较为成熟。
所以,本文选择并且主要围绕1.5μm超稳激光器展开研究,这样,产生的超稳激光可以损耗较小地通过光纤传递到远端,应用于其他相关实验中。
通常的超稳激光器,就是采用特定的频率稳定方法,将商用的连续激光器稳定到相应的频率参考源上,以获得频率参考源的稳定度。
本实验采用PDH （Pound-Drever-Hall）稳频方法,将商用的1.5μm光纤激光器锁定在当今最为常用也是精度最高的频率参考源――法布里泊罗（F-P,Fabry–P′erot）腔上,得到1.5μm的腔稳超稳激光器,其频率稳定度仅受限于超稳腔的热噪声极限。
超稳激光的稳定度可以达到超稳腔的热噪声极限,一般在1×10<sup>-15</sup>以下,本文对腔的热噪声极限进行了细致的分析,得出了影响参考腔热力学噪声的四大因素,以及采取怎样的措施可以将参考腔的热噪声进一步降低。
同时介绍了参考腔的相关设计,采用有限元分析的方法模拟设计了振动不敏感的竖直固定的参考腔。
根据实验室环境变动的大小,设计了外围的真空腔、隔热罩、以及隔震平台和隔音箱。
之后,介绍了我们新近提出的降低超稳激光系统热力学噪声的方法――采用多腔联合的方法来降低系统的热力学噪声极限。
这种方法突破了在以往超稳激光的研究中,只针对一个腔进行研究的局限。
使得超稳激光的热噪声可以由多个腔联合起来决定,最终的噪声水平将反比于参考腔的数量n的平方根<sup>√</sup>n。
窄线宽光纤激光器关键技术研究_高雪松
激 光 与 红 外 N o . 6 2006 高雪松 高春清 宋学勇等 窄线宽光纤激光器关键技术研 究
443
率为 12 . 34mW , 斜率效率为 11 . 2%。 其中理论模型 数值计算的结果比实验结果稍微偏大 , 这主要是由 于实验过程中附加损耗引起的 。
图 7 LD 输出激光功率与输入电流关系曲线 Fig. 7 pu m p ing ou tpu t pow er versu s input cu rren t
442
激 光 与 红 外 第 36 卷
2 . 2 环形腔结构 利用光纤定向耦合器构成各种环形行波腔结构 消除空间烧孔 。 常见结构有环形谐振腔 、Sagnac 环 形镜 、复合腔等 。 如图 2(a) 所示 , 连接耦合器 1、2 两臂构成环形 谐振腔 , 耦合器相当于反射镜 , 腔的精细度与耦合器 分束比有关 。 光波在腔内转一周后相位不变即得到 放大 。 连接将耦合器 2、4 两端构成 Sagnac 环 , 当耦合 器分束比在 0 . 5 附近时 , 其等效于一个 100%反射 器 , 泵浦光从一个端口输 入 , 沿两个 方向在环内传 播 , 又从同一个端口返回 , 又称为光纤环形镜 。 在 Sagnac 环中加入增益光纤和隔离器 , 使环中光波沿 单方向行 进 , 能 有效消 除空间 烧孔 , 如 图 2 (b ) 所 [ 1] 示 。 这种带隔离器的 Sagnac 结构等同于一个环 形器 。
图 2 环形结构 Fig. 2 circular cavity
2 . 3 布拉格光栅法 3+ 如图 3 所示 , Ba ll等人首次在 50cm 长的掺 Er 光纤两端 , 加上 1 . 25c m 长 、具有相同 布拉格波长 、 反射比 分别 为 72% 和 80%两 个 布拉 格 光 栅 , 用 980nmLD 泵浦得到与布拉格波长一致的 1548nm 单 [ 3] 频输出 , 线宽为 47kH z 。 理论分析得出提高反射 器的反射比可使主振荡模损耗最小 , 有效抑制跳模 的结论 。 在短腔结构光纤激光器中 , 如果腔长 5cm , 其小信号增益系数为 3dB / m , 要实现单频输出就需 要反射比为 98% 以上的布拉格光栅 。
单频光纤激光器单纵模区间测量方法的研究
单频光纤激光器单纵模区间测量方法的研究郑生旭;邓华秋【摘要】The wavemeter measuring method is adopted to measure single longitudinal mode interval of 1550nm polari-zation-maintaining fiber laser,and it is compared with other measuring methods such as frequency spectrum scanning, F-P cavity,etc.The experimental results show that the three measuring methods can achieve the same results,which il-lustrates that the wavemeter measuring method can be used for measuring the single longitudinal mode interval of 1550nm polarization-maintaining fiber laser.%提出了波长计测量法测量1550 nm 保偏光纤激光器单纵模区间，并与频谱扫描法、F-P腔法等测量方法进行了比较。
实验结果表明三种测量方法得到的单纵模区间相同，说明波长计测量法也可以用于1550 nm 保偏光纤激光器单纵模区间的测量。
【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2016(046)006【总页数】4页(P684-687)【关键词】测量方法;单纵模;单频光纤激光器【作者】郑生旭;邓华秋【作者单位】华南理工大学物理与光电学院，广东广州 510640;华南理工大学物理与光电学院，广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TN248.1单频光纤激光器单纵模区间是衡量激光器稳定的一个重要指标,主要从单纵模区间大小、临界点波长是否变化以及在单纵模区间内某个温度点的波长是否变化,所有这些参数都和单纵模区间有着直接或间接的关系。
激光纵模技术 单纵模 多纵模
在光纤激光器中，具有极窄输出线宽的单频光纤激光器是激光器发展的重要方向之一。
单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，最高可达到10-8 nm，比现有窄线宽DFB 激光器的线宽还要窄两个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。
窄线宽单纵模光纤激光器可以保证激光具有极好的相干特性，其相干可达数百公里。
窄线宽光纤激光器可望在超高精和超远距离激光测距、光纤传感及光纤通信领域具有极其广泛的应用前景：（1）目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10 米，测量距离（军用）仅有10-20 公里。
这主要受限于激光的脉冲宽，激光脉冲越短，测量精就越高，但同时激光线宽也大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。
如果利用单纵模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。
（2）对于光纤传感，同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超高精、超远距离以及微弱信号的测量。
如图1所示，单纵模窄线宽光纤激光的一部分被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器LO），另一根光纤充当传感光纤。
从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经的时间延迟差相对应，传感光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。
利用这种技术进行探测，可实现敏感-100dB 百亿分之一）的信号测量。
基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测全球现有500 万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的温压力探测，每年损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测未来（主要能源之一）、油井的温和压力实时监控等。
激光纵模技术 单纵模 多纵模
在光纤激光器中，具有极窄输出线宽的单频光纤激光器是激光器发展的重要方向之一。
单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，最高可达到10-8 nm，比现有窄线宽DFB 激光器的线宽还要窄两个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。
窄线宽单纵模光纤激光器可以保证激光具有极好的相干特性，其相干可达数百公里。
窄线宽光纤激光器可望在超高精和超远距离激光测距、光纤传感及光纤通信领域具有极其广泛的应用前景：（1）目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10 米，测量距离（军用）仅有10-20 公里。
这主要受限于激光的脉冲宽，激光脉冲越短，测量精就越高，但同时激光线宽也大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。
如果利用单纵模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。
（2）对于光纤传感，同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超高精、超远距离以及微弱信号的测量。
如图1所示，单纵模窄线宽光纤激光的一部分被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器LO），另一根光纤充当传感光纤。
从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经的时间延迟差相对应，传感光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。
利用这种技术进行探测，可实现敏感-100dB 百亿分之一）的信号测量。
基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测全球现有500 万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的温压力探测，每年损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测未来（主要能源之一）、油井的温和压力实时监控等。
窄线宽激光器原理
窄线宽激光器原理
窄线宽激光器（Narrow linewidth laser）是一种具有非常小的
光谱线宽的激光器。
与传统的宽线宽激光器相比，窄线宽激光器的光
谱线宽更窄，能够实现更高的时间解析度和频率分辨率。
这使其在原
子和分子物理学，光学和光纤通信等领域得到广泛应用。
窄线宽激光器的原理是基于光腔增益谱线的非常窄的自然线宽。
这是通过控制激光器腔体内的激光增益介质来实现的。
在窄线宽激光
器中，使用了复杂的反馈机制来维持光腔的稳定性，从而使激光的中
心频率十分稳定。
窄线宽激光器通常使用半导体材料作为激光介质，例如GaAs或InP。
此外，窄线宽激光器还可以利用外部反馈来进一步稳定激光输出
频率。
这种方法使用反馈电路将部分激光输出重新注入到激光器内部，从而消除任何不稳定性并进一步锁定输出频率。
窄线宽激光器在现代科学和工程领域中扮演着重要角色。
它们常
常用于实验室实验，例如在精确测量中使用。
此外，由于其卓越的频
率稳定性，窄线宽激光器在对光纤通信网络的信号传输和接收方面也
发挥着至关重要的作用。
因此，这种激光器仍将继续在未来的许多应
用中扮演重要角色。
窄线宽光纤激光器研究俞本立
激光二极管抽运的全固化单频固体激光器强度噪声在几个 kHz 到几个MHz 频率之间也存在弛豫振荡噪声，可以通过 光电负反馈的方法解决。
将此借鉴到光纤激光器中
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
低噪声窄线宽光纤激光器结构
1、通过对光纤激光器光路的 改进,得到了光谱信噪比较高 的单频窄线宽激光输出;
输出激光单频特性测量
图3
图4
图3和图4分别为激光的主模及第一边模，可以看出边模抑制 比达50dB，因此证明该激光为很好单频激光
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
低噪声窄线宽光纤激光器
研究背景
窄线宽光纤激光器的输出激光包含着明显的弛豫振荡峰,这使 得光纤激光器的低频范围内强度噪声较为明显,光纤激光器在 光传感和光通信领域的广泛应用迫切要求降低光纤激光器的 低频强度噪声。
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
窄线宽光纤激光器的研究进展
2004年
Christine Spiegelberg等人在DBR型 光纤激光器的结构之上，首先利用一段 长度为2cm的铒镱共掺磷酸盐光纤作为 增益介质，实现了线宽小于1kHz ，功 率200mW的激光输出。
丹麦的NKT Photonics公司采用分布反馈 型（DFB）结构制作的窄线宽光纤激光 器实现了线宽小于1kHz，功率200mW 的激光输出
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
窄线宽光纤激光器的研究进展
2001年
安徽大学采用环形腔结合饱和吸收 体的结构实现了线宽小于1kHz激光 输出，并在此基础上研制出了系列 窄线宽光纤光源
2006年
国防科技大学孟洲采用保偏掺 铒光纤作为饱和吸收体实现了 1.5kHz的线偏振激光输出
单纵模窄线宽光纤激光器的研究
光纤与电缆及其应用技术O pt ical F iber &Elect ric Cable2010年第5期No.5 2010产品设计单纵模窄线宽光纤激光器的研究田鹏飞, 孙欣欣(北京交通大学光波技术研究所,北京100044)[摘 要] 单纵模窄线宽光纤激光器已经在石油勘探、光纤传感器和海底通信等领域得到很好的应用。
目前可用于实现窄线宽输出的技术主要有使用基于光纤布拉格光栅(FBG)的线宽压缩结构、基于饱和吸收体的模式选择技术以及基于复合腔的激光器结构。
为此着眼于如何实现激光器的单纵模窄线宽输出,技术上主要研究应用于两大腔体结构的线宽压缩技术,并在此基础上提出改进方案。
[关键词] 光纤激光器;单纵模;窄线宽;谐振腔[中图分类号] T N 248;T N 253 [文献标识码] A [文章编号] 1006-1908(2010)05-0016-04Single Longitudina-l Mode and NarrowLinewidth Fiber LasersT IAN Peng -fei, SU N Xin -x in(Institute of Lightw av e Technology,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,C hina)Abstract:Sing le lo ng itudina-l mode (SL M )and narro w linew idth fiber lasers have been used in o il sur vey,fiber optic senso r and submarine communications successfully.N ow ada ys it can use fiber Bragg gr ating based mode -discr iminator ,saturable abso rber based mo de filters,and complex cav ity t o help impr ove the o ut put linew idth o f fiber laser.A iming at the implementation of single long itudina-l mode nar row linew idth o f laser,t he linew idth co mpr ession technique used for tw o cavit y structures are studied,and the impr ov ing solut ion is pro po sed on this basis.Key words:fiber laser ;sing le lo ng itudinal mode(SL M );narr ow linew idt h;resonato r[收稿日期] 2010-06-11[作者简介] 田鹏飞(1985-),男,内蒙古呼和浩特市人,北京交通大学电子信息工程学院硕士研究生.[作者地址] 北京市昌平区龙跃苑一区30号楼4单元302室,1022080 引 言光纤激光器具有结构简单,激射波长可以精确确定,耦合效率高,可以实现宽带调谐和窄线宽输出等特点[1-2]。
1550nm高效窄线宽光纤激光器
1550nm高效窄线宽光纤激光器**伍波**,刘永智,刘爽,张谦述,代志勇(电子科技大学光电信息学院,四川成都610054)摘要:研制了一种采用双光纤光栅法布里-珀罗(FBG F-P)腔选模的线形腔结构窄线宽光纤激光器。
激光器以高掺杂Er3+光纤为增益介质,结合非相干技术,利用全光纤型法拉第旋转器(FR)抑制空间烧孔效应,通过2个短FBG F-P腔选模,产生了稳定的1550nm单频激光输出。
采用两端976nm LD抽运方式,阈值抽运光功率为11mW,在抽运光功率为145mW时输出信号光功率为73mW。
光-光转换效率为50%,斜率效率达55%。
采用延迟自外差方法精确测量光纤激光器线宽,实验中使用了10km单模光纤延迟线,由于测量精度的限制,得到线宽小于10kH z。
研究表明,这种光纤激光器具有输出功率高、线宽窄和信噪比高的特点,可用于高精度的光纤传感器系统。
关键词:激光技术;光纤激光器;窄线宽;光纤光栅法布里-珀罗(FBG F-P)腔;法拉第旋转器(FR)中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)07-0770-031550nm Hig h Efficient Narrow Lin ew id th Fib er LaserWU Bo**,LIU Yong-Zhi,LIU Shuang,ZH ANG Qian-shu,DAI Zh-i yong(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technolog y,Chengdu610064,China)A bs tra ct:A high efficient narrow li newidth fiber laser based on fiber Bragg grating Fabry-Perot(FBG F-P)cavity was demonstrted.The spatial hole burning effect was restrained by fi ber Faraday rotator(FR).Two short FBG F-P cavities as narrow band width filters discrimi nated and selected the laser longitudi nal modes efficiently.Stable single frequency1550nm laser was acquired.Pumped by two976nm LD,the fiber laer exhi bi ted a11mW threshold.The73mW output power was obtai ned upon the maximu m145mW pump power.The opti ca-l optical efficciency was50%and the slope effi ci ency was 55%.T he3dB linewidth of laser was less than10kHz,measured b y the delayed sel-f heterod yne method with10km mono-mode fiber.T he high power narrow linewid th fi ber lasr can be used in high resolution fiber sensor system.Key words:laser technology;fiber laser narrow linewidth;fiber Bragg grating Fabry-Perot(FBG F-P)cavi ty;Fara-day rotator(FR)1引言窄线宽光纤激光器作为光纤激光传感器光源,具有对电磁场的干扰、安全、体积小和可远程控制等特性[1,2]。
窄线宽光纤激光器的应用
窄线宽光纤激光器的应用单频光纤激光器具有线宽超窄、频率可调、相干长度超长以及噪声超低等独特性能，借用微波雷达上的FMCW技术可对超远距离的目标进行超高精度的相干探测，从而会改变市场对光纤传感、激光雷达和激光测距等固有观念，继续把激光器应用革命进行到底。
光库通讯提供的单频光纤激光器拥有世界上独一无二的美国专利技术，可以十分低地成本解决激光光束质量和激光功率的矛盾，从而研制出了该款极具竞争优势的单频可调光纤激光器。
关键词：5cm腔长 FMCW 混频相干探测AFR光纤激光器的特点光库通讯提供的1550nm光纤激光器最大的特点就是线宽超窄至2Khz，频率稳定性好于10Mhz，具有超长相干长度和超低噪声，就是比世界上最好的DFB激光器都高出2个数量级。
该款激光器输出功率可达150mW，边模抑制比高于50dB，热调协范围20Ghz，同时兼备50Mhz/V的线性PZT调制功能。
除了对人眼安全的1550nm激光器外，光库通讯还提供同样性能的1000nm左右的光纤激光器，同时2000nm 的光纤激光器也正在计划之中。
将来，光库通讯还会推出波长覆盖1000-1550nm全光纤化的单频、高功率脉冲光纤激光器。
欢迎您的关注。
核心技术请见图1为我们激光器的结构图，激光器腔由左右两端的光纤光栅和中间极短的有源光纤组成。
该设计方案充分利用了我们美国合作方的专利技术，高浓度、铒/镱离子共掺有源光纤可以确保我们的激光器的腔长度少于5cm，这是传统光纤技术所不可能完成的任务！如此短的腔长极合适超高稳定性和跳模自由的单频激光工作。
该种激光器的线宽典型值为2Khz，而且都是线偏光输出。
结构紧凑和高稳定性能的光纤激光器就可以在如此短的激光腔基础上完成制作。
图1：激光器结构在光纤传感中的应用光库通讯的超窄线宽光纤激光器可以应用于分布式光纤传感系统，对远至10公里的目标进行探测、定位和分类。
它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），该技术能为核电站，石油/天然气管道，军事基地以及国防边界提供低成本的、全分布式的传感安全保护。
光纤饱和吸收体稳频窄线宽光纤激光器
976nm pump LD1
976nm pump LD2
WDM
Pumped Er3+ fiber
WDM
Isolator
Coupler 21
34
Output
FBG F-P
Unpumped Er3+ fiber (Saturable absorber)
图 1 窄线宽光纤激光器实验原理图
Fig.1 Experimental setup of narrow linewidth fiber laser
Abstract: Single frequency 1550nm Erbium-doped fiber ring laser was demonstrated by introducing fiber saturable absorber and passive fiber Bragg grating Fabry-Perot etalon in laser cavity. As narrow bandwidth filter, the passive fiber Bragg grating Fabry-Perot etalon discriminated and selected laser longitudinal modes efficiently. Spatial hole burning effect was eliminated by traveling-wave cavity. Lasing frequency was stabilized by using 10m low concentration Erbium-doped fiber as saturable absorber. Stable single frequency 1550nm laser was acquired. High concentration Erbium-doped fiber was adopted as gain medium in the fiber laser. Pumped by two 976nm laser Diodes, the fiber laser has a threshold of 21mW. Laser output power is 39mW at 1550nm with a pump power of 145mW, and the corresponding slope efficiency is 30%. The SNR is larger than 50dB. The laser linewidth is less than 10kHz, measured by the delayed self-heterodyne method with 10km single mode fiber. Key words: laser technology; fiber laser; fiber saturable absorber; fiber Bragg grating Fabry-Perot etalon
保偏光纤饱和吸收体单频窄线宽光纤激光器
保偏光纤饱和吸收体单频窄线宽光纤激光器代志勇*,张晓霞,彭增寿,李剑峰,欧中华,刘永智(电子科技大学光电信息学院,工业和信息化部光电传感与信息处理重点实验室,四川成都610054)摘要:研制了一种基于保偏(PM)光纤可饱和吸收体结合光纤光栅Fabry-Perot(FBG F-P)标准具的单频窄线宽光纤激光器。
该激光器以高增益掺Er3+光纤(EDF)作为增益介质,采用行波环形腔消除空间烧空效应,并结合FBG F-P标准具选模,实现激光器单频运转。
用一段PM EDF作为可饱和吸收体抑制跳模,以获得高效、稳定的1550.65nm单频激光输出。
在975nm单模泵浦激光抽运下,当抽运光功率为148mW时,获得的最大信号光功率为46.3mW,相应的光-光转换效率为31.3%,斜率效率为32.6%,信噪比(SNR)大于55dB。
使用40 km单模光纤(SMF)延迟线,根据延时自外差方法测量得到单频激光器的3dB光谱线宽约为2.5kH z。
关键词:激光光学;光纤激光器;单频;窄线宽中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2011)05-0652-04A single-frequency nar row-linewidth fiber lase r w ith PM fiber sat-urable absorberDAI Zh-i yong*,ZHANG Xiao-xia,PENG Zeng-shou,LI Jian-feng,OU Zhong-hua,LIU Yong-zhi(Key L aboratory of Optoelectronic Sensing and Information Processing,School of Optoelectronic Information,U n-i versity of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China)Ab st ract:A single-frequenc y narrow-linewidth fibe r laser is presented,which is based on polarization maintaining(PM)fiber saturable absorber and fiber Bragg grating Fabry-Perot(FBG F-P)etalon.The high-gain Er3+doped fiber was used as the gain medium,the traveling-wave cavity was selected to elim-i nate the spatial hole burning effect,and the FBG F-P etalon was utilized to selec t longitudinal laser modes,so the single-frequenc y ope ration was ac hieved.A segment of Er3+-doped PM fibe r acts as the saturabel absorber to suppress mode hopping to acquire high-efficiency and st able single frequency laser at1550.65nm.Under975nm single-mode laser diode(LD)pump,when t he pump power is148mW, the output power is46.3mW,the corresponding optica-l opt ical effic iency is31.3%,the slope effic ie ncy is32.6%and the signa-l to-noise ratio(SNR)is greater than55dB.The3dB linewidth of the fiber la-ser is about2.5kHz,which is measured by the delayed sel-f heterodyne me t hod with a40km single mode fiber.Ke y wor ds:laser opt ics;fiber laser;single-fre que ncy;narrow linewidth1引言单频窄线宽光纤激光器能够获得kH z量级光谱线宽输出,是性能优越的长相干长度光源,能广泛地用于密集波分复用系统、相干光通信系统、分布式光纤传感器以及微波光子等领域[1~3]。
单频DBR和DFB光纤激光器综述
单频DBR和DFB光纤激光器综述张劲松 裴 丽 魏道平 赵玉成 简水生(北方交通大学光波所,北京100044) 摘要 综合报导近年来单频DBR,DFB光纤激光器研究进展,并阐述了各种光纤激光器的机理,实验装置和研究结果。
关键词 单频光纤激光器;分布反馈;分布布拉格反射;空间烧孔效应;模式跳跃The S urvey of Single-frequency DBR and DFB Fibre LasersZha ng Jingsong Pei Li Wei Dao ping Zhao Yucheng J ian Shuisheng(Institute o f Lightw av e Techno lo g y,No r the rn J iaoto ng U niv er sity,Beijing100044)Abstract The r ecent dev elo pment o f sing le-frequency D BR and D FB fibre la se rs is surv eyed,the princi-ple,the ex perimental ar rang ement a nd the r esea rch results o f different fibre la se rs are a lso discussed.Key words sing le-frequency fibr e la se rs;dist ributed feedback(D FB);distributed Br agg reflec to r(DBR);spa tial ho le bur ning;mo de ho ps1 引言 窄带,单频(单纵模)激光光源在光通信,传感,光谱学等领域有着广泛的应用。
虽然早在1961年Elias Snitzer就发现了钕掺杂玻璃包层波导中的激光现象[1],但以前人们主要使用半导体激光器。
低噪声超窄线宽单频光纤激光器
Typical length: 2 - 10 cm
• ¼ 波长相移型光纤光栅；直接刻写在稀土掺杂光纤上。 • 光纤光栅长度约为2-10cm • 工作波长范围由掺杂的光纤和相移光栅决定，1.0um（ Yb）；1.5um（Er、ErYb）；2.0um（Tm） • 丹麦NKT Photonics；法国IxFiber；上海光机所等
• 上海瀚宇单频光纤激光器的技术和产品蓝 图 • 致谢
商用单频光纤激光器技术
• 短直腔DFB单频光纤激光器（NKT Photonics） • 短直腔DBR型（NP Photonics；Advalue Photonics; 华南理工大学等） • 复合腔技术（“虚拟环形腔”Orbits Lightwave） • 环形腔以及复合环形腔的技术（上海瀚宇）
• 优点：谐振腔结构简单， FSR可达GHz， Photonics
• 短直腔设计，腔长几个厘米量 级 • 高掺杂浓度，高吸收磷酸盐玻 璃光纤作为有源介质 • 无源光纤光栅对作为腔镜 • 主要厂家包括NP Photonics； Advalue Photonics；华南理工大 学等
• 强激光系统种子源，注入种子 激光器 • 微波光子学
产品蓝图-What we are doing now?
• 第二代CoSF-2单频光纤激光器 a) 注入/滤波技术，进一步压窄线宽，降低噪声 b) 被动稳频技术 c) RIN抑制技术 d) PZT调频技术 e) 封装技术，提升抗震动、抗冲击、抗恶劣环境能力。 第三代CoSF-3单频光纤激光器 a) 锁定稳频技术 b) 小型化 c) 多路集成
• 高掺杂浓度的磷酸盐玻璃光纤能够实现较高增益，短腔设 计可以实现较高功率输出。 • 短的线形腔设计，纵模间隔较宽，易于实现单纵模输出。
一种新颖的自反馈光注入单频窄线宽光纤激光器_代志勇
一种新颖的自反馈光注入单频窄线宽光纤激光器3代志勇33,张晓霞,彭增寿,李剑峰,欧中华,刘永智(电子科技大学光电信息学院,光电传感与信号处理重点实验室,四川成都610054)摘要:报道一种基于自反馈光注入的单频窄线宽光纤激光器。
激光器采用线形腔结构,用高掺杂Er3+光纤作为增益介质,利用输出信号光分束反馈与腔内振荡激光干涉,形成折射率光栅与增益光栅共同作用选择纵模,获得稳定的1549.85nm单频窄线宽激光输出。
在975nm单模激光二极管(LD)抽运下,激光器的抽运阈值光功率为13mW。
当抽运光功率为112mW时,最大输出信号光功率为30.6mW,对应的光2光转换效率为27.3%,斜率效率为30.2%,信噪比大于50dB。
采用延时自外差方法测量线宽,当使用30km单模光纤延迟线时,测量得到激光器的3dB线宽为4.0kHz。
关键词:激光光学;光纤激光器;单频;窄线宽中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2010)0620813204A novel single2frequ ency narrow linew idth fib er laser b ased on self2feedb ack light injectionDAI Zhi2yong33,ZHAN G X iao2xia,PENG Z eng2shou,LI Jian2feng,OU Zhong2hua,LIU Y ong2zhi(K ey Laboratory of Optoelectronic Sensing and Information Processing,School of Optoelectronic Information,Uni2 versity of Electronic Science and T echnology,Chengdu610054,China)Abstract:A single2frequency narrow linewidth fiber laser with linear laser cavity is presented and demon2 strated experimentally.The moving refractive index grating and gain grating,which are induced by inter2 fering between the feedback light from the part of output light and the lasing light in intra2cavity,are used to select laser longitudinal modes efficiently.A section high gain erbium2doped fiber(EDF)is used as gain medium and is pumped by a single mode975nm laser diode(LD),and a stable single2frequency laser at1549.85nm is ser output power of30.6mW are obtained at112mW pump power. The corresponding optical2optical efficiency is27.3%and slope efficiency is30.2%.The S N R is greater than50dB.The3dB linewidth of presented fiber laser is about4.0kHz,which is measured by the de2 layed self2heterodyne method with30km single mode fiber.K ey w ords:laser optics;fiber laser;single2frequency;narrow linewidth1 引 言 单频窄线宽光纤激光器在密集波分复用系统、相干光通信系统、分布式光纤传感器以及微波光子等方面有重要的应用[1～4],尤其是长距离分布式光纤传感器非常需要线宽kHz量级的长相干长度光源。
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高质量种子源光纤激光器技术发展与研究现状连续光种子源光纤激光器的性能决定了高功率全光纤MOPA激光系统的激光输出光谱、线宽和频率稳定性等特性。
作为高质量的种子光源必须首先具有窄线宽、高稳定性和高信噪比，然后再追求可以满足不同应用需要的其他功能特性，如波长可调谐、单/双波长可切换以及双波长间隔可调谐等。
在过去的二十多年时间里，研究者们一直在寻求可以实现单频窄线宽激光输出的方法，也陆续提出了基于不同技术的单频窄线宽光纤激光器，尤其是在1.5μm波段的掺铒光纤激光器，因为其所在波段为光纤通信低损耗窗口，考虑到长距离通信和传感的需求，对于激光输出相干特性要求很高，需要激光具有较窄的线宽，使得掺铒光纤激光器在窄线宽方面发展比较迅速，线宽也达到了kHz量级的水平。
在近几年，研究者们开始对具有不同性能的单频窄线宽光纤激光器进行研究，也开始不断追求输出激光的高稳定性和高信噪比等特性。
1.1单频窄线宽光纤激光器研究与发展早在1986年，Jauncey等人就已经提出了窄线宽的概念，他们使用掺钕光纤结合光纤Bragg光栅在1084nm处得到了激光输出，经过使用Fourier转换Michelson干涉仪测量，得到激光输出线宽为16GHz；然而，由于只是使用了线腔结构，腔长较长，激光器没有实现单频运转。
直到1990年，Iwatsuki才首次真正地得到了单频窄线宽的激光输出，使用的是环形腔结构，配合一个1 nm谱宽带通滤波器，使用15m长掺饵光纤作为增益介质，成功得到了单频激光输出，并且首次使用延迟自外差干涉仪(Delayed Self-Heterodyne Interferometer, DSHI)对激光线宽进行了测量，线宽达到1.4 kHz，是截至当时线宽最窄的激光器，而且该激光器还提供2.8nm的波长可调谐范围。
1991年，Gowle等人提出了一种新型的环行腔光纤激光器，通过使用分布Bragg反射镜作为波长初选滤波器，在1552nm波长处得到了稳定的单频激光输出，使用延迟自外差法测量得到激光线宽小于10 Hz，测量分辨率受限于使用的25km延迟线长度。
同年，Park等人也提出了基于环形腔结构的单频激光器，在谐振腔内使用了两个Fabry-Perot (F-P)滤波器，该激光器输出具有当时最高的稳定性，阈值仅为1OmW，而且具有宽达30nm的可调谐范围;然而，激光器的输出信噪比较低，仅为35dB，而且研究者们并没有对激光器的线宽特性进行测量。
1992年，Laporta等人利用铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤制作了腔长仅为2.5mm长的超短腔光纤激光器，在1532.2nm波长处得到了15mW的激光输出，测得的线宽小于lOkHz。
同年，Zyskind等人也报道了短腔光纤激光器，通过在掺铒光纤上直接写入一对Bragg光栅制作了腔长仅为2cm的谐振腔，利用F-P干涉仪测量激光器处于单频运转状态，由于分辨率限制，他们只是证明了激光的线宽小于6MHz，没有对其实际线宽进行进一步的研究。
1993年，Chernikov等人分别提出了单波长和双波长短腔光纤激光器，两种激光器都可以运行在单频状态;提出的单波长激光器输出线宽为30kHz，双波长激光器输出线宽为16kHz，频率间隔为59GHz。
1994年，Horowitz等人首先报道了使用未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体进行多纵模抑制，经验证模式抑制效果显著:基于线形腔结构实现了单频窄线宽激光输出，线宽仅为几kHz。
同年，Kringlebotn等人通过在铒/镱共掺光纤上写入相移Bragg光栅首次制作了DFB单频光纤激光器，使用的有源光纤长度为2cm，输出功率为2mW，但是没有对激光器的线宽特性进行研究。
1995年，Cheng等人报道了基于饱和吸收体的环形腔单频掺铒光纤激光器，在1535nm处得到了6.2mW的激光输出，线宽小于950Hz，但是激光器的长期稳定性较差。
同年，Guy等人通过在环形腔中加入相移Bragg光栅作为超窄带滤波器制作了光纤激光器，在1550 nm波长处得到了线宽小于2kHz的激光输出，这也是世界上首个使用光纤Bragg光栅作为窄带滤波器的报道。
1996年，Gloag等人报道了使用光纤Bragg光栅作为波长初选滤波器的Sagnac型环形腔光纤激光器，在1530nm处得到了1.6mW的单频激光输出，受测量分辨率限制，线宽小于37kHz。
同年，Chang等人首次报道了使用扭模技术实现单频激光输出，提出的激光器使用了三个偏振控制器(PC)，输出波长为1534nm，线宽小于l0 kHz。
1998年，Lee等人首次报道了基于多环形复合腔结构的光纤激光器，使用三个长度不等的短环形子腔，复合腔结构具有良好的纵模选择能力，激光器输出波长为1533nm，消光比达到51dB，最高输出功率为23mW，线宽约为2kHz。
同年，Takushima等人首次利用非保偏光纤制作光纤激光器得到了单频单偏振激光输出，并且实验证明了此激光器具有和使用全保偏器件得到的激光相同的偏振模稳定性;经测量，激光输出线宽小于1MHz。
1999年，Kishi和Yazaki首次提出了利用外部光源注入进行纵模锁定得到单频激光输出的方法，结合使用饱和吸收体，得到了线宽为7.5kHz的激光输出。
同年Yamashita等人证明了使用外部光源注入和自注入进行模式锁定都可以得到稳定的单频单偏振激光输出，并制作了相关的DFB光纤激光器。
到了2000年以后，单频窄线宽光纤激光器便开始了向多元化的发展，各种功能和特性的单频光纤激光器陆续被报道。
2000年，Chang等人报道了宽调谐的线形腔单频光纤激光器，腔长为21m，腔内使用了全光纤移频器和饱和吸收体，得到的激光边模抑制比高于50 dB，波长可调谐范围达40nm以上。
2001年，Song等人提出了一种基于环形腔结构的超窄线宽和宽调谐的单频掺饵光纤激光器，激光器中使用了一个宽调谐的光纤Bragg光栅(写制在使用化学方法剥离涂覆的同位素氖载光纤上)和一段4m长的未泵浦掺饵光纤饱和吸收体，得到的激光输出可调谐范围为1522nm-1562nm，输出线宽仅为750Hz；激光器性能优良，但是却没有对激光器的长期稳定性做进一步的研究。
2002年，Libatique等人报道了一种离散可调谐单纵模光纤激光器，波长调谐间隔满足ITU标准建议的波分复用系统所使用的波长间隔;激光器采用环形腔结构，使用了饱和吸收体和一个玻璃标准具(Etalon) 滤波器，实现了8个通道的可调谐，通道间隔为50GHz，激光输出边模抑制比大于50dB，估计线宽小于10 kHz。
2003年，Xu等人报道了在环形腔光纤激光器中加入半导体光放大器((SOA)可以有效抑制拍频噪声，在此处SOA相当于一个高通滤波器，通过实验证明了使用SOA后拍频噪声抑制效果显著，可以明显提高信号输出质量。
2005年，Chien等人报道了一种工作在S波段的高稳定性单频可调谐掺铒光纤激光器，该激光器基于典型的环形腔结构，但是使用F-P滤波器进行滤波，并且通过使用压电陶瓷调节F-P滤波器的透射波长来实现激光波长的可调谐;波长调谐范围为1482nm-1812nm，功率和波长波动分别小于0.02dB和0.01 nm，但是激光器的信噪比较低，仅为31 dB。
2006年，多个研究小组对单频双波长光纤激光器进行了报道，标志着单频双波长光纤激光器开始引起广泛关注；Sun等人提出了一种基于非对称相移光纤Bragg光栅的双波长单频DFB光纤激光器，通过在均匀Bragg光栅中引入两个不一样的相移实现了波长间隔仅为52pm的双波长输出，并通过拍频得到了6.62 G的微波信号，然而，研究者们并没有对激光器的其他特性进行更多研究;同年，他们还提出了一种基于重叠相移光纤Bragg光栅的单频双波长DFB光纤激光器，通过在光纤同一位置写入两个在空间上独立但具有不同透射波长相移光栅，得到了间隔为0.312nm的双波长运行，并通过拍频得到了线宽仅为6kHz的38.67GHz微波信号；Dai等人提出了一种简单的线形腔双波长单频光纤激光器，主要的滤波器件为具有两个超窄透射通道的相移光纤Bragg光栅，使用环行器作为一个腔镜，并且用于实现相移光栅的透射性滤波，最后得到的双波长运行波长间隔为27pm，通过拍频得到了线宽小于20kHz的微波信号。
后来的几年里，又有多个研究小组报道了具有类似输出特性的单频双波长激光器，但是，基于的结构和滤波器件各有不同。
2009年，Feng等人又报道了关于单/双波长可切换的单频掺铒光纤激光器，使用的是偏振保持光纤Bragg光栅进行双波长的纵模选择，结合饱和吸收体得到单频运行。
自此开始，单频窄线宽光纤激光器又多了单/双波长可切换的研究方向，并产生了诸多此方面的报道。
2010年，Tang等人又提出了高稳定型的波长间隔宽调谐单频双波长光纤激光器，调谐范围从0.8nm到 17nm输出功率波动小于0.37dB。
此激光器还可以用于THz波的产生。
2012年，Kim也提出了类似功能的单频双波长激光器，波长间隔调谐范围为3.46nm-13.2nm。
1.2 单频窄线宽光纤激光器实现技术方案纵观单频窄线宽光纤激光器的发展，研究者们提出了各种实现窄线宽输出的技术方案，主要包括DFB、超短腔、线形腔+饱和吸收体、环形腔+窄带滤波器件以及复合腔结构，各种实现方案又有各自的优缺点:1、 DFB光纤激光器。
此类激光器并非利用传统的反射腔镜，而是通过相位掩膜法直接在高浓度掺杂光纤上写入具有π/2相移的光纤Bragg光栅制得。
DFB光纤激光器中没有熔接点，结构紧凑，具有很好的选频特性，很容易实现单频运转，而且整个激光器只包含一个Bragg光栅，激光器稳定性很好，输出线宽在1O kHz左右。
但是，DFB激光器通常需要较高浓度的光敏增益光纤，价格昂贵，输出激光功率也很难提升，而且输出性能单一。
2、超短腔光纤激光器。
此类激光器通常使用两个窄带光纤Bragg光栅作为反射腔镜，一小段高浓度掺杂光纤作为增益介质(通常为5cm以下)，构成分布Bragg反射式(DBR)光纤激光器。
超短腔光纤激光器是通过缩短腔长增加纵模间隔的方式选单纵模的，当纵模间隔大小和反射腔镜的反射带宽相当时，可以实现激光器的单频运转。
此类激光器制作简单，稳定性好，线宽一般要略优于DFB光纤激光器，在几kHZ量级，但是仍然存在和DFB光纤激光器同样的缺点。
3、线形腔+饱和吸收体的光纤激光器。
此类激光器通常为一个腔长较长的DBR光纤激光器，腔内加入未泵浦掺杂光纤饱和吸收体。
饱和吸收体可以形成自追踪超窄带动态滤波器，使得激光器较容易实现单频运转。
腔内还可以通过加入偏振控制器、起偏器等，实现单偏振激光输出，此类激光器的线宽也可以达到kHz量级。