高级检索

ISSN1001-3806CN51-1125/TN 网站地图

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于环形滤波器的双波长单频光纤激光器

姚晓琼 孙薇 王喜斌

引用本文:
Citation:

基于环形滤波器的双波长单频光纤激光器

    作者简介: 姚晓琼(1980-), 男, 硕士, 讲师, 现主要从事激光技术与智能仪器的研究。E-mail:yao_xq@163.com.
  • 基金项目:

    廊坊市科技局资助项目 2015011006

    河北省教育厅自然科学基金资助项目 ZD2015057

  • 中图分类号: TN248.1

Dual-wavelength single frequency fiber laser based on ring filter

  • CLC number: TN248.1

  • 摘要: 为了解决双波长激光器的稳定性问题、达到压窄双波长激光器线宽的目的,采用在激光器结构中加入环形滤波器的方法,抑制了不需要的振荡模式。对滤波器进行了计算和仿真,得到了梳状谱;通过实验得到了线宽为5.7kHz的单纵模双波长激光。经过输出功率稳定性测试,1h内功率波动为0.6dB。结果表明,环形滤波器的作用是十分明显的。
  • Figure 1.  Schematic of dual-wavelength fiber laser based on SOA ring filter

    Figure 2.  Simulation spectrum of ring filter

    Figure 3.  a—spectrum of multi-wavelength laser b—spectrum of dual-wavelength laser with filter

    Figure 4.  Laser power fluctuation within 1h

    Figure 5.  Linewidth measurement of laser

  • [1]

    DAI Zh Y, ZHANG X X, PENG Z Sh, et al. A single-frequency narrow-line width fiber laser with PM fiber saturable absorber[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2011, 22(5):652-655(in Chinese). 
    [2]

    DONG F J, YANG X F, TONG Zh R, et al. Dual-wavelength Er-doped fiber laser based on polarization hole burning of multi-mode fiber[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2011, 22(6):841-844(in Chinese).
    [3]

    CAO Y Ch, XIONG J J, HOU Q Zh. Design of precision control systems for tunable semiconductor lasers[J]. Laser Technology, 2015, 39(3):316-319(in Chinese). 
    [4]

    CHEN W G, LOU S Q, WANG L W, et al. Switchable dual-wavelength erbium-doped fiber laser based on the photonic crystal fiber loop mirror and chirped fiber Bragg gratting[J]. Optoelectronics Lett-ers, 2010, 6(2):94-97. doi: 10.1007/s11801-010-9249-6
    [5]

    JIN L, KAI G Y, XU L L, et al. Switchable dual-wavelength erbium-doped fiber laser with a tilted fiber grating[J]. Optoelectronics Lett-ers, 2007, 3(1):27-29. doi: 10.1007/s11801-007-6114-3
    [6]

    PAN Sh L, YAO J P. A wavelength-switchable single-longitudinalmode dual-wavelength erbium-doped fiber laser for switchable microwave generation[J].Optics Express, 2009, 17(7):5414-5419. doi: 10.1364/OE.17.005414
    [7]

    QUINTELA M A, PEREZ-HERRERA R A, CANALES I, et al. Stabilization of dual-wavelength erbium-doped fiber ring lasers by single-mode operation[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010, 22(6):368-370. doi: 10.1109/LPT.2009.2039867
    [8]

    PENG P C, TSENG H Y, CHI S. A tunable dual-wavelength erbium-doped fiber ring laser using a self-seeded Fabry-Perot laser diode[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2003, 15(5):661-663. doi: 10.1109/LPT.2003.809952
    [9]

    YAO Y, CHEN X F, DAI Y T, et al. Dual-wavelength erbium-doped fiber laser with a simple linear cavity and its application in microwave generation[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(1):187-189. doi: 10.1109/LPT.2005.861309
    [10]

    PAN S L, ZHAO X F, LOU C Y. Switchable single-longitudinal-mode dual-wavelength erbium-doped fiber ring laser incorporating a semiconductor optical amplifier[J]. Optics Letters, 2008, 33(8):764-766. doi: 10.1364/OL.33.000764
    [11]

    RYN H Y, LEE W K, MOON H S, et al. Stable single-frequency fiber ring laser for 25GHz ITU-T grids utilizing saturable absorber filter[J].IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(9):1824-1826. doi: 10.1109/LPT.2005.851926
    [12]

    ZHANG K, KANG J U. C-band wavelength-swept single-longitudinalmode erbium-doped fiber ring laser[J].Optics Express, 2008, 16(18):14173-14179. doi: 10.1364/OE.16.014173
    [13]

    FANG X L, TONG Zh R, CAO Y, et al. Narrow line width ring cavity fiber laser using F-P fiber ring filter[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(2):329-333(in Chinese). 
    [14]

    ZHANG Z X, SANG M H, YE Zh Q, et al. Multiwavelength fiber laser based on nonlinear polarization rotation[J]. Acta Optica Sinica, 2008, 28(4):648-652(in Chinese). doi: 10.3788/AOS
    [15]

    PAN S L, YAO J P. Frequency-switchable microwave generation based on a dual-wavelength single-longitudinal-mode fiber laser incorporating a high-finesse ring filter[J]. Optics Express, 2009, 17(14):12167-12173. doi: 10.1364/OE.17.012167
    [16]

    LI B, LIU Y, ZENG Sh G, et al. Study on coherent beam combination of fiber laser array[J].Laser Technology, 2015, 39(5):712-716(in Chinese). 
  • [1] 张祖兴伍剑徐坤林金桐 . 被动锁模光纤激光器的多模式输出. 激光技术, 2009, 33(5): 548-550,554. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2009.05.020
    [2] 杨玲珍王云才陈国夫王屹山赵卫 . 1053nm超短脉冲光纤激光的产生. 激光技术, 2007, 31(6): 610-612.
    [3] 陈倚竹张海涛巩马理王东生闫平 . 高平均波长稳定性超荧光光纤光源. 激光技术, 2014, 38(1): 70-75. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.01.015
    [4] 魏兴春欧攀张春熹贾豫东李大伟 . 单频单偏振窄线宽光纤激光器及其放大研究. 激光技术, 2010, 34(1): 5-7,29. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.01.002
    [5] 郭嘉伟李彤牛瑞华薛亮平李燕凌王宏元 . Cr,Tm,Ho:YAG激光器温度特性的数值分析. 激光技术, 2011, 35(6): 761-764. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.06.010
    [6] 贺虎成杨玲珍王云才 . 利用非线性偏振旋转锁模技术产生0.7nJ, 1.5ps光脉冲. 激光技术, 2007, 31(1): 77-79.
    [7] 林加强戴川生姚培军许立新 . 单波长和双波长可调谐的掺镱锁模光纤激光器. 激光技术, 2023, 47(3): 301-304. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.03.002
    [8] 方刚徐向涛全恩臣戴特力范嗣强张鹏 . 掺Yb3+双包层光纤激光器的研究进展. 激光技术, 2014, 38(2): 278-282. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.02.028
    [9] 马海全赵卫张伟王屹山陈国夫程昭 . 波长可调谐被动锁模光纤激光器. 激光技术, 2006, 30(3): 289-291.
    [10] 高恒刘佳铭杨闯赵刚李斌彭绪金刘亚萍 . 用于远程激光测距机的小体积高功率固体激光器. 激光技术, 2019, 43(5): 597-600. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.05.002
    [11] 龙润泽张昆张利明赵鸿 . 反向保偏光纤耦合器偏振特性研究. 激光技术, 2023, 47(3): 413-418. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.03.020
    [12] 王聪吕冬翔 . 外腔式双波长喇曼激光器的耦合波理论. 激光技术, 2023, 47(5): 579-586. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.05.001
    [13] 李林福陈建军 . 长波长垂直腔面发射激光器开关及双稳特性. 激光技术, 2015, 39(4): 515-519. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.019
    [14] 吕家亮姚培军许立新 . 波长可调谐的锁模柱矢量光纤激光器. 激光技术, 2023, 47(4): 454-458. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.04.002
    [15] 陈龙辉谢芳郭晓蕾郭哲灿 . 可调谐单纵模多波长光纤激光器的研究. 激光技术, 2021, 45(6): 681-685. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.001
    [16] 曾惠芳肖芳惠 . 高功率光纤激光器及其应用. 激光技术, 2006, 30(4): 438-441,444.
    [17] 黎大军杜戈果 . 掺铥光纤激光器研究进展. 激光技术, 2007, 31(5): 540-543.
    [18] 陆丹葛廷武伍剑徐坤林金桐 . D形双包层大模场光纤激光偏振特性研究. 激光技术, 2009, 33(5): 509-511. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2009.05.013
    [19] 田明王菲车英 . 双波长腔外同步和频355nm准连续全固态激光器. 激光技术, 2014, 38(6): 804-806. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.06.017
    [20] 欧攀闫平巩马理张春熹 . 双包层光纤激光器的熔接型侧面耦合器. 激光技术, 2008, 32(1): 8-10,22.
  • 加载中
图(5)
计量
  • 文章访问数:  6736
  • HTML全文浏览量:  4878
  • PDF下载量:  406
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-12-21
  • 录用日期:  2016-01-28
  • 刊出日期:  2017-01-25

基于环形滤波器的双波长单频光纤激光器

    作者简介: 姚晓琼(1980-), 男, 硕士, 讲师, 现主要从事激光技术与智能仪器的研究。E-mail:yao_xq@163.com
  • 北华航天工业学院 电子与控制工程学院, 廊坊 065000
基金项目:  廊坊市科技局资助项目 2015011006河北省教育厅自然科学基金资助项目 ZD2015057

摘要: 为了解决双波长激光器的稳定性问题、达到压窄双波长激光器线宽的目的,采用在激光器结构中加入环形滤波器的方法,抑制了不需要的振荡模式。对滤波器进行了计算和仿真,得到了梳状谱;通过实验得到了线宽为5.7kHz的单纵模双波长激光。经过输出功率稳定性测试,1h内功率波动为0.6dB。结果表明,环形滤波器的作用是十分明显的。

English Abstract

    • 光纤激光器与其它激光器相比,具有结构简单、成本低、容易实现窄线宽的优点,被广泛应用于光电检测、光纤传感、光通信等领域[1-4],是近年来研究的热点。双波长单纵模光纤激光器可以通过拍频产生微波信号[5-6]。此方法不需要参考微波源,具有结构简单、产生的微波相位噪声低等优点,被许多研究者重视[7-9]

      获得双波长振荡很容易,而解决稳定性问题绝非易事。有两个问题不可回避:(1)掺铒光纤本身的均匀展宽特性,使振荡的模式具有不稳定性,研究者提出很多办法解决这个问题,比如应用掺铒光纤和其它放大器相结合[10],或在原谐振腔的基础上加入未抽运的掺铒光纤作为可饱和吸收介质的滤波器来抑制不需要的模式[11];(2)激光器结构中需要加入纵模选择机制来限制多纵模振荡,比如加入一个萨哥纳克(Sagnac)光纤环镜[12],或者由光纤布喇格光栅构成的法布里-珀罗(F-P)滤波器[13]。但是这些结构中,由于双波长之间的模式竞争,实现单频振荡依然是很困难的问题。

      本文中提出了基于半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)环形滤波器的双波长单频激光器,应用偏振分束和保偏光纤的非线性偏振旋转效应(nonlinear polarization rotation, NPR)实现多波长振荡,应用非均匀展宽增益介质SOA弱化模式竞争,实现了双波长振荡,实现了激光的单频振荡。

    • 图 1为实验中设计的基于NPR和掺铒环形滤波器的双波长单纵模激光器的结构。掺铒光纤放大器加上驱动电流产生自发辐射的光,使激光器起振,并作为激光器的增益介质,经过一个带增益的环形滤波器,限制激光器的模式,使得双波长振荡处于单纵模状态,偏振控制器用来调整激光谐振腔的偏振态,保偏光纤和隔离器和偏振分束器共同构成在线型周期滤波器,当激光腔内的功率满足一定条件时,便可有多波长输出[14-16],偏振分束的一端作为输出,对激光器进行监测。图 1中虚线框内是激光器结构中的环形滤波器,光纤环的长度约是1.46m,50:50耦合器4个端口的输入输出光强分别用E1, E2, E3E4来表示,它们之间的关系如下所示[15]

      $ \left[ \begin{array}{l} {E_3}\\ {E_4} \end{array} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\sqrt {1 - \gamma } }&{{\rm{i}}\sqrt \gamma }\\ {{\rm{i}}\sqrt \gamma }&{\sqrt {1 - \gamma } } \end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l} {E_1}\\ {E_2} \end{array} \right] $

      (1)

      Figure 1.  Schematic of dual-wavelength fiber laser based on SOA ring filter

      式中, γ为耦合因子, E4可以表示为:

      $ {E_4} = {\rm{i}}\sqrt \gamma {E_1} + \sqrt {1 - \gamma } {E_2} $

      (2)

      在光纤环中,E4经过掺铒光纤获得了增益(或者损耗)及时间延迟τ,然后送到E2E4E2的关系如下:

      $ {E_2} = g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}{E_4} $

      (3)

      式中,ω是光强的角频率,g为环路增益。将(2)式代入(3)式得:

      $ {E_2} = {\rm{i}}g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}\sqrt \gamma {E_1}/(1 - g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}\sqrt {1 - \gamma } ) $

      (4)

      然后将(4)式代回(1)式中得:

      $ {E_3} = \frac{{\sqrt {1 - \gamma } - g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}}}{{1 - g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}\sqrt {1 - \gamma } }}{E_1} $

      (5)

      $ {E_4} = {\rm{i}}\sqrt \gamma {E_1}/\left( {1 - g{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\omega \tau }}\sqrt {1 - \gamma } } \right) $

      (6)

      两个谱线间的间隔Δω为:

      $ \Delta \omega = \frac{1}{\tau }\arccos \left[ {\frac{{4g\sqrt {1 - \gamma } - 1 - {g^2}\left( {1 - \gamma } \right)}}{{2g\sqrt {1 - \gamma } }}} \right] $

      (7)

      则相应的传输函数T为:

      $ \begin{array}{*{20}{c}} {T = {{\left| {{E_4}} \right|}^2}/{{\left| {{E_1}} \right|}^2} = }\\ {\frac{\gamma }{{1 + {g^2}\left( {1 - \gamma } \right) - 2g\sqrt {1 - \gamma } \cos \left( {\omega \tau } \right)}}} \end{array} $

      (8)

      自由频谱范围F为:

      $ F = 2{\rm{ \mathsf{ π} /}}\tau $

      (9)

      对环形滤波器进行仿真,其中γ=0.5,g=1.2,F=140MHz, 得到如图 2所示的传输函数。

      Figure 2.  Simulation spectrum of ring filter

    • 当掺铒光纤放大器的驱动电流调整到180mA时,在不加滤波器之前,调整偏振控制器的位置使激光腔内的偏振态发生改变,当腔内的相位和增益等条件达到自洽时,开始出现激光。图 3a为多波长振荡时的光谱(未加滤波器)。理论上多波长间隔是均匀的,但实验结果表明多波长的间隔不一样,这是由于掺铒光纤放大器的增益不平坦,且掺铒光纤放大器是均匀展宽介质,模式竞争比较激烈,有一部分波长被抑制掉了。图 3a中共有4个功率比较高的波长,1544.4nm, 1545.2nm, 1546.5nm, 1546.9nm, 3dB带宽分别为0.12nm, 0.13nm, 0.12nm, 0.15nm。加上滤波器,并调整半导体光放大器的驱动电流为100mA时,只剩下1544.4nm, 1545.2nm两个波长,3dB带宽都是0.05nm。激光器环形腔、环形滤波器以及非线性偏转旋转作用,三者都有选频作用,在不加环形滤波器时,有多个波长振荡,加上环形滤波后,有一部分波长被抑制掉了,故只剩下了双波长。

      Figure 3.  a—spectrum of multi-wavelength laser b—spectrum of dual-wavelength laser with filter

      作者用可调谐滤波器分别滤除其中一个波长, 并进行了稳定性和激光器线宽的测试。图 4是对波长为1544.4nm的单纵模振荡1h内的输出功率进行的测试,输出功率波动为0.6dB。用延时干涉的方法对其进行了测试,选20km单模光纤作为延时,图 5为频谱仪获取结果,洛伦兹拟合后线宽值为5.7kHz。

      Figure 4.  Laser power fluctuation within 1h

      Figure 5.  Linewidth measurement of laser

    • 设计了一种基于SOA和和掺铒光纤滤波器的环形腔激光器,利用NPR效应获得多频率同时振荡,掺铒光纤环形滤波器起到滤波作用,通过调整SOA的驱动电流的大小和偏振控制器,可以获得双波长激光振荡。仿真表明:环形滤波器具有梳状滤波作用;光谱仪上显示,由不加滤波器的0.12nm~0.13nm被压缩到0.05nm,并测量出激光器的线宽为5.7kHz,说明引入的环形滤波器滤波效果十分明显,输出激光的线宽得到了有效的压缩。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回