低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器.pdf

一种低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器是利用光纤的布里渊增益效应、布里渊压窄效应以及维纳效应的光纤激光器，包括窄线宽单频连续激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光环形器、光分路器、单模光纤、未泵浦的掺铒光纤、光电调制器、信号发生器、光电探测器和频谱分析仪。本发明选择适合的低插损三环路光纤长度，不仅可以优化布里渊光纤激光器的阈值和线宽特性，还有效降低了系统成本，使用线宽测试系统对其进行了测量，最终获得了阈值为26mW，线宽小于300Hz的单纵模布里渊激光。

权利要求书1.  一种低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器，包括窄线宽单频连续激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光环形器、光分路器、单模光纤、未泵浦的掺铒光纤、光电调制器、信号发生器、光电探测器和频谱分析仪；其特征在于：所述窄线宽单频连续激光器(1)作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器(2)、第一偏振控制器(3)和光环形器(4)后，注入到第一低插损单通环路中，其中第一偏振控制器(3)用于调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态，以获得最大的布里渊增益；泵浦光在第一低插损单通环路中仅运行一周，沿顺时针方向先后经第一单模光纤(5)、第一光分路器(8a)、第五光分路器(9)和第二光分路器(8b)，在光环形器(4)的第三端口停止；当泵浦光功率大于受激布里渊散射的阈值时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向先后经过光环形器(4)、第二光分路器(8b)、第五光分路器(9)、第一光分路器(8a)和第一单模光纤(5)后发生谐振，其中第五光分路器(9)的一个端口作为激光器的输出端；同时增设了两个低插损环路滤波器，一个由第一光分路器(8a)和第二单模光纤(6)构成，另一个由第二光分路器(8b)和未泵浦的掺铒光纤(7)构成，就可以获得窄线宽单纵模布里渊光纤激光器；之后用线宽测量系统(a)对从第五光分路器(9)输出的激光进行频谱观测和线宽测量，输出的光经过第三光分路器(8c)分为两路，一路经过第二偏振控制器(10)和光电调制器(11)，用信号发生器(12)提供频移信号，另一路经过第三单模光纤(13)后和第一路光在第四光分路器(8d)处汇合，输出光经过光电探测器(14)后，用频谱分析仪(15)进行测量。2.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述窄线宽单频连续激光器(1)是中心波长为1550nm，光谱线宽为10kHz，边摸抑制比>35dB，最大输出功率为5mW的连续运行激光器。3.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述掺铒光纤放大器(2)是增益为15dB，波长范围为1528~1565nm。4.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述第一单模光纤(5)、第二单模光纤(6)和第三单模光纤(13)分别是长度为1km、100m和27km的G.652单模光纤，所述未泵浦的掺铒光纤(7)的长度是10m。5.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述第一光分路器(8a)、第二光分路器(8b)、第三光分路器(8c)和第四光分路器(8d)的分光比是50∶50；第五光分路器(9)的分光比是10∶90。6.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述高速光电探测器(14)的响应带宽是0~12GHz，响应波长范围是400~1650nm。7.  根据权利要求1所述的布里渊光纤激光器，其特征在于：所述频谱仪(15)的带宽是0~26.5GHz，最小分辨率是1Hz。

说明书低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，尤其是一种包括窄线宽单频连续激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光环形器、光分路器、单模光纤、未泵浦的掺铒光纤、光电调制器、信号发生器、光电探测器和频谱分析仪的三环路低阈值窄线宽布里渊光纤激光器。
背景技术
由于受激布里渊散射具有带宽窄噪声低的特性，被广泛用于分布式光纤传感、窄带低噪放大器、窄线宽光纤激光器以及微波光子发生器等，特别地，从1976年Hill等研究者（Appl. Phys. Lett. 1976, 28(10): 608-609.）首次提出了布里渊光纤激光器后，由于布里渊光纤激光器的窄线宽、低阈值和低成本等优势，吸引了很多研究者的关注和研究，因此国内外学者也主要集中在这三个方向。
根据布里渊光纤激光器的基本理论（Opt. Lett., vol. 7, no. 10, pp. 509–511, 1982.），如果想要获得更窄的线宽及更低的阈值，就需要提高谐振腔的Q值，即提高腔内能量和腔外能量的比值，针对此许多研究者开展了相关的研究工作。Yong等研究者使用非对称的马赫曾德尔干涉结构得到了小于1kHz线宽的单纵模输出（J. Lightw. Technol., vol. 21, no. 2, pp. 546–554, Feb. 2003），通过非对称的马赫曾德尔干涉分别滤出泵浦光和布里渊激光，因为在谐振腔中只有布里渊激光，所以可以有效减小腔损耗，此结构虽然简单而且使用的是商用的DFB激光器，但此结构还需要一个高精度（0.01℃）的恒温箱来保证其滤波特性；Shen等研究者使用布拉格光栅构成的法珀腔实现了11GHz的微波信号（J. Lightwave Technol. 23, 1860-1865,2005.），但需要精确调节FBG的反射率才可以获得窄线宽输出，这样无形中就增加了谐振腔环路的损耗；Geng等研究者使用了PDH（Pound-Drever-Hall）稳定系统（IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 18, no. 17, pp. 1813–1815, Sep. 1, 2006.），实现了75Hz的理论线宽值，但此配置较复杂且成本高。上述实验装置都存在一个共性的问题，就是谐振腔的环长长度都在10m~20m范围内，其会限制布里渊光纤激光器线宽和阈值的进一步优化。
针对环长长度的限制，Chen等研究者将谐振腔长度扩展至500m的高非线性光纤，以此作为提供布里渊增益的介质（Appl. Phys. B, vol. 107, no. 3, pp. 791–794, 2012.），同时配以自适应的超窄带通滤波器，实现了单纵模激光输出，但没有测出其真实的线宽值，而且此自适应的超窄带通滤波器需要精确控制泵浦光功率，这样就增加了腔的损耗，达不到优化激光器阈值的效果，同时500m的高非线性光纤价格也非常昂贵。
为了既保证窄线宽和低阈值的特性，又有效降低系统的成本，迫切需要开发一种既可以优化激光器的阈值和线宽特性，又可以有效地降低系统成本的布里渊光纤激光器。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种阈值低、线宽窄且成本低的低插损三环路布里渊光纤激光器。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
一种低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器，包括窄线宽单频连续激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、光环形器、光分路器、单模光纤、未泵浦的掺铒光纤、光电调制器、信号发生器、光电探测器和频谱分析仪；其特征在于：窄线宽单频连续激光器作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器、第一偏振控制器和光环形器后，注入到第一个低插损单通环路中，其中第一偏振控制器用来调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态；泵浦光在谐振腔中只运行一周，沿顺时针方向先后经第一单模光纤、第一光分路器、第五光分路器和第二光分路器，在光环形器的第三端口停止；当泵浦光功率大于受激布里渊散射的阈值时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向先后经过光环形器、第二光分路器、第五光分路器、第一光分路器和第一单模光纤后发生谐振，其中第五光分路器的一个端口作为激光器的输出端；为了保证激光器单纵模运行，增设了两个低插损环路滤波器，一个由第一光分路器和第二单模光纤组成，另一个由第二光分路器和未泵浦的掺铒光纤组成，依据维纳效应，选择合适的光纤长度，就可以获得窄线宽单纵模布里渊光纤激光器；之后用线宽测量系统对从光分路器输出的激光进行频谱观测和线宽测量，输出的光经过第三光分路器分为两路，一路经过第二偏振控制器和光电调制器，用信号发生器提供频移信号，另一路经过第三单模光纤后和第一路光在第四光分路器处汇合，输出光经过光电探测器后，用频谱分析仪进行测量。
基于上述技术方案，进一步的附加技术方案如下。
(1)所述窄线宽单频激光器是中心波长为1550nm，光谱线宽为10kHz，边摸抑制比>35dB，最大输出功率为5mW的连续运行激光器。
(2)所述掺铒光纤放大器其增益为15dB，波长范围为1528~1565nm。
(3)所述第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤是长度分别为1km、100m和27km的G.652单模光纤。
(4)所述未泵浦的掺铒光纤的长度是10m。
(5)所述第一光分路器、第二光分路器、第三光分路器和第四光分路器的分光比都是50∶50，而第五光分路器的分光比是10∶90。
(6)所述高速光电探测器响应带宽是0~12GHz，响应波长范围为400~1650nm。
(7)所述频谱仪带宽是0~26.5GHz，最小分辨率是1Hz。
实现本发明上述所提供的一种低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器技术方案，与现有布里渊光纤激光器技术相比，实现了低阈值和窄线宽的单模激光输出，而且成本低，其优点与积极效果具体体现在如下两方面：
一是与现有布里渊光纤激光器相比，谐振腔内光纤长度延长至1km，而且所用光纤是目前广泛使用的G.652标准单模光纤，这样不仅可以有效优化激光器阈值和线宽，还可以减少系统成本；
二是与现有布里渊光纤激光器相比，使用了低插损三环路装置，既不需要精确控制泵浦光的功率，又没有引入额外的腔损耗，有效降低了激光器的阈值，而且根据维纳效应，可以保证激光器的单纵模运行状态。
附图说明
图1是本发明布里渊光纤激光器的结构示意图。
图2是对本发明布里渊光纤激光器进行线宽测量的结构示意图。
图3是本发明布里渊光纤激光器单通环路频谱测试结果。
图4是本发明布里渊光纤激光器低插损三环路后频谱测试结果。
图5是本发明布里渊光纤激光器阈值曲线测试结果。
图6是本发明布里渊光纤激光器线宽测试结果。
图中：1：窄线宽单频激光器；2：掺铒光纤放大器；3：第一偏振控制器；4：光环形器；5：第一单模光纤；6：第二单模光纤；7：未泵浦的掺铒光纤；8a：第一光分路器；8b：第二光分路器；8c：第三光分路器；8d：第四光分路器；9：第五光分路器；a：线宽测量系统；10：第二偏振控制器；11：光电调制器；12：信号发生器；13：第三单模光纤；14：光电探测器；15：频谱分析仪。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如附图1-附图6所述，实施本发明上述所提供的一种低插损三环路窄线宽布里渊光纤激光器，该传感器包括窄线宽单频激光器1；掺铒光纤放大器2；第一偏振控制器3；光环形器4；第一单模光纤5；第二单模光纤6；未泵浦的掺铒光纤7；第一光分路器8a；第二光分路器8b；第三光分路器8c；第四光分路器8d；第五光分路器9；线宽测量系统a；第二偏振控制器10；光电调制器11；信号发生器12；第三单模光纤13；光电探测器14和频谱分析仪15。
基于上述的构成要件，本发明的构成关系是：窄线宽单频连续激光器1作为布里渊光纤激光器的泵浦光，经掺铒光纤放大器2、第一偏振控制器3和光环形器4后，注入到第一低插损单通环路中，其中第一偏振控制器3用来调节泵浦光和斯托克斯波之间的偏振态；泵浦光在第一低插损单通环路中只运行一周，沿顺时针方向先后经第一单模光纤5、第一光分路器8a、第五光分路器9和第二光分路器8b，在光环形器4的第三端口停止；当泵浦光功率大于受激布里渊散射的阈值时，产生后向的布里渊激光，布里渊激光沿逆时针方向先后经过光环形器4、第二光分路器8b、第五光分路器9、第一光分路器8a和第一单模光纤5后发生谐振，其中第五光分路器9的一个端口作为激光器的输出端；为了保证激光器单纵模运行，增设了两个低插损环路滤波器，一个由第一光分路器8a和第二单模光纤6组成，另一个由第二光分路器8b和未泵浦的掺铒光纤7组成，依据维纳效应，选择合适的光纤长度，就可以获得窄线宽单纵模布里渊光纤激光器；之后用线宽测量系统a对从第五光分路器9输出的激光进行频谱观测和线宽测量，输出的光经过第三光分路器8c分为两路，一路经过第二偏振控制器10和光电调制器11，用信号发生器12提供频移信号，另一路经过第三单模光纤13后和第一路光在第四光分路器8d处汇合，输出光经过光电探测器14后，用频谱分析仪15进行测量。
基于上述具体实施方式，本发明进一步的具体实施方案如下。
第一附加技术实施方案是：所采用的窄线宽单频激光器1是中心波长为1550nm，光谱线宽为10kHz，边摸抑制比>35dB，最大输出功率为5mW的连续运行激光器。
第二附加技术实施方案是：所采用的掺铒光纤放大器其增益为15dB，波长范围为1528~1565nm。
第三附加技术实施方案是：所采用的三个单模传感光纤长度依次为1km、100m和27km的G.652单模光纤。
第四附加技术实施方案是：所采用未泵浦的掺铒光纤的长度是10m。
第五附加技术实施方案是：所采用的第一光分路器、第二光分路器、第三光分路器和第四光分路器的分光比都是50∶50，而第五光分路器的分光比是10∶90。
第六附加技术实施方案是：所采用的掺高速光电探测器响应带宽是0~12GHz，响应波长范围为400~1650nm。
第七附加技术实施方案是：所采用的频谱仪带宽是0~26.5GHz，最小分辨率是1Hz。
在上述的具体实施方案中，如附图1所述，该传感器的窄线宽单频激光器1是新加坡Denselight公司推出的单频激光器，其具有输出功率高和线宽窄的优点；掺铒光纤放大器2是上海瀚宇光纤通信技术有限公司的MARS系列C波段高功率台式光纤放大器；光电探测器14是德国U2T公司推出的高灵敏探测器；频谱仪为Keysight公司推出的N9020信号分析仪15。
所采用的布里渊光纤激光器的工作原理如下：
光纤中，入射激光和光纤中声波发生非线性的相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起了光纤折射率的周期性调制，产生频率上、下移的反斯托克斯和斯托克斯布里渊散射光，在光纤中产生的布里渊频移                                                ，表示为
                      (1)
其中，为泵浦光频率，为声速，为光速，在1550nm附近大约为10GHz。单通谐振腔光纤长度为1km，为了获得单模运行状态，配以低插损的环路滤波器，其中一个由50:50光分路器和100m长度单模光纤组成，另一个由50:50光分路器和10m长度未泵浦的掺铒光纤组成，根据维纳效应，谐振腔的有效自由频谱宽（可以表示为：
              (2)
其中表示三环路的自由频谱宽，为三环路对应的长度，为整数，因此，只有当某一频率达到布里渊增益最大值，且同时满足三环路的谐振条件时，开始有单模激光输出。
用附图2所示结构对输出激光状态进行了测试，首先观测了单模运行状态，如附图3和图4所示，为只有单通环路的频谱结果，在布里渊增益带宽内为多模运行状态，且频率间隔等于1km环长对应的自由频谱宽，图4则为配置低插损三环路之后的频谱结果，可以看出在布里渊增益带宽内只有一个频率起振，可以证明所激射出的光为单模运行状态。
之后分别对激光器的阈值和线宽进行了测量，阈值和有效光纤长度存在以下关系：
                          (3)
其中为谐振腔的输出耦合比，为0.9，为光纤的有效截面面积，为低插损三环路光纤长度的总和，为有效长度，为光纤衰减系数，光纤的布里渊增益系数，通过计算可知阈值大约为20mW，如附图5所示为实际测量的激光器输出功率曲线图，输出功率和泵浦光功率称线性关系，实际阈值为26mW，和理论分析差别6mW，原因是由随机偏振噪声引起的，偏振控制器不能很好地调节泵浦光和布里渊激光的偏振态。
之后用线宽测量系统a对从激光进行了线宽测量，根据布里渊压窄效应，布里渊激光线宽和泵浦光线宽存在以下关系：
                 (4)
其中，为声波衰减率，而为布里渊增益的带宽，还有腔损耗率。通过计算可知线宽可以被压窄两个数量级，如附图6所示为实际测得的线宽值，因为延时光纤长度为27km，其对应的分辨率为6kHz，因此读取-20dB位置的带宽值，在通过计算就可以获得真实线宽值，从图中获知-20dB位置带宽为6kHz带宽，推算可得到实际线宽值小于300Hz，结果与理论分析结果基本一致。
上述布里渊光纤激光器具有低阈值、窄线宽且低成本的优点，配合低插损三环路装置，可以保证激光器单纵模输出状态，最终获得了26mW阈值和300Hz线宽的单纵模激光，此激光器可用于光纤传感、微波光子、相干光通信等。