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0431-81702023
光學工程
高質量種子源光纖激光器技術研發歷程

連續光種子源光纖激光器的性能決定了高功率全光纖MOPA激光系統的激 光輸出光譜、線寬和頻率穩定性等特性。作為高質量的種子光源必須首先具有窄線寬、高穩定性和高信噪比,然后再追求可以滿足不同應用需要的其他功能特性,如波長可調諧、單/雙波長可切換以及雙波長間隔可調諧等。在過去的二十多年時間里,研究者們一直在尋求可以實現單頻窄線寬激光輸出的方法,也陸續提出了基于不同技術的單頻窄線寬光纖激光器,尤其是在1.5μm波段的摻鉺光纖激光器,因為其所在波段為光纖通信低損耗窗口,考慮到長距離通信和傳感的需求,對于激光輸出相干特性要求很高,需要激光具有較窄的線寬,使得摻鉺光纖激光器在窄線寬方面發展比較迅速,線寬也達到了kHz量級的水平。在近幾年,研究者們開始對具有不同性能的單頻窄線寬光纖激光器進行研究,也開始不斷追求輸出激光的高穩定性和高信噪比等特性。

  1.1單頻窄線寬光纖激光器研究與發展

  早在1986年,Jauncey等人就已經提出了窄線寬的概念,他們使用摻釹光纖結合光纖Bragg光柵在1084nm處得到了激光輸出,經過使用Fourier轉換Michelson干涉儀測量,得到激光輸出線寬為16GHz;然而,由于只是使用了線腔結構,腔長較長,激光器沒有實現單頻運轉。

  直到1990年,Iwatsuki才首次真正地得到了單頻窄線寬的激光輸出,使用的是環形腔結構,配合一個1 nm譜寬帶通濾波器,使用15m長摻餌光纖作為增益介質,成功得到了單頻激光輸出,并且首次使用延遲自外差干涉儀 (Delayed Self-Heterodyne Interferometer, DSHI)對激光線寬進行了測量,線寬達到1.4 kHz,是截至當時線寬最窄的激光器,而且該激光器還提供2.8nm的波長可調諧范圍 。

  1991年,Gowle等人提出了一種新型的環行腔光纖激光器,通過使用分布Bragg反射鏡作為波長初選濾波器,在1552nm波長處得到了穩定的單頻激光輸出,使用延遲自外差法測量得到激光線寬小于10 Hz,測量分辨率受限于使用的25km延遲線長度。

  同年,Park等人也提出了基于環形腔結構的單頻激光器,在諧振腔內使用了兩個Fabry-Perot (F-P)濾波器,該激光器輸出具有當時最高的穩定性,閾值僅為1OmW,而且具有寬達30nm的可調諧范圍;然而,激光器的輸出信噪比較低,僅為35dB,而且研究者們并沒有對激光器的線寬特性進行測量。

  1992年,Laporta等人利用鉺/鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖制作了腔長僅為 2.5mm長的超短腔光纖激光器,在1532.2nm波長處得到了15mW的激光輸出,測得的線寬小于lOkHz。

  同年,Zyskind等人也報道了短腔光纖激光器,通過在摻鉺光纖上直接寫入一對Bragg光柵制作了腔長僅為2cm的諧振腔,利用F-P干涉儀測量激光器處

  于單頻運轉狀態,由于分辨率限制,他們只是證明了激光的線寬小于6MHz,沒有對其實際線寬進行進一步的研究。

  1993年,Chernikov等人分別提出了單波長和雙波長短腔光纖激光器,兩種激光器都可以運行在單頻狀態;提出的單波長激光器輸出線寬為30kHz,雙波長激光器輸出線寬為16kHz,頻率間隔為59GHz。

  1994年,Horowitz等人首先報道了使用未泵浦摻鉺光纖作為飽和吸收體進行多縱模抑制,經驗證模式抑制效果顯著:基于線形腔結構實現了單頻窄線寬激光輸出,線寬僅為幾kHz。同年,Kringlebotn等人通過在鉺/鐿共摻光纖上寫入相移Bragg光柵首次制作了DFB單頻光纖激光器,使用的有源光纖長度為2cm,輸出功率為2mW,但是沒有對激光器的線寬特性進行研究。

  1995年,Cheng等人報道了基于飽和吸收體的環形腔單頻摻鉺光纖激光器,在1535nm處得到了6.2mW的激光輸出,線寬小于950Hz,但是激光器的長期穩定性較差。同年,Guy等人通過在環形腔中加入相移Bragg光柵作為超窄帶濾波器制作了光纖激光器,在1550 nm波長處得到了線寬小于2kHz的激光輸出,這也是世界上首個使用光纖Bragg光柵作為窄帶濾波器的報道。

  1996年,Gloag等人報道了使用光纖Bragg光柵作為波長初選濾波器的Sagnac型環形腔光纖激光器,在1530nm處得到了1.6mW的單頻激光輸出,受測量分辨率限制,線寬小于37kHz。

  同年,Chang等人首次報道了使用扭模技術實現單頻激光輸出,提出的激光器使用了三個偏振控制器(PC),輸出波長為1534nm,線寬小于l0 kHz。

 1998年,Lee等人首次報道了基于多環形復合腔結構的光纖激光器,使用三個長度不等的短環形子腔,復合腔結構具有良好的縱模選擇能力,激光器輸出波長為1533nm,消光比達到51dB,最高輸出功率為23mW,線寬約為2kHz。

  同年,Takushima等人首次利用非保偏光纖制作光纖激光器得到了單頻單偏振激光輸出,并且實驗證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穩定性;經測量,激光輸出線寬小于1MHz。

  1999年,Kishi和Yazaki首次提出了利用外部光源注入進行縱模鎖定得到單頻激光輸出的方法,結合使用飽和吸收體,得到了線寬為7.5kHz的激光輸出。 同年Yamashita等人證明了使用外部光源注入和自注入進行模式鎖定都可以得到穩定的單頻單偏振激光輸出,并制作了相關的DFB光纖激光器。 到了2000年以后,單頻窄線寬光纖激光器便開始了向多元化的發展,各種功能和特性的單頻光纖激光器陸續被報道。

  2000年,Chang等人報道了寬調諧的線形腔單頻光纖激光器,腔長為21m,腔內使用了全光纖移頻器和飽和吸收體,得到的激光邊模抑制比高于50 dB,波長可調諧范圍達40nm以上。

  2001年,Song等人提出了一種基于環形腔結構的超窄線寬和寬調諧的單頻摻餌光纖激光器,激光器中使用了一個寬調諧的光纖Bragg光柵(寫制在使用化學方法剝離涂覆的同位素氖載光纖上)和一段4m長的未泵浦摻餌光纖飽和吸收體,得到的激光輸出可調諧范圍為1522nm-1562nm,輸出線寬僅為750Hz;激光器性能優良,但是卻沒有對激光器的長期穩定性做進一步的研究。

  2002年,Libatique等人報道了一種離散可調諧單縱模光纖激光器,波長調諧間隔滿足ITU標準建議的波分復用系統所使用的波長間隔;激光器采用環形腔結構,使用了飽和吸收體和一個玻璃標準具(Etalon) 濾波器,實現了8個通道的可調諧,通道間隔為50GHz,激光輸出邊模抑制比大于50dB,估計線寬小于10 kHz。

  2003年,Xu等人報道了在環形腔光纖激光器中加入半導體光放大器((SOA)可以有效抑制拍頻噪聲,在此處SOA相當于一個高通濾波器,通過實驗證明了使用SOA后拍頻噪聲抑制效果顯著,可以明顯提高信號輸出質量。

  2005年,Chien等人報道了一種工作在S波段的高穩定性單頻可調諧摻鉺光纖激光器,該激光器基于典型的環形腔結構,但是使用F-P濾波器進行濾波,并且通過使用壓電陶瓷調節F-P濾波器的透射波長來實現激光波長的可調諧;波長調諧范圍為1482nm-1812nm,功率和波長波動分別小于0.02dB和0.01 nm,但是激光器的信噪比較低,僅為31 dB。

  2006年,多個研究小組對單頻雙波長光纖激光器進行了報道,標志著單頻雙波長光纖激光器開始引起廣泛關注;Sun等人提出了一種基于非對稱相移光纖Bragg光柵的雙波長單頻DFB光纖激光器,通過在均勻Bragg光柵中引入兩個不一樣的相移實現了波長間隔僅為52pm的雙波長輸出,并通過拍頻得到了6.62 G的微波信號,然而,研究者們并沒有對激光器的其他特性進行更多研究; 同年,他們還提出了一種基于重疊相移光纖Bragg光柵的單頻雙波長DFB光纖激光器,通過在光纖同一位置寫入兩個在空間上獨立但具有不同透射波長相移光柵,得到了間隔為0.312nm的雙波長運行,并通過拍頻得到了線寬僅為6kHz的38.67GHz微波信號;Dai等人提出了一種簡單的線形腔雙波長單頻光纖激光器,主要的濾波器件為具有兩個超窄透射通道的相移光纖Bragg光柵,使用環行器作為一個腔鏡,并且用于實現相移光柵的透射性濾波,最后得到的雙波長運行波長間隔為27pm,通過拍頻得到了線寬小于20kHz的微波信號。

  后來的幾年里,又有多個研究小組報道了具有類似輸出特性的單頻雙波長激光器,但是,基于的結構和濾波器件各有不同。

  2009年,Feng等人又報道了關于單/雙波長可切換的單頻摻鉺光纖激光器,使用的是偏振保持光纖Bragg光柵進行雙波長的縱模選擇,結合飽和吸收體得到單頻運行。自此開始,單頻窄線寬光纖激光器又多了單/雙波長可切換的研究方向,并產生了諸多此方面的報道。

  2010年,Tang等人又提出了高穩定型的波長間隔寬調諧單頻雙波長光纖激光器,調諧范圍從0.8nm到 17nm輸出功率波動小于0.37dB。此激光器還可以用于THz波的產生。

  2012年,Kim也提出了類似功能的單頻雙波長激光器,波長間隔調諧范圍為3.46nm-13.2nm。

 


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