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]。
目前,获得单纵模窄线宽光纤激光器有3种方案。
1)通过控制腔内相遇光波的偏振状态来消除驻波效应引起的空间烧孔的非相干技术[3,4];2)在激光腔中加入未抽运掺杂光纤来选频,并抑制跳模的饱和吸收体[5~7];3)短腔光纤激光器,包括DFB光纤激光器和短腔DBR光纤激光器[8~10]。
比较3种方案发现,方案1和方案2需要使用多个偏振控制器,且多为环形腔结构,控制难,转换效率低,输出功率极低;而方案3结构简单,输出功率超过200mW,斜率效率达24%,难点在于采用怎样的抽运方式在短增益光纤上实现高输出功率,以及怎样实现特殊封装。
超短腔DBR结构光纤激光器国内也有研究,但是激光器效率低,输出功率最大仅为11mW,且线宽限制在MH z范围[11,12]。
本文研制了一种采用双光纤光栅布里-珀罗(FBG F-P)腔选模的高掺Er3+线形腔窄线宽光纤激光器。
该光纤激光器结合了非相干技术,输出功率高,能量转换效率高,线宽极窄,并具有结构简单、全光纤化和信噪比高等特点,可应用于高精度的光纤传感系统。
2窄线宽光纤激光器实验结果光纤激光器主要由2个FBG F-P腔和高掺Er3+光纤线形腔构成,实验装置如图1所示。
激光器的增益介质为高掺Er3+光纤,长度为3m,在978nm波长处峰值吸收系数为17 dB/m,在1550nm波长处峰值吸收系数为30dB/m。
实验中,采用了双向抽运方式,抽运光源为中心波长976nm的LD,LD 1与LD2的最大抽运功率分别为76mW和69mW。
由于在线形腔结构中容易产生空间烧孔效应,引起多纵模振荡,所以光电子#激光第18卷第7期2007年7月Journal of Optoelectronics#Laser V ol.18N o.7Jul.2007*收稿日期:2006-08-11修订日期:2006-11-07*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60377021)**E-m ail:w-bo@使用全光纤结构的法拉第旋转器(FR),可以使通过它的往返光束偏振态改变90b ,从而破坏光纤激光器中驻波形成条件,抑制空间烧孔效应。
图1 窄线宽光纤激光器实验原理图Fig.1 Experim ental setup of narrow linewidth fiber laserFBG F -P 腔的结构如图2所示。
FBG F -P 腔刻蚀在普通单模光纤上,光栅间的距离为1cm,总体腔长不超过5cm 。
采用带宽A SE 光源测量的FBG F -P 腔反射谱如图3所示。
FBG F -P Ⅰ由2个反射率50%的FBG 构成,总反射率为80%;FBG F -P Ⅱ由2个反射率80%的FBB 构成,总反射率为99%。
实验中,FBG F -P 腔是起腔反射镜与作为插入的F -P 腔选模的作用,利于实现激光器的全光纤化。
FBG F -P 腔的输出谱线数目由F -P 腔的腔长和FBG 的反射带宽决定,FBG F -P 腔的腔长越短,其输出谱线间距越大,FBG 的反射带宽越窄,F -P 腔所能容纳的模式数越少,选频特性优于普通F -P 腔[13,14]。
最后由于增益饱和,在少数纵模的模式竞争中,使中心频率的单纵模占优势,最终获得单纵模激光输出。
图2 FBG F -P 腔结构图F ig .2 Schema tic dia gram of F BG F -P cavity图3 FBG F -P 腔反射谱Fig .3 R eflectivity spectrum of F BG F -P ca vity采用Ando6319光谱分析仪进行实验记录,光谱仪最高精度为0.01nm 。
输出光功率采用光功率计精确测量。
当抽运光功率为11mW 时,激光器开始起振。
随抽运功率的增加,开始得到稳定的光谱线,而且谱线的3dB 线宽不受抽运光功率增加的影响。
图4为输出光谱图,扫描范围为5nm,精度为0.01nm 。
分析光谱仪的输出激光中心波长为1550nm,3dB线宽小于0.01nm,信噪比大于50dB 。
1h 的连续观察,激光器无跳模现象发生,波长漂移范围小于0.01nm 。
当抽运光功率为最大145mW 时,输出功率为73mW,光-光转换效率为50%,斜率效率为55%。
图5为输出功率随抽运功率变化的曲线。
由图可见,输出功率随抽运功率的增加呈线性变化。
图4 光纤激光器窄线宽光谱图Fig.4 Output na rro w line -w idth spectrum of fiber la ser图5 输出功率随抽运功率的变化F ig.5 Output po wer vs.pum p pow er3 自外差线宽测量实验结果目前测量kH z 量级激光器线宽有延迟自外差/零差测谱法。
自零差方法与自外差方法相比,虽然不需要使用移频器,却不能直接使用标准射频频谱仪进行测量。
改进的自零差测量系统中[15]需要增加相位调制器与本地射频振荡器,比自外差测量系统结构更加复杂。
为了得到精确的激光器线宽,选择采用延迟自外差方法测量光纤激光器线宽。
延迟自外差方法实验系统,如图6所示。
整个实验系统的组成包括10km 单模光纤延迟线、中心频率为70MH z的声光图6 延迟自外差实验原理图Fig .6 Experim ental setup for delayedsel-f heterodyne meas urem ent#771#第7期 伍 波等:1550nm 高效窄线宽光纤激光器移频器、2个1@2型3dB 光纤耦合器、光电探测器以及AD -V ANTEST R3267射频频谱分析仪。
延迟自外差测量方法的测量精度与光纤延迟线长度有关[16],根据计算,10km 长光纤延迟线的测量精度是10kH z 。
激光器线宽测量结果如图7所示,由射频频谱仪分析得到谱线的3dB 带宽为5kH z,由于测量精度的限制,认为光纤激光器的3dB 线宽小于10kH z。
图7 采用10km 延迟光纤测量的自外差信号F ig.7 The heterodyne signal m easured a t 10km d elay fiber4 结 论结合非相干技术,利用全光纤型FR 抑制空间烧孔效应,通过2个短FBG F -P 腔选模,研制了一种单纵模窄线宽光纤激光器。
给出了功率输出特性,阈值抽运光功率为11mW,输出信号光功率为73mW,斜率效率达55%。
激光器输出中心波长为1550nm,光谱稳定,信噪比高。
采用10km 单模光纤延迟线进行了延迟自外差线宽测量,由于测量精度的限制,最后得到光纤激光器的3dB 线宽小于10kHz 。