基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器，属于激光器领域，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，以及超表面外腔镜，其中,信号光在光纤放大器中进行增益放大，经光纤环形器端口1’传输至端口2’，经过光纤准直器准直后垂直入射至超表面外腔镜上；该超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器；该反射光被光纤准直器收集后经过光纤环形器端口2’传输至端口3’，然后进入光纤耦合器进行部分输出以及部分返回光纤放大器形成回路。本发明专利技术通过超表面外腔镜实现单/多波长激光的可控输出，结构简单，成本低廉，可靠性好。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器
本专利技术属于激光
，更具体地，涉及一种基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器。
技术介绍
随着大容量光纤通信网的发展，密集波分复用技术得以广泛应用。在密集波分复用系统中，其核心部件激光光源-多波长激光器同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的成本大幅度降低，是实现低成本传输的理想解决方案。在光纤通信、光纤传感以及多光束干涉测量系统中，多波长激光器起着日益重要的作用。在已有的相关报道中，多波长激光器既可采用半导体激光器阵列，也可以使用多个光纤光栅耦合，或用掺稀土元素的光纤激光器，但上述激光器的激光输出在线宽、模式以及波长稳定性等方面均不能达到理想的要求，并且激光器结构复杂。外腔半导体激光器大多使用光纤光栅或闪耀光栅作为外腔反馈元件，用来对半导体激光器输出的众多模式进行选择，大多数激光器只能从这些模式中选择一个模式,输出单一波长的激光。对于多波长光纤激光器而言，由于增益媒介(如铒离子)在增益频谱上呈现均与展宽的特性，激光输出谱线中存在很强的模式竞争，需要合适的腔体结构设计来抑制模式竞争，达到稳定的多波长输出的目的。目前实现多波长光纤激光器采用的技术包括基于保偏光纤的梳状滤波器，利用可饱和吸收体的被动锁模技术以及改进的马赫-曾德尔滤波器。但是上述方案结构都比较复杂，需要昂贵的保偏光纤，同时对腔体的损耗，偏振态等需要非常精细的调节，难以获得稳定的多波长输出。在被动锁模技术中由于阈值较高，功耗过大，使得器件的效率大幅下降。近些年来，介质超表面结构以其结构简单，设计灵活，和低损耗的特点成为研究热点。超表面结构中的电偶极子振荡产生的法诺谐振可以达到很高的品质因子。基于超表面结构的无源器件，包括全反射镜，惠更斯超表面，传感器等的研究比较成熟，但是与有源器件的结合还是鲜有报道。因此，研发一种基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，既能输出可控多波长激光，又能解决现有多波长激光器结构复杂且输出波长稳定性不理想的缺陷，成为本领域的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器，其目的在于，利用具备超表面结构的超表面外腔镜作为激光器反射镜和波长选择元件，通过调节超表面结构上微纳图形阵列的周期排布、微纳图形的尺寸改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，其特征在于，还包括超表面外腔镜，其中，所述光纤放大器用于对信号光进行增益放大，然后入射至所述光纤环形器的端口1’随后进入其端口2’，然后经过所述光纤准直器准直后垂直入射至所述超表面外腔镜上；所述超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器，然后入射至所述光纤环形器的端口2’随后进入其端口3’，然后射出至所述光纤耦合器；所述光纤耦合器用于将一部分的光输入至所述光纤放大器中进行放大形成回路，剩余部分进行输出。所述超表面外腔镜作为激光器的反射镜，同时具有波长选择性反射的作用。优选地，所述超表面外腔镜的表面为亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的图形阵列；以此方式，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。通过采用亚波长周期性结构的超表面结构，当光场垂直入射到该超表面结构时，能够激发介质超表面内部偶极子的集群性相干振荡，这种光场的局域振荡与入射光相互作用从而改变光的透射和反射特性。超表面外腔镜对满足超表面结构内部振荡条件的波长具备高反射率，对其他波长具备高透过率。通过拼接一个或多个微纳图形阵列，超表面结构同时对一个或多个波长具备高反射率，对其他波长具备高透过率，则可实现单/多波长激光的产生。优选地，所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。通过调控六方晶格和准晶格中微纳图形的尺寸和周期，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长激光。优选地，所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格，该微纳图形阵列能反射单波长或两种波长的激光。通过调控四方晶格中微纳图形x和y方向周期、微纳图形的尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长或者双波长激光。优选地，所述超表面结构上制备有多个拼接的微纳图形阵列，每个微纳图形阵列反射不同的单波长或两种波长激光，则该超表面结构能够反射多波长的激光。通过将多个微纳图形阵列拼接，即可实现多波长激光的输出。可根据具体反射波长的需要，灵活拼接不同反射波长的微纳图形阵列，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。以上图形都可以通过曝光和刻蚀技术加工，制备简单。优选地，所述光纤准直器射出的光斑尺寸不超过所述超表面结构上所有微纳图形阵列的总面积，以确保入射光场全部参与法诺谐振，提高信号波长的反射率。优选地，所述超表面外腔镜是多层结构，上面一层是器件层，中间层为低折射率或高折射率层，下面一层是衬底层，其中所述器件层为制备有所述超表面结构的介质薄膜；所述中间层的高折射率或低折射率是相对所述器件层而言的，比所述器件层的折射率高为高折射率，比所述器件层的折射率低为低折射率。优选地，所述衬底层和器件层选用对激光器发射的光波段透明的材料，以减少系统的吸收损耗，提高激光器的发光效率。优选地，若激光器发射的激光在通讯波段，所述超表面外腔镜选用绝缘体上硅(SOI)。所述通讯波段一般是指1200nm-1600nm波段。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术利用具备超表面结构的超表面外腔镜作为激光器反射镜和波长选择元件，通过调控超表面结构上微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的法诺谐振波长，进而实现波长选模，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。该方案不仅可以实现单/多波长激光的可控稳定输出，而且结构简单，不需要搭建复杂的波长选择系统。由于超表面中的法诺谐振可以实现非常高的品质因子，可以实现多波长激光的稳定输出；超表面外腔镜可以利用成熟的半导体微纳加工技术大批量制备，成本低廉，可靠性好；2、通过调控四方晶格微纳图形的中的x和y方向周期、微纳图形的尺寸，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长或者双波长反射；通过调控六方晶格和准晶格中微纳图形的尺寸和周期，可以改变单个微纳图形阵列的反射波长，可以实现反射特定的单波长激光；3、通过将多个微纳图形阵列拼接，即可实现多波长激光的输出。可根据具体反射波长的需要，灵活拼接不同反射波长的微纳图形阵列，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，其特征在于，还包括超表面外腔镜，其中，所述光纤放大器用于对信号光进行增益放大，然后入射至所述光纤环形器的端口1’随后进入其端口2’，然后经过所述光纤准直器准直后垂直入射至所述超表面外腔镜上；所述超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器，然后入射至所述光纤环形器的端口2’随后进入其端口3’，然后射出至所述光纤耦合器；所述光纤耦合器用于将一部分的光输入至所述光纤放大器中进行放大形成回路，剩余部分进行输出。

【技术特征摘要】
1.基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，包括光纤放大器、光纤环形器、光纤准直器、光纤耦合器，其特征在于，还包括超表面外腔镜，其中，所述光纤放大器用于对信号光进行增益放大，然后入射至所述光纤环形器的端口1’随后进入其端口2’，然后经过所述光纤准直器准直后垂直入射至所述超表面外腔镜上；所述超表面外腔镜用于接受入射的准直光，并对该准直光进行波长选择，将选择的单/多波长反射至所述光纤准直器，然后入射至所述光纤环形器的端口2’随后进入其端口3’，然后射出至所述光纤耦合器；所述光纤耦合器用于将一部分的光输入至所述光纤放大器中进行放大形成回路，剩余部分进行输出。2.如权利要求1所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述超表面外腔镜的表面为亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构接受入射的准直光后反射特定的单/多波长的光至所述光纤准直器；所述超表面结构上制备有一个或多个拼接的微纳图形阵列；所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成的图形阵列；以此方式，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面外腔镜反射一个或多个波长，从而实现激光器单/多波长激光的可控输出。3.如权利要求2所述的基于超表面外腔镜的多波长光纤外腔激光器，其特征在于，所述微纳图形阵列中微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。4.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金松，邱幸枝，曾成，袁帅，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42