一种可调谐窄线宽阵列单频光纤激光器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，该光纤激光包括半导体激光芯片阵列部分、可调谐窄线宽单频光纤激光阵列部分和微型短光纤功率放大部分，它可以同时实现激光波长信道间隔为100GHz的单横模功率≥100mW、信噪比≥65dB、窄线宽≤10kHz阵列式单频光纤激光输出。基于精密温控技术和选择性泵浦源工作控制等方式，可以有效地实现每个窄线宽单频光纤激光输出单元的中心波长（或输出路数）的可调谐功能，从而实现窄线宽阵列形式的单频光纤激光所构成的输出波长覆盖范围实时、有效地可调谐。该实用新型专利技术可以广泛应用于相干光通信以及对多个目标同时进行高精度传感、探测等应用领域。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及到相干光通信、光纤传感、以及光纤遥感等领域所应用的光纤激光，尤其是一种可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光器。
技术介绍
窄线宽单频激光是光纤激光器发展的一个重要方向，它具有极窄线宽、低噪声、优异相干特性，广泛应用于相干光通信、长距离与高精度传感、激光测距与指示、以及材料技术等领域。尤其对于相干光通信，一般要求激光光源的光谱线宽极窄(线宽将直接决定通信系统中所能达到的最低误码率，必须尽量减小)、频率稳定度高、多波长或波长可调谐输出(满足多信道工作，超高通信容量带宽)。其中窄线宽单频光纤激光光谱线宽最高可达到10_8nm，比现有最好窄线宽DFB激光器的线宽要窄2个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5 6个数量级。因此，发展可调谐kHz量级窄线宽单频光纤激光器势在必行。要实现窄线宽单频光纤激光输出，合理的光学结构设计至关重要。目前，商用窄线宽单频光纤激光，一般采用稀土离子高掺杂石英基质光纤作为单频光纤激光的增益工作介质，结合短直F-P腔结构方式，但是受制于掺杂稀土离子的浓度无法进一步提高和单频激光谐振腔腔长等因素，最高只能输出几个mW量级的单频光纤激光，而且线宽较难做到IOkHz以下。然而，采用稀土离子高掺杂多组分玻璃基质光纤作为单频激光的增益工作介质，可以有效地实现输出功率大于100mW、线宽小于2kHz的单频光纤激光输出。例如:采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、波长为1.5 μ m的单频光纤激光输出报道[J.Lightwave Technol., 2004, 22: 57]。此外，2004年，美国亚历山大大学和NP光子公司申请了高功率窄线宽单频激光系统专利[公开号:US2004/0240508 Al]，基于微片式激光谐振腔结构，但是其所要求的单频激光器并未具有全光纤化、波长可调谐与阵列式特征。2011年，美国IPG公司申请了高功率窄线宽光纤激光器专利[公开号:US 7903696 B2]，基于2个超短单频谐振腔输出低功率窄线宽单频激光信号，分别通过普通掺铒光纤放大器和高功率双包层光纤放大器进行激光功率放大，但是其所要求的光纤激光器并未具有波长可调谐与阵列式特征。
技术实现思路
本技术目的在于解决现有技术方面的问题，提供一种可调谐窄线宽阵列单频光纤激光器。本技术分别利用多组分玻璃光纤阵列的高掺杂和高增益特性、半导体激光芯片阵列提供泵浦能量、窄线宽光纤光栅阵列进行选频、采用短直F-P腔结构设计，结合精密温控技术和选择性泵浦源工作控制方式，再利用微型短光纤功率放大技术，可以有效地实现可调谐kHz量级(如< 10 kHz)窄线宽阵列式单频光纤激光输出。本技术通过如下技术方案实现。一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其包括半导体激光芯片阵列、准直透镜耦合系统、多组分玻璃光纤阵列、窄带光纤光栅阵列、大功率半导体激光器芯片、保偏合波器、高增益短保偏有源光纤、光隔离器、保偏尾纤、热电制冷器TEC、热电制冷器TEC、热沉和多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列；半导体激光芯片阵列的输出端与准直透镜耦合系统连接，准直透镜耦合系统与多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列耦合连接，多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列连接，多组分玻璃光纤阵列与窄带光纤光栅阵列的输入端连接，窄带光纤光栅阵列的输出端与保偏合波器的信号输入端连接，大功率半导体激光器芯片的输出端与保偏合波器泵浦输入端连接，保偏合波器的信号输出端与高增益短保偏有源光纤连接，高增益短保偏有源光纤与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与保偏尾纤连接；半导体激光芯片阵列安装在第一热电制冷器TEC上，多组分玻璃光纤阵列、窄带光纤光栅阵列安装在第二热电制冷器TEC上；各阵列的组成单元数均为η，η彡2 (如2个 120个)，阵列与阵列之间的连接方式均为各组成单元的一对一连接；所述准直透镜耦合系统包括快轴准直透镜和η个慢轴准直透镜，快轴准直透镜与每个慢轴准直透镜耦合连接。进一步优化的，所述可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器还包括热沉，所述可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器的所有组成部件均固定封装在热沉中。进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列中的多组分玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃，其化学组成为:65P205-9Al203-20Ba0-4La203-2Nd203 ;多组分玻璃光纤的基质材料包括磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃和碲酸盐玻璃，纤芯掺杂高浓度的稀土发光离子的(镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或几种的组合体)，稀土离子的掺杂浓度大于I X 1019ions/cm3,其中镱的掺杂浓度大于铒的掺杂浓度。进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列中的多组分玻璃光纤的纤芯为圆形，纤芯直径为3 15 μ m,包层直径为125 440 μ m ;纤芯的折射率为N1，包层的折射率分布为N2,且满足关系=N1SN2t5 进一步优化的，多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列和窄带光纤光栅阵列连接形成多个单频光纤激光输出单元；半导体激光芯片阵列中的每个芯片单元相应的对单频光纤激光输出单元进行抽运，每个单频光纤激光输出单元安装在一个独立的热电制冷器TEC上，半导体激光芯片阵列的每个半导体激光芯片单元也均安装在一个独立的热电制冷器TEC上，通过热电制冷器TEC对每个单频光纤激光输出单元实行精密地温控调节，从而控制单频光纤激光输出波长，实现输出激光中心波长范围的微调谐；选择性控制一个或多个半导体激光芯片单元的开启或者关闭，实现输出路数的可调谐，使所述单频光纤激光输出单元成为可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元；多个可调谐窄线宽单频光纤激光输出单元，通过保偏合波器，采取合波方式形成阵列输出，即形成可调谐窄线宽阵列式单频光纤激光输出。进一步优化的，所述多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或宽带光纤光栅阵列是对泵浦光波长高透，透射率在80%、9%之间；对激光信号波长高反，反射率为8(Γ99% ;窄带光纤光栅阵列中每一根窄带光纤光栅对激光信号波长有选择性反射，其中心波长处的反射率为5 90% ;每一根窄带光纤光栅的中心反射波长位于多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜或者宽带光纤光栅的反射谱线内。进一步的，所述薄膜或者宽带光纤光栅对激光信号波长高反，反射率大于85% ;对泵浦光波长高透，透射率大于85%。进一步优化的，所述半导体激光芯片阵列的半导体激光芯片单元为边发射结构半导体激光器芯片或者其他封装形式的半导体激光器芯片中的一种以上，所述半导体激光芯片单元输出参数为泵浦波长800 1500nm，输出泵浦功率大于40mW，泵浦方式是半导体激光芯片单元采用前向泵浦、后向泵浦、前后双向泵浦或者它们之间的组合泵浦方式。进一步优化的，所述大功率半导体激光器芯片输出参数为泵浦波长800 1500nm，输出泵浦功率大于200mW，泵浦方式是大功率半导体激光器芯片采用前向泵浦或后向泵浦方式；所述保偏尾纤为单模光纤，其纤芯直径为4 15 μ m,包层直径为125 μ m,数值孔径为0.1 0.3。进一步优化的，所述保偏合波器为平面基板高保偏合波器，是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于包括半导体激光芯片阵列（1）、准直透镜耦合系统、多组分玻璃光纤阵列（5）、窄带光纤光栅阵列（6）、大功率半导体激光器芯片（7）、保偏合波器（8）、高增益短保偏有源光纤（9）、光隔离器（10）、保偏尾纤（11）、第一热电制冷器TEC（12）、第二热电制冷器TEC（13）、热沉（14）和多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜（4）或宽带光纤光栅阵列；半导体激光芯片阵列的输出端与准直透镜耦合系统连接，准直透镜耦合系统与多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列耦合连接，多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列（5）连接，多组分玻璃光纤阵列（5）与窄带光纤光栅阵列（6）的输入端连接，窄带光纤光栅阵列（6）的输出端与保偏合波器（8）的信号输入端连接，大功率半导体激光器芯片（7）的输出端与保偏合波器（8）泵浦输入端连接，保偏合波器（8）的信号输出端与高增益短保偏有源光纤（9）连接，高增益短保偏有源光纤（9）与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与保偏尾纤连接；半导体激光芯片阵列（1）安装在第一热电制冷器TEC上，多组分玻璃光纤阵列（5）、窄带光纤光栅阵列（6）安装在第二热电制冷器TEC上；各阵列的组成单元数均为n，n≥2，阵列与阵列之间的连接方式均为各组成单元的一对一连接；所述准直透镜耦合系统包括快轴准直透镜（2）和n个慢轴准直透镜（3），快轴准直透镜（2）与每个慢轴准直透镜（3）耦合连接。...

【技术特征摘要】
1.一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于包括半导体激光芯片阵列(I)、准直透镜耦合系统、多组分玻璃光纤阵列(5)、窄带光纤光栅阵列(6)、大功率半导体激光器芯片(7)、保偏合波器(8)、高增益短保偏有源光纤(9)、光隔离器(10)、保偏尾纤(11 )、第一热电制冷器TEC (12)、第二热电制冷器TEC (13)、热沉(14)和多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜(4)或宽带光纤光栅阵列；半导体激光芯片阵列的输出端与准直透镜耦合系统连接，准直透镜耦合系统与多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列耦合连接，多组分玻璃光纤阵列镀膜端面或者宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列(5)连接，多组分玻璃光纤阵列(5)与窄带光纤光栅阵列(6)的输入端连接，窄带光纤光栅阵列(6)的输出端与保偏合波器(8)的信号输入端连接,大功率半导体激光器芯片(7)的输出端与保偏合波器(8)泵浦输入端连接，保偏合波器(8)的信号输出端与高增益短保偏有源光纤(9)连接，高增益短保偏有源光纤(9)与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与保偏尾纤连接；半导体激光芯片阵列(I)安装在第一热电制冷器TEC上，多组分玻璃光纤阵列(5)、窄带光纤光栅阵列(6)安装在第二热电制冷器TEC上；各阵列的组成单元数均为η, n ^ 2，阵列与阵列之间的连接方式均为各组成单元的一对一连接；所述准直透镜耦合系统包括快轴准直透镜(2 )和η个慢轴准直透镜(3 )，快轴准直透镜(2 )与每个慢轴准直透镜(3)耦合连接。2.根据权利要求1所述的一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于还包括热沉(14)，所述可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器的所有组成部件均固定封装在热沉(14)中。3.根据权利要求1所述的一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于多组分玻璃光纤阵列(5)中的多组分玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃。4.根据权利要求1所述的一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于多组分玻璃光纤阵列(5)中的多组分玻璃光纤的纤芯为圆形,纤芯直径为3 5μηι,包层直径为125 440μπι;纤芯的折射率为N1，包层的折射率分布为N2，且满足关系牡外。5.根据权利要求1所述的一种可调谐窄线宽阵列形式单频光纤激光器，其特征在于 多组分玻璃光纤阵列的光纤前端镀膜(4)或宽带光纤光栅阵列与多组分玻璃光纤阵列(5)和窄带光纤光栅阵列(6)连接形成多个单频光纤激光输出单元；半导体激光芯片阵列中的每个芯片单元相应的对单频光纤激光输出单元进行抽运，每个单频光纤激光输出单元安装在一个独立的热电制冷器TEC上，半导体激光芯片阵列(I)的每个半导体激光芯片单元也均...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐善辉，杨中民，杨昌盛，冯洲明，张勤远，姜中宏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：