寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其包括單頻光纖激光諧振腔、波分復(fù)用器、單模半導體泵浦光源、光纖隔離器、偏振控制器、激光飽和放大裝置、光纖濾波模塊、光纖耦合器、光電探測器和反饋控制系統(tǒng)。本實用新型通過激光飽和放大裝置可以降低輸出激光較寬頻帶的強度噪聲，并且對激光飽和放大裝置再進行反饋控制，從而可以進一步降低輸出激光強度噪聲以及拓寬強度噪聲抑制的頻率范圍，最終實現(xiàn)單頻激光器的強度噪聲在寬頻帶內(nèi)同時降低至肖特噪聲極限附近的效果。本實用新型在超高精度和超遠距離激光測距、光纖傳感以及原子和分子光譜學等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值。
【專利說明】
寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及激光器的強度噪聲抑制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。在栗浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，采取簡要措施便可構(gòu)成諧振腔，形成激光輸出。光纖激光器因其抽運閾值功率低、轉(zhuǎn)換效率高、輸出激光波長多、可調(diào)諧范圍寬、耦合效率高(與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)完全兼容)、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等優(yōu)點在高速率和密集波分復(fù)用激光光纖通訊、高精度光纖傳感技術(shù)、大功率激光加工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值。然而強度噪聲作為光纖激光器的一個重要指標，是制約其進一步應(yīng)用的關(guān)鍵因素。如在光纖水聽器傳感中，光纖激光的低頻強度噪聲(通常頻率范圍為0-20 kHz)會增加系統(tǒng)的噪聲基底，從而影響探測精度與靈敏度;在多普勒測風雷達中，處于中頻段的弛豫振蕩所帶來的明顯的激光強度噪聲(通常頻率范圍為幾百kHz至幾MHz)會干擾測試信號，極大地影響了測試結(jié)果。此外，在例如壓縮光的產(chǎn)生、量子通信、引力波探測等一些先進應(yīng)用場合，強度噪聲接近肖特噪聲極限的激光光源是一個重要的組成部分。因此，對光纖激光器的強度噪聲性能進行分析研究并探索其抑制方法，如何獲得一個寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光器成為了近期的研究熱點。
[0003]激光器的強度噪聲指激光器的輸出功率波動情況，用相對強度噪聲RIN(RelativeIntensity Noise)來描述，其定義為單位頻帶內(nèi)單位功率上的激光強度變化。光纖激光器的強度噪聲主要包括兩部分:低頻的技術(shù)噪聲、中頻的弛豫振蕩、高頻的量子噪聲。低頻的技術(shù)噪聲是由外部環(huán)境干擾、栗浦源的功率起伏等引起。在連續(xù)抽運激光器中，弛豫振蕩表現(xiàn)為某些頻段內(nèi)光強隨時間變化的阻尼振蕩，是引起激光器輸出功率起伏的最主要原因。其產(chǎn)生機制是增益介質(zhì)內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子與激光腔內(nèi)光子相互作用而引起的激光振蕩。高頻的量子噪聲來源于激光能量量子化過程中的光量子漲落，已經(jīng)接近肖特噪聲極限。因此，對光纖激光器的強度噪聲抑制主要是針對低頻技術(shù)噪聲和中頻弛豫振蕩這兩個部分。
[0004]目前，激光強度噪聲抑制方案已經(jīng)有很多種。其中以注入鎖定、模清潔器、光電反饋以及激光飽和放大為主。注入鎖定是指將一個主激光器(Master Laser)的輸出注入到一個從激光器(Slave Laser)中，當主激光器的輸出光頻率剛好為從激光器的諧振頻率時，該激光信號將在從激光器中被放大，且最終輸出的激光強度噪聲會得到相應(yīng)改善。但是這個方案需要兩臺激光器同時工作，并且還要求主激光器擁有較好的噪聲性能，在實用性方面存在較大的缺陷。模清潔器指具有濾波特性的光學組件，激光束通過后耦合出一部分光，然后由光電探測器探測并經(jīng)功率放大器放大后反饋到振幅調(diào)制器(Α0Μ、Ε0Μ)上構(gòu)成反饋控制回路，從而達到抑制噪聲的目的。然而，該方案使得整個激光結(jié)構(gòu)變得很復(fù)雜，同時對外界環(huán)境的要求也很高，并使得光纖激光器全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢不復(fù)存在。光電反饋則指利用分光裝置提取部分光，利用其中的噪聲信號來控制栗浦驅(qū)動電流，進而影響腔內(nèi)增益以達到抑制噪聲的目的。但是光電反饋的抑制帶寬存在自身局限，難以獲得全頻帶的強度噪聲抑制，同時在不斷的調(diào)節(jié)激光栗浦功率時，容易影響激光的輸出頻率的穩(wěn)定性和激光線寬。激光飽和放大是指利用激光飽和放大器的非線性放大作用，可以將高頻段的強度噪聲進行抑制。但是僅僅利用一個激光飽和放大器，難以抑制低頻段的技術(shù)噪聲。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)上述中的不足，提供一種寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置。通過激光飽和放大裝置結(jié)合光電反饋作用，從而將光纖激光器的寬頻帶強度噪聲進行大幅度的抑制，獲得接近肖特噪聲極限的效果。
[0006]本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0007]—種寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其包括單頻光纖激光諧振腔、波分復(fù)用器、單模半導體栗浦光源、光纖隔離器、偏振控制器、激光飽和放大裝置、光纖濾波模塊、光纖耦合器、光電探測器、反饋控制系統(tǒng)。各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系是:單頻光纖激光諧振腔與波分復(fù)用器的公共端連接，波分復(fù)用器的栗浦端與單模半導體栗浦光源連接，波分復(fù)用器的信號端與光纖隔離器的輸入端連接，偏振控制器的輸入端與光纖隔離器的輸出端連接，激光飽和放大裝置的輸入端連接偏振控制器的輸出端，光纖濾波模塊連接激光飽和放大裝置的輸出端，光纖耦合器的輸入端連接光纖濾波模塊的輸出端，光纖耦合器的輸出小端連接光電探測器，光電探測器的輸出端與反饋控制系統(tǒng)連接，反饋控制系統(tǒng)連接激光飽和放大裝置的調(diào)節(jié)端口構(gòu)成反饋控制回路，光纖耦合器的輸出大端作為噪聲抑制后的激光輸出端。
[0008]進一步優(yōu)化地，所述的單頻光纖激光諧振腔的輸出為連續(xù)單頻、頻率調(diào)制的任意波長輸出的單頻激光。
[0009]進一步優(yōu)化地，所述的激光飽和放大裝置包括但不限于半導體光放大器，增益光纖放大器、非線性功率放大器等。
[0010]進一步優(yōu)化地，所述的光纖濾波模塊包括但不限于光纖窄帶濾波器、窄帶寬光纖光柵、F-P濾波器等。
[0011]進一步優(yōu)化地，所述的單頻光纖激光諧振腔的輸出激光經(jīng)過激光飽和放大裝置后，由光纖親合器分成兩部分，其中大端激光作為輸出，小端激光被光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號攜帶了輸出激光的強度噪聲信息，反饋控制系統(tǒng)從接收到的電信號中提取出激光噪聲信號后，經(jīng)過PID控制處理，加載到激光飽和放大裝置的調(diào)節(jié)端口上，通過負反饋控制的方式降低寬頻帶的激光強度噪聲。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)效果是:單模半導體栗浦光源輸出的栗浦光經(jīng)波分復(fù)用器對光纖諧振腔進行栗浦，從光纖諧振腔經(jīng)波分復(fù)用器輸出的激光信號經(jīng)過光纖隔離器后，進入激光飽和放大裝置實現(xiàn)強度噪聲的抑制。抑制后的激光輸入至光纖耦合器分成兩部分，其中小部分激光由光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號攜帶了輸出激光的剩余強度噪聲信息，反饋控制系統(tǒng)從接收到的電信號中提取出激光噪聲信號后，經(jīng)過PID控制處理，加載到激光飽和放大裝置的調(diào)節(jié)端口上，通過負反饋控制的方式進一步降低寬頻帶的激光強度噪聲。與傳統(tǒng)的基于單一工作原理的強度噪聲抑制方案相比，本實用新型將光電反饋和激光飽和放大兩種強度噪聲抑制方案相結(jié)合，提供了一種在更大程度更大帶寬上抑制光纖激光器強度噪聲的有效方法。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型一種寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中:I一單頻光纖激光諧振腔，2—波分復(fù)用器，3—單模半導體栗浦光源，4一光纖隔離器，5—偏振控制器，6—激光飽和放大裝置，7—光纖濾波模塊，8—光纖耦合器，9-光電探測器，10—反饋控制系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述說明，但本實用新型的實施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)理解或?qū)崿F(xiàn)的。
[0016]如圖1所示，寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，包括單頻光纖激光諧振腔1、波分復(fù)用器2、單模半導體栗浦光源3、光纖隔離器4、偏振控制器5、激光飽和放大裝置6、光纖濾波模塊7、光纖耦合器8、光電探測器9、反饋控制系統(tǒng)10;單頻光纖激光諧振腔I與波分復(fù)用器2的公共端連接，波分復(fù)用器2的栗浦端與單模半導體栗浦光源3連接，波分復(fù)用器2的信號端與光纖隔離器4的輸入端連接，偏振控制器5的輸入端與光纖隔離器4的輸出端連接，激光飽和放大裝置6的輸入端連接偏振控制器5的輸出端，光纖濾波模塊7連接激光飽和放大裝置6的輸出端，光纖耦合器8的輸入端連接光纖濾波模塊7的輸出端，光纖耦合器8的輸出小端連接光電探測器9，光電探測器9的輸出端與反饋控制系統(tǒng)10連接，反饋控制系統(tǒng)10連接激光飽和放大裝置6的調(diào)節(jié)端口構(gòu)成反饋控制回路，光纖耦合器8的輸出大端作為噪聲抑制后的激光輸出端;光纖耦合器8的所述輸出大端和輸出小端的具體大小由分光比確定。
[0017]本例中利用980nm單模半導體激光器作為單模半導體栗浦光源3，經(jīng)過980/1550nm的保偏波分復(fù)用器2實現(xiàn)對單頻光纖激光諧振腔I進行后向栗浦。單頻光纖激光諧振腔I為輸出激光波長為1550.52nm的單頻光纖分布布拉格反射式DBR諧振腔。輸出激光經(jīng)過1550nm保偏光纖隔離器4后，進入偏振控制器5。此例中的偏振控制器為手動三環(huán)偏振控制器，用于抑制強度噪聲的激光飽和放大裝置6為一個高效率、高帶寬的半導體光放大器。進入半導體光放大器的激光由手動三環(huán)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，從而確保輸入光束的偏振態(tài)與半導體光放大器的主軸相一致。經(jīng)過半導體光放大器后的激光，中頻段的馳豫振蕩可以被有效抑制，但是低頻段的強度噪聲因為半導體光放大器的栗浦電流擾動和原激光的技術(shù)噪聲難以得到改善。另外，由于半導體光放大器在工作過程中將引入大量的自發(fā)輻射噪聲，嚴重劣化的輸出激光的信噪比，隨后的光纖濾波模塊7的作用就是將半導體光放大器引入的自發(fā)輻射噪聲進行濾除，確保良好的光信噪比。此例中的光纖濾波模塊7采用的是一個定制的窄帶寬光纖濾波器。后面的光纖親合器8米用分光比為1:99，其中99%的端口作為激光輸出，1%的端口作為光電反饋端，其光束輸入到光電探測器9，通過光電探測器9將激光的剩余強度噪聲信號提取出來。此例中的光電探測器9為帶寬的15MHz的銦鎵砷光電二極管。獲取的噪聲信號經(jīng)過反饋控制系統(tǒng)10(可以采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，如PID控制)計算處理調(diào)整半導體光放大器的驅(qū)動電流，從而實現(xiàn)低頻段的強度噪聲抑制。最終通過半導體光放大器的非線性放大作用和光電反饋作用，可以實現(xiàn)寬帶寬(頻率范圍為0.8 kHz -50 MHz)的接近量子噪聲極限水平的強度噪聲抑制。
[0018]本實用新型通過激光飽和放大裝置可以降低輸出激光較寬頻帶的強度噪聲，并且對激光飽和放大裝置再進行反饋控制，從而可以進一步降低輸出激光強度噪聲以及拓寬強度噪聲抑制的頻率范圍，最終實現(xiàn)單頻激光器的強度噪聲在寬頻帶內(nèi)同時降低至肖特噪聲極限附近的效果。本實用新型簡單實用，可獲得寬帶寬強度噪聲接近肖特噪聲極限的單頻光纖激光源，在超高精度和超遠距離激光測距、光纖傳感以及原子和分子光譜學等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值。
【主權(quán)項】
1.寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其特征在于包括單頻光纖激光諧振腔(I)、波分復(fù)用器(2)、單模半導體栗浦光源(3)、光纖隔離器(4)、偏振控制器(5)、激光飽和放大裝置(6)、光纖濾波模塊(7)、光纖耦合器(8)、光電探測器(9)、反饋控制系統(tǒng)(10);單頻光纖激光諧振腔(I)與波分復(fù)用器(2)的公共端連接，波分復(fù)用器(2)的栗浦端與單模半導體栗浦光源(3)連接，波分復(fù)用器(2)的信號端與光纖隔離器(4)的輸入端連接，偏振控制器(5)的輸入端與光纖隔離器(4)的輸出端連接，激光飽和放大裝置(6)的輸入端連接偏振控制器(5)的輸出端，光纖濾波模塊(7)連接激光飽和放大裝置(6)的輸出端，光纖親合器(8 )的輸入端連接光纖濾波模塊(7 )的輸出端，光纖親合器(8 )的輸出小端連接光電探測器(9)，光電探測器(9)的輸出端與反饋控制系統(tǒng)(10)連接，反饋控制系統(tǒng)(10)連接激光飽和放大裝置(6)的調(diào)節(jié)端口構(gòu)成反饋控制回路，光纖耦合器(8)的輸出大端作為噪聲抑制后的激光輸出端;光纖親合器(8 )的所述輸出大端和輸出小端的具體大小由分光比確定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其特征在于:所述的單頻光纖激光諧振腔(I)的輸出為連續(xù)單頻、頻率調(diào)制的任意波長輸出的單頻激光。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其特征在于:所述的激光飽和放大裝置(6)為半導體光放大器，增益光纖放大器或非線性功率放大器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其特征在于:所述的光纖濾波模塊(7)為光纖窄帶濾波器、窄帶寬光纖光柵或F-P濾波器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶近肖特噪聲極限的單頻光纖激光強度噪聲抑制裝置，其特征在于:所述的單頻光纖激光諧振腔(I)的輸出激光經(jīng)過激光飽和放大裝置(6)后，由光纖親合器(8)分成兩部分，其中大端激光作為輸出，小端激光被光電探測器(9)轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號攜帶了輸出激光的強度噪聲信息，反饋控制系統(tǒng)(10)從接收到的電信號中提取出激光噪聲信號后，經(jīng)過PID控制處理，加載到激光飽和放大裝置(6)的調(diào)節(jié)端口上，通過負反饋控制的方式降低寬頻帶的激光強度噪聲。
【文檔編號】H01S3/0941GK205488991SQ201620102112
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月31日
【發(fā)明人】徐善輝, 楊中民, 趙齊來, 張遠飛, 馮洲明, 楊昌盛
【申請人】華南理工大學