布里渊光纤环形激光器技术发展

1、第37卷,增刊 V01.37Supplement红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2008年9月 Sep.2008布里渊光纤环形激光器技术发展张萍萍,杨远洪,陈淑英(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京100191摘要:把光纤置于谐振腔内,利用光纤中的布里渊增益就构成光纤布里渊激光器。布里渊环形 激光器由于具有线宽窄、频率稳定、增益方向敏感等优点成为国内外研究的热点。介绍了该种激光 器产生的基础受激布里渊散射理论,对布里渊环形激光器的研究进展情况进行了综述,介绍了 各种布里渊环形腔结构的特点,最后探讨了该类激光器发展过程中存在的技术问题及其发展

2、前景。 关键词:布里渊环形激光器; 受激布里渊散射:进展中图分类号:TN248.1文献标识码:A 文章编号:10072276(2008增(激光探测.005806Technical development of B rillouin fiber ring laserZHANG Ping-ping,YANG Yuanhong,CHEN Shuying(School ofInstrument Science&Opto.electronics Engineering.Beihang University,Beijing 100191,ChinaAbstract:Placing fiber in

3、to resonator,brillouin laser can be implemented by brillouin gain in fiber.Brillouin ring laser attract interest from domestic and abroad because of the advantages of narrow linewidth,stable frequency, directional sensitivity of the stimulated brillouin scattering gain.Firstly,the theory of stimulat

4、ed brillouin scattering which is the basement of the laser was detailed.Furthermore the laser development was summarized and thecharacters of the brillouin ring resonator were showed.At last,thetechnology problemsand the prospects of the brillouin fiber ring laser were discussed.Key words:Brillouin

5、ring laser;Stimulated brillouin scattering(SBS;Development0引言在光纤通信中,受激布里渊散射(SBS通常被 认为是不利冈素。近年来,受激布里渊散射有利的一 面被得以应用。布里渊光纤激光器是基于光纤中受激 布里渊散射这种非线性效应的一种光纤激光器。有环 形腔和F-P腔两种结构。环形腔不需要腔镜,可以用 光纤定向耦合器构成。由于FP腔结构的布里渊光纤 激光器容易通过级联SBS产生高阶Stokes线,为了 避免通过级联SBS产生多条Stokes线。大多数布里 渊光纤激光器采用环形腔。布里渊光纤环形激光器是一种具有极窄线宽的 高相干光源。对于相

6、干光学通信,相干雷达检测及微 波电子学等需要窄线宽高相干激光光源的领域具有 重要应用。因为激光光源的相干特性对光学系统的设 计和性能起决定作用,布里渊环形激光器的研究备受 青睐,环形腔的结构及参数不断优化,技术问题也不 断得到解决,但对布里渊环形激光器的研究仍处于实 验室阶段,某些技术问题仍需要解决。随着相关技术 的发展布里渊激光器将日趋完善,逐步走向实用化、 产品化。收麓日期I 2008-06-06作奢筲介l张萍萍(1985一,女.山东济南人,硕士生。主要研究方向为光纤激光器技术。Email:zhangpin90605163.oom 辱膏介l杨远洪(1969一,男,湖北武汉人.教授,主要研究

7、方向为光纤传感器技术。Email:yhyang增刊 张萍萍等:布里渊光纤环形激光器技术发展 591受激布里渊散射理论布里渊散射,是指入射光波场与介质内弹性声波 场之间相互作用而产生的一种散射现象。其主要特 点是散射光的频率相对入射光频率发生变化,这种频 移量的大小与散射方向以及介质内的声速特性有关。 激光技术出现后,当以高单色高亮度定向的激光束入 射到为数相当多的不同光学介质中时,不但可以产生 很明显的布里渊散射效应,而且在一定条件下,可使 这种散射过程具有一系列崭新的特点(例如高增益性 阈值性、定向性、可实现持续振荡、可调谐性等, 这就是所谓受激布里渊散射过程。受激布里渊散射过程可经典地描述

8、为泵浦波、斯 托克斯波通过声波进行的非线性互作用。泵浦波通过 电致伸缩产生声波,然后引起介质折射率的周期性调 制。泵浦引起的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦 光,由于多普勒位移与以声速移动的光栅有关(声速 为屹,散射光产生了频率下移。同样,在量子光学 中,这个散射过程可看成是一个泵浦光子的湮灭,同 时产生了一个斯托克斯光子和一个声频声子。在这个 由于散射过程中能量和动量必须守恒,则3个波之间 的频率和波矢有以下关系:畔=ms+纵;七p=七。+七A (1式中:q和啦分别为泵浦波和斯托克斯波的频率, 七,和七。是泵浦波和斯托克斯波的波矢,声波频率咄 和波矢k是满足色散关系的声波的频率和波矢。纵=%

9、I七AI=2VAl露AIsin(0/2 (2式中:p为泵浦波与斯托克斯波之间的夹角。公式(2 表明,斯托克斯波的频移与散射角有关,更准确地说, 在后向(秒=7【有最大值,在前向(口=0它为零。在 单模光纤中,只有前、后向为相关方向,因此,SBS 仅发生在后向,且后向布里渊频移为:vB=2nv,/五 (3式中用到了kp=2nn/2p,其中,l为在泵浦波长无处 的折射率。若取屹=5.96kln/s,n=1.45,则对于石 英光纤,在乃=1.55p缸附近,=11GHz。 2布里渊环形激光器的研究进展首例连续波泵浦的环形光纤Brillouin激光器旧1由mLL K O等人在1976年完成,采用损耗为

10、100dB/km的光纤,构成长度为9.5m的环形激光器, 由于整个环形腔的损耗较高,故采用较短的光纤。但 因为腔内的往返损耗高达70%,其阈值约为250mW。 布里渊环形腔的主要优点是比以前所报告的受激布 里渊散射阈值低。且有连续的高转化效率。他们还将 腔截断证明了反馈可以降低布里渊增益阈值,并提出 用低损耗长光纤可以降低激光器阈值的假设。STOKES L F等人1982年提出全光纤环形腔【jJ, 如图1所示,用耦合器代替了腔镜,将耦合器的输入 输出端相连构成全光纤谐振腔。在腔中加入了偏振控 制器,降低了偏振扰动对阈值的影响,阈值功率下降 到了0.56mW,腔内的往返损耗仅为3.5%,如此低

11、的损耗使环形腔内的泵浦功率提高了30倍。Polarizationcontrolerl'umplaBcr图1全光纤环形腔Fig.1Allfiber ring resonatori 随后人们对由耦合器组成的全光纤布里渊激光 器的阈值及谐振腔参数进行了理论分析。比较著名的 是Bayel等人提出的理论I 4I,阐述了在抽运抽空情况 下受激布里渊散射的阈值功率,环形腔输出斯托克斯 光功率及转换效率。在低损耗、高精细度的光纤谐振 腔中SBS阈值只有几十微瓦。Stokes波输出功率随 光纤谐振腔的腔长变化不大,这是因为虽然腔长增加 可以降低阈值,但同时也降低了光纤谐振腔的精细 度。转换效率先随抽运光

12、能量的增加而增加,最后趋 于饱和。但这种理论只适用于高精细度腔的计算,对 于低精细度腔的计算会出现误差。 . 常规布里渊环形激光器谐振腔往往不按图1所 示,因为这种装置受光纤消光比的影响较大。Smith 等人阐述了用632.8nm激光泵浦的,线宽2kHz的 常规结构的受激布里渊散射环形激光器【5J。原理图如 图2所示,抽运光(标记为尸以逆时针方向耦合进红外与激光工程:激光探测、制导与对抗技术 第37卷单模光纤谐振腔。为了使抽运光在腔内具有最大的传输效率,抽运光由一个偏振器控制偏振方向使之与谐振腔的本征偏振态相匹配。抽运光的频率被一个反馈环控制在光纤谐振腔的谐振中心频率处。SBS激光(标记为8在

13、光纤谐振腔内沿顺时针方向传输,通过 ._一个方向耦合器从输出臂中耦合出来。常规布里渊环形激光器对泵浦光参数及光纤参数(例如泵浦光线宽,光纤消光比等比较敏感,受激布里渊散射阈值将会随这些参数的不同发生显著变化。图2常规布里渊环形激光器Fig.2Conventional Bdllouin ring laser同时,布里渊增益具有方向性,即只有后向散射光,基于此Smith等人提出了同腔布里渊环形激光器,采用两束抽运光同时泵浦,使两束光在腔内沿相反方向传输,所产生布里渊散射光同时耦合输出。同腔布里渊环形腔主要应用于布里渊光纤陀螺。常规布里渊环形激光器需要线宽窄,稳定性较高的激光器作为泵浦源,而此类泵浦

14、源价格较高,使得布里渊环形激光器性价比较低。Jae Chul Yong等人提出的用不平衡的马赫.曾德尔干涉仪作为耦合装置的布里渊环形激光器16】解决了这个问题,原理图如图3、图4所示,这种结构在常规分布反馈半导体激光器的泵浦下就能产生稳定的单频激光,即可以使用宽线宽的泵浦源,但此种布里渊环形激光器较常规的泵浦阈值要高,所以要求泵浦源输出功率要高。这种使用非平衡马赫一曾德尔干涉仪作为耦合装置,能够满足抽运光只在腔中传输一周,而SBS光在腔中传输多周并发生谐振,大大提高了输出SBS光的稳定性,适合于用作受激布里渊光纤陀螺的耦合装置。二Coupler Coupler图3泵浦光传输Fig.3Propa

15、gation of the pumpPort A 1:11:l Port C Coupler Coupler图4布里渊散射光传输 Fig.4Propagation of the stokes常规布里渊光纤环形激光器采用低损耗光纤谐 振腔,抽运光的模式要与谐振腔相匹配,输出激光功率 较小。Cowle等1997年提出了复合结构布里渊/掺铒 光纤激光裂¨。其增益是由掺铒光纤的线性增益以及 光纤中的受激布里渊散射非线性增益的综合,总增益 表现为非均匀加宽机制。图5为布里渊/掺铒光纤环 形激光器。当一个窄带布里渊抽运注入到单模光纤 中,在顺时针方向产生一个很窄的布里渊增益。此时, 由于谐振腔的

16、损耗不能产生SBS激光。掺铒光纤的 980nm抽运光注入后也产生增益,可以补偿谐振腔的 损耗,从而产生SBS激光。光隔离器的作用是阻止 布里渊抽运光进入掺铒光纤。掺铒放大布里渊光纤环 形激光器可以使用高损耗谐振腔,抽运光的模式无需 与谐振腔相匹配,而且输出功率较大。添加一定的装 置后可以实现等频率间隔的多波长输出。B图5布里渊,掺铒光纤环形激光器Fig.5Brillouin/Erbium fiber ring laser普通光纤的非线性系数较小,所以布里渊增益较 小,而小模面积PCF具有超强的非线性特性,因此 具有较高的布里渊增益。池灏等人利用了PCF的高 非线性,提出了一种基于小纤芯光子晶体

17、光纤(PCF 的环形腔布里渊光纤激光器(图6181。在环路中加 入了掺铒光纤放大器和光滤波器,抵消了光纤环路的 损耗,削减了掺铒光纤的受激辐射。实验结果表明, 应用该激光器只需25m的小纤芯PCF就可实现稳定增刊 张萍萍等:布里渊光纤环形激光器技术发展 61的布里渊激光输出,并且输出激光的主要能量来源是环中的掺铒光纤放大器。在此结构中,采用可调谐的光滤波器,可实现可调谐的布里渊激光输出。目前PCF的制造技术还不成熟,随着PCF的制造工艺改进,传输损耗和融接损耗降低到和现在普通光纤可以比拟的水平,泵浦效率可以得到进一步提升。图6光子晶体光纤环形激光器Fig.6Photonic crystal f

18、iber ring laser布里渊环形激光器输出的稳定性一直是布里渊光纤陀螺的致命弱点。Ji Hong Geng等人将PoundDrever.Hall锁频技术使用到布里渊环形激光器【9】,见图7,报道了超窄线宽的单频布里渊光纤环形激光器。该激光器由一单频率窄线宽快速调谐泵浦光源,一个温控的、声阻尼包层的光纤环形激光腔和一个主动稳定的结构新颖的可自动跟踪反馈电子回路组成。PoundDrever-Hall锁频技术用于保持泵浦光(a调节泵浦光稳频装置(aFrequency stabilization by modulation of the pump laser(b调节谐振腔腔长稳频装置CoFre

19、quency stabilization by modulation of coil length图7单频窄线宽布里渊环形激光器Fig.7Singlefrequency Brillouin ring laser with IIalTOW linewidth频率与布里渊光纤环形腔的模式匹配。在a图结构 中,不用改变布里渊光纤环形激光器的腔长,泵浦光 频率在自动跟踪反馈电子回路中快速调节。这使得布 里渊光纤环形激光器产生极窄线宽辐射光而不需要 延长光纤。在(b环形谐振腔中采用压电陶瓷器件PZT 对腔长进行调制。从而补偿泵浦光大的频率波动保持 与腔的某一模式相匹配。使得该激光器可以实现一定 调谐范围

20、内的可变波长输出。同时,也可以起到稳频 的作用。3布里渊环形激光器主要技术问题和发展前景 3.1布里渊环形激光器的主要技术问题及解决方法 近年来国外对布里渊环形激光的技术研究不断 发展,一些基本的技术问题得到解决,但没有取得突 破性进展。国内对于布里渊环形激光器的研究比较缓 慢。这是因为对于短光纤(1040m,环形激光 器可以以窄线宽的单纵模的形式稳定运行。但需要高 稳定性(包括工作波长稳定和输出功率稳定、窄线 宽、大功率的激光器,才能在长度较短的光纤中产生 SBS效应。如果想要在一定长度的普通单模光纤内产生 SBS效应,则需要的抽运激光功率要高一倍之多¨叭1I。 相反,长光纤(大于

21、几百米布里渊环形激光器一般 运行在多纵模方式,这是导致先前布里渊散射激光器 输出不稳定的主要原因。有人指出这种激光器需要主 动腔内稳定,才能实现连续运转。模式的个数随光纤 长度的增加而增加,且激光输出会变得具有周期性, 在某些条件甚至是混沌的。总之,布里渊激光要想成 熟地走向实用化,商品化,许多问题尚待深入探讨。 (1对光纤中布里渊散射的理论研究基本上处 于对长光纤的研究阶段,而为了得到稳定的单频激光 输出,选取光纤谐振腔的自由光谱范围应大于布里渊 增益,这就要求使用的光纤较短。短光纤中产生受激 布里渊散射比长光纤中要困难,而且谐振腔中光纤的 受激布里渊散射与常规光纤中的布里渊散射又表现 出不

22、同的特性,所以完善布里渊环形激光器的理论是 研究中的一个重要问题。(2开发大功率的布里渊环形激光器还存在困 难:布里渊环形激光器的输出功率比较低,主要是受 到泵浦源功率和谐振腔特性的限制。高功率、窄线宽 激光光源有利于布里渊激光器高功率输出,但会提高 布里渊环形激光器的生产成本。而且由于腔长较短,62红外与激光:r-hi:激光探测、制导与对抗技术 第37卷激光输出功率必然受到限制。(3偏振波动的问题Il 2I:在光纤谐振腔中经过 一个循环而不改变其偏振状态的这种特殊偏振态称 为偏振本征状态。在一般情况下,光纤环形谐振腔中 有两个偏振本征态,两者互相垂直。由于环境温度等 因素的变化会使光纤中的双

23、折射发生变化,因此两个 偏振本征态的传播常数发生变化,引起两个谐振峰之 间的间隔变化,而这种变化对于两个相反方向传播光 束波来说不是完全一致的,因此,可能在输出激光中 造成偏振扰动,且由于相反方向传输光的偏振态变化 的不一致性导致布里渊散射阈值提高一倍。现有的解 决措施主要有:1在光纤的导引部分或是光纤环中安放两个偏 振控制器;2单偏振单模光纤组成的环形谐振腔;3由衔接处使用90度偏振轴旋转的保偏光纤组 成的环形谐振腔。在光纤中点处将光纤偏振轴旋转 90度,这样本来沿慢轴方向的光束在通过“2后进入 快轴,在理想情况下谐振峰峰值间隔恰好为7【; 4由写入光诱导双折射光栅的保偏光纤组成的 谐振腔;

24、5除了前面提到的方法外,还有采用偏振面补 偿装置、退偏棱镜等方案。总之,要消除偏振波动的 影响,最好采取全保偏光纤谐振腔,即使用保偏光纤 和保偏耦合器等。(4添加一定调谐装置后的布里渊环形激光器 是一种特殊的全光纤调谐激光器,全光纤调谐激光器 稳定性的提高将是未来理论研究和实验研究的一大 重点ll引,可调谐激光器无论是驻波型还是行波型, 激光震荡的模式和自脉动现象都严重影响激光输出 的稳定性,这涉及激活介质的特性和模式竞争等问 题,理论和技术问题都比较复杂。未来的研究应该搞 清全光纤调谐激光器输出稳定性的物理机制,并寻求 相应技术措施在主动稳频技术方面提出发展。当今应 用于布里渊环形激光器的稳

25、频技术是 Pound.Drever-Hall锁频技术憎J。(5增大布里渊环形激光器调谐范围的研究:基于布里渊散射的光纤传感器等许多科学技术和实 际应用领域需要更宽调谐范围的全光纤调谐激光器。 布罩渊环形激光器采用外部光学反馈的调谐技术,调 谐范围比通过改变工作温度与工作电流来改变波长 的调谐技术有了很大的改善。但为了适应实际需求仍 需要拓宽调谐范围:一是通过改变外部光学反馈装置 来加宽调谐范围。二是利用光谱展宽、温度、应力等 方法拓宽SBS带宽以适应更大调谐范围的要求。 3.2布里渊环形激光器的发展前景因单频布里渊环形激光器具有窄线宽,高稳定输 出的特性,将会受到人们越来越多的重视。光纤通信 相关领域技术的发展,窄带抽运源、特种光纤、新型 高效耦合器等技术和器件的相继面世,给受激布里渊 光纤环形激光器奠定了发展基础。其技术上将会取得 很大进展:1通过优化腔的参数,改用新型窄线宽、高功 率光纤激光器作为抽运源,布里源环形激光器的输出 功率和斜率效率会进一步提升,线宽会进一步压窄; 2通