要約：ダブルファイバグレーティングファブリペロー（FBG F-P）キャビティモード選択を使用した、線形キャビティ構造を備えた狭線幅ファイバレーザが開発されました。 レーザーは、高コヒーレントテクノロジーと組み合わせた高ドープEr3 +ファイバーをゲインメディアとして使用し、全ファイバーファラデー回転子（FR）を使用して空間的なホールバーニング効果を抑制し、2つの短いFBG F-Pキャビティを選択して安定した1550を生成します。 Nm単一周波数レーザー出力。 976 nm LD励起モードが採用され、励起光パワーが145 mWの場合、しきい値励起光パワーは11 mW、出力信号光パワーは73 mWです。 光から光への変換効率は50％、スロープ効率は55％です。 遅延線セルフヘテロダイン法は、ファイバーレーザーの線幅を正確に測定するために使用され、実験では、10 kmのシングルモードファイバー遅延線が使用されます。測定精度の限界により、線幅は10 kH未満です。 研究によると、このファイバーレーザーは、高出力ファイバー、狭い線幅、高い信号対雑音比の特性を備えており、高精度の光ファイバーセンサーシステムで使用できます。
1はじめに
ファイバーレーザーセンサーソースとして、狭い線幅のファイバーレーザーには、電磁場への干渉、安全性、小型サイズ、およびリモートコントロールの特性があります。現在、単一の縦モードの狭い線幅のファイバーレーザーを取得するための3つのオプションがあります。 1）キャビティ内で発生する光波の偏光状態を制御することにより、定在波効果による空間的ホールバーニングのインコヒーレント技術を排除します; 2）周波数を選択するためにレーザーキャビティに非励起ドープファイバを追加し、モードホッピングの飽和吸収を抑制します3）DFBファイバーレーザーおよび短キャビティDBRファイバーレーザーを含む短キャビティファイバーレーザー。 3つのスキームを比較すると、スキーム1と2は複数の偏光コントローラーを使用する必要があり、それらのほとんどは環状キャビティ構造であり、制御が難しく、変換効率が低く、出力電力が非常に低いです。スキーム3は構造が単純で、出力電力が200 mWを超えています。スロープ効率が24％であるため、短ゲインファイバで高出力パワーを実現するためのポンピング方法と、特別なパッケージの実装方法に問題があります。中国では超短キャビティDBR構造ファイバーレーザーも研究されていますが、レーザー効率は低く、出力は最大で11 mWであり、線幅はMHz範囲に制限されています。
この論文では、デュアルファイバグレーティングブライアペロー（FBG F-P）キャビティモード選択を備えた高ドープEr 3+リニアキャビティ狭線幅ファイバレーザを開発しました。ファイバーレーザーは、非コヒーレント技術、高出力、高エネルギー変換効率、狭い線幅、シンプルな構造、フルファイバー、高精度のファイバーセンシングシステムに適用できる高い信号対雑音比を兼ね備えています。
2 狭線幅ファイバーレーザーの実験結果
ファイバーレーザーは、主に2つのFBG F-Pキャビティと高ドープのEr3 +ファイバーリニアキャビティで構成されています。実験装置を図1に示します。 レーザーのゲイン媒体は、3 mの長さ、978 nmで17 dB / mのピーク吸収係数、および1 550 nmで30 dB / mのピーク吸収係数を持つ、高度にドープされたEr 3+ファイバーです。 実験では、双方向励起法を採用し、励起源は中心波長976 nmのLDであり、LD 1とLD 2の最大励起パワーはそれぞれ76 mWと69 mWでした。 マルチ縦モード発振を引き起こす線形キャビティ構造のスペースホールバーニング効果により、全ファイバー構造のファラデー回転子（FR）は、90bだけ通過する往復ビームの偏光状態を変更し、ファイバーレーザーのステーションを破壊する可能性があります。 波の形成条件は、空間的なホールバーニング効果を抑制します。
FBG F-Pキャビティの構造を図2に示します。 FBG F-Pキャビティは、グレーティング間の距離が1 cmで、キャビティ全体の長さが5 cm以下の一般的なシングルモードファイバにエッチングされます。 帯域幅A SEソースで測定されたFBG F-Pキャビティ反射スペクトルを図3に示します。 FBG F-P Iは、反射率50％、全反射率80％の2つのFBGで構成され、FBG F-P IIは、反射率80％、全反射率99％の2つのFBBで構成されています。 実験では、FBG F-Pキャビティは、キャビティミラーと挿入としてのF-Pキャビティ選択の機能であり、これはレーザーの完全なファイバ化を実現するのに有益です。 FBG FPキャビティの出力ラインの数は、FPキャビティのキャビティ長とFBGの反射帯域幅によって決まります。FBGFPキャビティのキャビティ長が短くなるほど、出力ライン間隔が大きくなり、FBGの反射帯域幅が狭くなり、FPキャビティが対応できます モードの数が少ないほど、通常のFPキャビティよりも周波数選択特性が優れています[13、14]。 最後に、ゲインの飽和により、いくつかの縦モードのモード競合では、中心周波数の単一縦モードが支配的になり、最後に単一縦モードのレーザー出力が得られます。
実験記録用のAndo6319スペクトルアナライザーでは、分光計の最高精度は0.01 nmです。 出力光パワーは、光パワーメーターを使用して正確に測定されます。 ポンピングパワーが11 mWになると、レーザーが発振し始めます。 ポンプ出力が増加すると、安定したスペクトル線が得られ始め、ラインの3 dBの線幅はポンプ出力の増加の影響を受けません。 図4は、5 nmのスキャン範囲と0.01 nmの精度の出力スペクトルです。 分光計の出力のレーザー中心波長は1 550 nm、3 dBの線幅は0.01 nm未満、S / N比は50 dBを超えます。 1 nmの連続観測では、レーザーにはモードホッピング現象がなく、波長ドリフト範囲は0.01 nm未満です。 励起パワーが最大145 mWの場合、出力パワーは73 mW、光から光への変換効率は50％、スロープ効率は55％です。 図5は、出力をポンプ出力の関数として示しています。 図からわかるように、出力電力はポンピング電力の増加に比例して変化します。
3セルフヘテロダイン線幅測定実験結果
現在、遅延自己ヘテロダイン/ゼロ差分光法を使用して、kHz級レーザーの線幅を測定しています。自己ヘテロダイン法と比較した自己ゼロ差分法では、周波数シフターを使用する必要はありませんが、標準のRFスペクトラムアナライザーを使用して直接測定することはできません。改善されたセルフゼロ差測定システム[15]は、位相変調器とローカルRF発振器の追加を必要としますが、これはヘテロダイン測定システムの構造よりも複雑です。正確なレーザーの線幅を取得するために、遅延自己ヘテロダイン方式が選択され、ファイバーレーザーの線幅が測定されます。
図6に示すように、遅延自己ヘテロダイン方式の実験システム。実験システム全体は、10 kmのシングルモードファイバー遅延線、中心周波数70 MHzの音響光学周波数シフター、2つの1 @ 2タイプ3 dBファイバーカプラー、光検出器、およびAD-VANTEST R3267 RFスペクトルアナライザーで構成されています。 。遅延自己ヘテロダイン測定法の測定精度は、ファイバ遅延線の長さに関係し[16]、計算によると、10 km長のファイバ遅延線の測定精度は10 kHzです。スペクトルの3 dB帯域幅は5 kHzですが、ファイバーレーザーの3 dB線幅は、測定精度により10 kHz未満であると見なされます。
4結論
非コヒーレントテクノロジーと組み合わせて、単一の縦モード狭線幅ファイバーレーザーは、全ファイバーFRを使用した2つの短いFBG F-Pキャビティモード選択を使用して開発され、空間的ホールバーニング効果を抑制しました。 パワー出力特性が示されており、スレッショルドポンピングパワーは11 mW、出力信号光パワーは73 mW、スロープ効率は55％です。 レーザー出力の中心波長は1550 nmで、スペクトルは安定しており、信号対雑音比は高いです。 遅延セルフヘテロダインの線幅測定は、10 kmのシングルモードファイバー遅延線を使用して実行されましたが、測定精度の制限により、ファイバーレーザーの3 dB線幅は最終的に10 kHz未満でした。
1はじめに
ファイバーレーザーセンサーソースとして、狭い線幅のファイバーレーザーには、電磁場への干渉、安全性、小型サイズ、およびリモートコントロールの特性があります。現在、単一の縦モードの狭い線幅のファイバーレーザーを取得するための3つのオプションがあります。 1）キャビティ内で発生する光波の偏光状態を制御することにより、定在波効果による空間的ホールバーニングのインコヒーレント技術を排除します; 2）周波数を選択するためにレーザーキャビティに非励起ドープファイバを追加し、モードホッピングの飽和吸収を抑制します3）DFBファイバーレーザーおよび短キャビティDBRファイバーレーザーを含む短キャビティファイバーレーザー。 3つのスキームを比較すると、スキーム1と2は複数の偏光コントローラーを使用する必要があり、それらのほとんどは環状キャビティ構造であり、制御が難しく、変換効率が低く、出力電力が非常に低いです。スキーム3は構造が単純で、出力電力が200 mWを超えています。スロープ効率が24％であるため、短ゲインファイバで高出力パワーを実現するためのポンピング方法と、特別なパッケージの実装方法に問題があります。中国では超短キャビティDBR構造ファイバーレーザーも研究されていますが、レーザー効率は低く、出力は最大で11 mWであり、線幅はMHz範囲に制限されています。
この論文では、デュアルファイバグレーティングブライアペロー（FBG F-P）キャビティモード選択を備えた高ドープEr 3+リニアキャビティ狭線幅ファイバレーザを開発しました。ファイバーレーザーは、非コヒーレント技術、高出力、高エネルギー変換効率、狭い線幅、シンプルな構造、フルファイバー、高精度のファイバーセンシングシステムに適用できる高い信号対雑音比を兼ね備えています。
2 狭線幅ファイバーレーザーの実験結果
ファイバーレーザーは、主に2つのFBG F-Pキャビティと高ドープのEr3 +ファイバーリニアキャビティで構成されています。実験装置を図1に示します。 レーザーのゲイン媒体は、3 mの長さ、978 nmで17 dB / mのピーク吸収係数、および1 550 nmで30 dB / mのピーク吸収係数を持つ、高度にドープされたEr 3+ファイバーです。 実験では、双方向励起法を採用し、励起源は中心波長976 nmのLDであり、LD 1とLD 2の最大励起パワーはそれぞれ76 mWと69 mWでした。 マルチ縦モード発振を引き起こす線形キャビティ構造のスペースホールバーニング効果により、全ファイバー構造のファラデー回転子（FR）は、90bだけ通過する往復ビームの偏光状態を変更し、ファイバーレーザーのステーションを破壊する可能性があります。 波の形成条件は、空間的なホールバーニング効果を抑制します。
FBG F-Pキャビティの構造を図2に示します。 FBG F-Pキャビティは、グレーティング間の距離が1 cmで、キャビティ全体の長さが5 cm以下の一般的なシングルモードファイバにエッチングされます。 帯域幅A SEソースで測定されたFBG F-Pキャビティ反射スペクトルを図3に示します。 FBG F-P Iは、反射率50％、全反射率80％の2つのFBGで構成され、FBG F-P IIは、反射率80％、全反射率99％の2つのFBBで構成されています。 実験では、FBG F-Pキャビティは、キャビティミラーと挿入としてのF-Pキャビティ選択の機能であり、これはレーザーの完全なファイバ化を実現するのに有益です。 FBG FPキャビティの出力ラインの数は、FPキャビティのキャビティ長とFBGの反射帯域幅によって決まります。FBGFPキャビティのキャビティ長が短くなるほど、出力ライン間隔が大きくなり、FBGの反射帯域幅が狭くなり、FPキャビティが対応できます モードの数が少ないほど、通常のFPキャビティよりも周波数選択特性が優れています[13、14]。 最後に、ゲインの飽和により、いくつかの縦モードのモード競合では、中心周波数の単一縦モードが支配的になり、最後に単一縦モードのレーザー出力が得られます。
実験記録用のAndo6319スペクトルアナライザーでは、分光計の最高精度は0.01 nmです。 出力光パワーは、光パワーメーターを使用して正確に測定されます。 ポンピングパワーが11 mWになると、レーザーが発振し始めます。 ポンプ出力が増加すると、安定したスペクトル線が得られ始め、ラインの3 dBの線幅はポンプ出力の増加の影響を受けません。 図4は、5 nmのスキャン範囲と0.01 nmの精度の出力スペクトルです。 分光計の出力のレーザー中心波長は1 550 nm、3 dBの線幅は0.01 nm未満、S / N比は50 dBを超えます。 1 nmの連続観測では、レーザーにはモードホッピング現象がなく、波長ドリフト範囲は0.01 nm未満です。 励起パワーが最大145 mWの場合、出力パワーは73 mW、光から光への変換効率は50％、スロープ効率は55％です。 図5は、出力をポンプ出力の関数として示しています。 図からわかるように、出力電力はポンピング電力の増加に比例して変化します。
3セルフヘテロダイン線幅測定実験結果
現在、遅延自己ヘテロダイン/ゼロ差分光法を使用して、kHz級レーザーの線幅を測定しています。自己ヘテロダイン法と比較した自己ゼロ差分法では、周波数シフターを使用する必要はありませんが、標準のRFスペクトラムアナライザーを使用して直接測定することはできません。改善されたセルフゼロ差測定システム[15]は、位相変調器とローカルRF発振器の追加を必要としますが、これはヘテロダイン測定システムの構造よりも複雑です。正確なレーザーの線幅を取得するために、遅延自己ヘテロダイン方式が選択され、ファイバーレーザーの線幅が測定されます。
図6に示すように、遅延自己ヘテロダイン方式の実験システム。実験システム全体は、10 kmのシングルモードファイバー遅延線、中心周波数70 MHzの音響光学周波数シフター、2つの1 @ 2タイプ3 dBファイバーカプラー、光検出器、およびAD-VANTEST R3267 RFスペクトルアナライザーで構成されています。 。遅延自己ヘテロダイン測定法の測定精度は、ファイバ遅延線の長さに関係し[16]、計算によると、10 km長のファイバ遅延線の測定精度は10 kHzです。スペクトルの3 dB帯域幅は5 kHzですが、ファイバーレーザーの3 dB線幅は、測定精度により10 kHz未満であると見なされます。
4結論
非コヒーレントテクノロジーと組み合わせて、単一の縦モード狭線幅ファイバーレーザーは、全ファイバーFRを使用した2つの短いFBG F-Pキャビティモード選択を使用して開発され、空間的ホールバーニング効果を抑制しました。 パワー出力特性が示されており、スレッショルドポンピングパワーは11 mW、出力信号光パワーは73 mW、スロープ効率は55％です。 レーザー出力の中心波長は1550 nmで、スペクトルは安定しており、信号対雑音比は高いです。 遅延セルフヘテロダインの線幅測定は、10 kmのシングルモードファイバー遅延線を使用して実行されましたが、測定精度の制限により、ファイバーレーザーの3 dB線幅は最終的に10 kHz未満でした。
低濃度エルビウム添加ファイバシングルステージシングルパスCバンドソースの実験的研究を使用した実験概略図を示します。
