TW200843264A - Broadband fiber laser - Google Patents

Description

200843264 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種雷射裝置，特別是指一種寬頻光纖雷射 裝置。 【先前技術】 在習知技術中，掺铒光纖雷射最基本的架構就是 個反射鏡面組成的共振腔，搭配泵激光源及掺I耳先、纖戶斤、组 瞻成的共振腔增益介質，產生來回共振放大的效果。 请參考弟一圖所示’其係為習知技術之光纖雷射f置 之結構示意圖。光纖雷射裝置100係為一雙光纖光柵式共 振腔#斜光纖雷射，包括一泵激光源（Pumping s〇uree) 110、一光隔離器120、一分波多工耗合器130、—段換斜 光纖（Erbmm doped fiber，EDF) 140、一光纖光柵（flber Bragg grating，FBG) 150、另一光纖光柵160、應用裝置 180及一光譜偵測裝置π〇。 • 習知之光纖雷射裝置100之原理是利用掺铒光纖140 搭配泵激光源110，產生自發性放射之寬頻譜光源，接著 透過兩個反射波長相同的光纖光柵150、160，將符合中心 波長的信號在兩光纖光栅15〇、16〇間來回共振放大，一部 _ 分穿透的光由光纖光栅150輸出，而穿透出來的雷射光即 •為光纖雷射裝置100的輸出。 光纖雷射裝置100架構中，實施例之一是使用100 mw 的泵激光源Π0搭配5 m的掺铒光纖14〇，共振腔為兩個 反射波長為1550.4 nm的光纖光柵150、160，其中光纖光 5 200843264 柵150反射率為70 %，光纖光栅！60反射率則在99 %以 上，透過光譜偵測裝置170，可以得到此架構所產生的雷 射光輸出頻譜圖，如第二圖所示，其係為習知技術之光纖 雷射裝置輸出頻譜圖。其中，雷射輸出波長為155〇4nm， 雷射輸出功率(Output power)為6.0 dBm，旁模抑制比⑸de mode suppression ratio, SMSR)為 56·3 dB，3 dB 線寬為 0.05nm 以下。 在習知之光纖番射裝置100中，由於兩個光纖光栅 150、160的波長必須完全契合，因此只要波長一有漂移就 會造成輸出功率下降，而且當應用於波長可調式雷射時， 必須兩個中心波長都同步調整，容忍誤差在〇1 nm以下， 也造成使用上的不方便與困難度。 請簽照第三圖，其係為習知技術之光纖雷射裝置之結 構示意圖。光纖雷射裝置200係為一光循環器式線性共^ 月二格斜光纖’包括一泵激光源21 〇、一光隔離器220、一分 波多工耦合器230、一摻铒光纖240、一光循環器25〇、一 光纖光柵260、一光譜偵測裝置270及一應用裝置28〇。 利用光纖光柵260反射部分光回掺铒光纖24〇再次放 大，部分光則穿透光纖光栅260形成雷射光輸出，組成了 直線型的雷射共振腔，即所謂的光循環器式線性共振腔掺 铒光纖雷射。 1/ 、其中，光纖雷射裝置200係配置光隔離器22〇，以確 保殘餘的光功率不會反射回泵激光源21〇本身的輸出端， 避免造成泵激光源210的損壞。泵激光源21〇所提供的光 功率經過摻铒光纖產生增纽果的光訊號，再輛合進 入光循環器250的第2埠，藉由光循環器25〇的光學特性， 200843264 將經過第2埠輸入的光訊號耦合至第3埠。而且，將第3 埠與第1埠接續在一起，光訊號即可由第2埠經由第3埠 • 耦合入第1埠，再經由第〗埠耦合進入第2埠，以再經過 ‘ 摻餌光纖24〇 一次而增加光訊號放大的效果，即此時之光 说號之能量大於泵激光源210所提供之光功率。 光纖雷射裝置200利用光訊號經過掺铒光纖產生增益 效果，接著耦合進入光循環器250中，透過光纖連接光循 環器250的第3埠至光循環器250的第1埠，讓光訊號再 瞻經過掺餌光纖一次，如此經過二次放大的光訊號會透過光 纖光柵260的選取，部分光訊號反射再次進入由掺辑光纖 240及泵激光源210所組成的增益介質中，持續循環放大， 部分光訊號則穿透光纖光柵260即為雷射光輸出。其中， 由於光訊號可以兩次經過掺铒光纖240,使得泵激光源21〇 所提供之光功率更有效率的被使用，並提升轉換效率。 經過摻铒光纖240兩次放大後的光訊號進入分波多工 耦合器230後，利用分波多工的原理，此時在155〇 nm波 _ 段的光訊號將會與l48〇nm波段的殘餘光功率分離。經摻 鲜光械240放大的§fl號將進入光纖光拇260中，且由於光 訊號已經過兩次的放大，光訊號強度已經被增強，所以經 由光纖雷射裝置200後，在光纖光柵260的穿透端亦可以 • 取得所需要的雷射光，由光纖光柵260穿透端取出之雷射 • 光波長將與光纖光柵260的中心波長相同。 、光纖雷射裝置20〇中，一實施例是使用摻铒光纖長度 為3m，H8〇nm的泵激光源l00mW，光纖光柵反射率為 5〇 %，透過光譜偵測裝置170，可以得到此架構所產生的 雷射光輸出頻譜圖，如第四圖所示，其係為習知技術之光 7 200843264 纖雷射装置之輪出頻譜圖。觀察到雷射輪出波長為i543 〇 ，雷射fe出功率12.3 dBm，旁模抑制比為58 2犯，3犯 線寬小於〇·〇5 nm。 μ由方:光、截:射裝置200中的光循環器250將光訊號由 第1埠打I至第3埠會損失較多的能量，因此光纖雷射裝 置200輸出的雷射光效率會大打折扣。 此外，光纖雷射之光纖光柵反射率過高時，會使穿透 的雷射輸出信號功率降低m纖光栅的反射率過低 時，會造成反射回共振腔的光訊號功率不足，無法有效率 在共振腔㈣功率提升，也會造成雷射光賴出功i降 低，如何有效改善則成了目前需要改進的一個課題。 【發明内容】 射寬頻光纖雷射裝置’係以在内部設置-反 、、兄 一^ 一光纖光柵間所形成之共振腔中，先^ 曰 以在反射鏡面及光纖光栅之間來回反射並共振放^號付 泵汽m明所提供n施例’光纖雷射裝置包含 ?卜、光隔離器、分波多工耦合器、摻铒 光柵、反射鏡面。 夂铒先纖、光纖 合器至自泵激光源射出後’透過分波多工耦 摻斜光纖後裝置中的倾路徑上。光功率先激發 柵再將符人复 的先减冒灯經至光纖光柵，光纖光 面，以進:牛其長的窄頻帶之光訊號反射至反: 出符合光輸i Γ回光纖光概。最後，光纖雷射農置 、義先柵中心波長之窄線寬雷射光。 根辕本發明所提供之第二實施例，光纖雷射裂置包 200843264

泵激光源、光隔離器、分波多工輕合器、#^光纖、光纖 光柵、反射鏡面。 U 首先，當光功率自泵激光源射出後，透過分波多工耦 合器輕合至光纖雷射裝置中的傳輪路徑上。光功率先激發 摻斜光纖後’所產生的光赠u會投射至反射鏡面，再反^ 至光纖光栅。接著，域光娜符合其巾心波長的窄頻帶 之光说號再反射回反射鏡面n光纖雷射裝置輸出符 合光纖光柵之中心波長的雷射光。 根據本發明所提供之第三實施例，光纖雷财置包含 -對切換關、複數個光纖光柵、泵激光源、光隔離器、 分波多工耗合器、摻斜光纖、反射鏡面。其中每—個^ 光栅的原始中心波長不一樣。 '' 首先，當光功率自泵激光源射出後，透過分波多 ^器叙合至光纖雷射裝置中的傳輸路徑上。光功率先激^ =耳光纖後’所產生的光訊號會透献切換關來切齡 !一個路徑’以選擇進入切換路徑上的特定光纖光栅。、接 :，光纖光栅再將符合其中心波長之窄線寬反射至反射 步再反射回其中一個切換路徑上的光纖光柵。 目士其中’上述之第—至第三實施例中的光纖光柵可以係 ^固定中心波長的非波長可調式光纖光栅，也可以係呈 ~v:f正的中〜波長之波長可調式光纖光柵。而波長可:周 =光纖光柵’可透過適度的調整h = 長涵蓋的範圍。 认戰出波 9 200843264 【實施方式】 請參考第五圖所示’其係為本發明内容之第一實施例 之光纖雷射裝置之結構示意圖。本發明第一實施例之光纖 雷射I置300包含一泵激光源（pump 1 ight source ) 310、 一光隔離裔（isolator) 320、一分波多工（waveiength division multiplexing，WDM)耦合器（c〇upier) 330、 播斜光械340、一光滅光拇（f iber grat ing) 350、一 反射鏡面（reflection mirror) 360、一光譜偵測裝置370 及一應用裝置380 (光譜偵測裝置370、應用裝置380係為 輔助裝置）。 泵激光源310透過分波多工耦合器330，使泵激光源 310所發射出的一光功率得以注入光纖雷射裝置3〇〇中的 一傳輸路徑上，以進一步激發摻铒光纖。因此，泵激光源 310可以係一雷射二極體（iaser d1〇de)。 搭铒光纖340設置於上述之傳輸路徑中，利用其本身 之4寸性’當泵激光源31〇所提供的光功率傳輸至傳輸路徑 φ 中的摻铒光纖時，此光功率會激發摻铒光纖340，使摻餌 光纖340產生能量躍遷的現象，並且以自發性放射 (spontaneous emission )或受激放射（stimulated emission )的形式放射出具有寬頻光譜（br〇adband - 印ectrum)的輻射（radiation)光（光訊號），以產生同 . 調性佳的雷射光。 二除格斜光纖340外，凡可以在光纖系統中用來放大光 ▲號的增益光纖皆係本發明之範圍。 、厂光纖光柵350設置於上述之傳輸路徑中，用最佳的穿 透率及反射率使得投射至光纖光栅350上的光訊號作部份 10 200843264 穿透及部分反射。由於光纖光栅350具有其相對應的特定 中心波長’因此’當具有見頻光譜的光訊號投射至光纖光 柵350時，符合此中心波長的窄線寬波長將反射回去，而 不符合以此中心波長為中心的窄線寬之波長將被穿透出 去。光纟滅光撕350係為布拉格光拇（f iber Bmgg grating FBG)。 5 然而’假a又此光纖光糖3 5 〇係為非可調式之光纖光 柵，其允許反射之窄線寬波長將被侷限在較窄的範圍，使 得本發明之光纖雷射裝置300只能放射出單一種窄線寬之 雷射光。因此，為了使本發明之光纖雷射裝置3〇〇能經過 δ周整而放射出不同乍線覓之雷射光，以達到放射出寬頻言普 的雷射光。在此實施例中，此光纖光柵35〇可以改採用波 長可调式之光鐵光柵，透過不同方式與程度的調整，來改 變光纖光栅3 5 0的中心波長。 反身、」4¾面360没置於上述之傳輸路徑上，用以反射經 光纖光柵350反射回來的光訊號。只要反射鏡面36〇的反 射範圍能夠包含光纖光栅350之中心波長，無論是波長可 調式光纖光柵或非波長可調式光纖光柵，皆可與反射鏡面 360之間形成共振腔，使信號波長在反射鏡面36〇與光纖 光柵350之間來回共振放大，最後由光纖光柵35〇穿透形 成雷射輸出，而雷射的輸出波長即為光纖光柵之反射 波長。因此’反射鏡面360可以係一經過鍍上反射材料之 光纖端面，可以到達近乎·之反射率，歧使賴射率 (refractive mdex)與光纖差異較大之材料，以便在兩 者介面（Interface)處產生較大的反射。 由於光訊號會在光纖光柵350與反射鏡面36〇之間來 200843264 ，這樣的反射容易造成對系激光源 此，在本實施例中，在光功率 心a u ^ , . Λ+ 旱左入的路徑上設置了 一光隔 :;之 之殘餘光功率返回栗激雷射本體而 的支之架構中，—實施例是使用漏_ 勺泵/放光源310才合配3 m的換2 50 〇/〇，5 '350 生的雷射光輸出頻譜圖，如可以得到此架構所產 容之第-實施例之具有非^可\圖^纖=為本發明内 裝置之輸出頻顧。 打。収域先栅之域雷射 此具有非波長可調式先輪t ι 過光譜偵測謂所_^冊出之射f置透 功率她-，旁模抑制比 線Ϊ小於 G.G5 nmUbo.M nm4i&iUdB_ 置之解析極限）。 』'、泉見係為—般光譜偵測裝 而第六β圖則係為本發明内一— 光纖雷射裝置之輪出;：= 的波=r:::=r㈣在- ^ ^ 制功率h 6仙以内差異變動。 μ考第七_示，其係為 置，一果激光糊、一先隔離· 反射鎊Ϊ ^ 33Q、—摻辑光纖34〇、—光纖光柵35〇、一 〜 —先請偵測裝置37〇及一應用裝置380。 之栗I貫齡卿二實施例之Μ點在於1二實施例 政光源灿所提供之光功率透過分波多工麵合器330 12 200843264 注入傳輪路徑上的方向不同於第一實施例。 當栗激光源310透過分波多工耦合器330將光功率注 入傳輸路經時，光功率會激發摻餌光纖340，激發所產生 的光訊號會投射在反射鏡面360上，再反射至光纖光柵 350。滿足光纖光柵350中心波長的窄線寬波長將繼續被反 射回反射鏡面360上。 終由如此不斷地在反射鏡面360及光纖光柵350間來 回反射，並且泵激光源310持續輸出光功率，再加上每反 射一次都會經過摻餌光纖340及泵激光源310所組成的增 益介質而被放大，因此，最後光纖雷射裝置3〇1將輸出高 功率的雷射光。 门 在本發明之一實施例中，光纖光柵340係為非波長可 調式光纖光柵。由於光纖光柵340具有其相對應之中心波 r ’因此’當具有苋頻光譜的光訊號投射至光纖光柵34q 曰μ 付合光誠光拇3 5 0中心波長的窄頻帶之光訊號將反射 回去，而不符合光纖光柵350之中心波長的窄線寬光訊號 將被穿透出去◦最後，光纖雷射裝置3〇1將輸出符合光纖 光柵340之中心波長的窄線寬的雷射光。 在本發明之另一實施例中，光纖光栅35〇係為波長可 調式光纖光栅。由於光纖光柵350具有其相對應之可變的 中心波長範圍，因此，當具有寬頻光譜的光訊號投射至光 纖光柵350時，符合光纖光柵350中心波長的窄線寬的光 訊號將反射回去，而不符合光纖光柵350之中心波長的窄 線旯之光訊號將被穿透出去。最後，光纖雷射装置3 q 1合 根據適度的調整光纖光栅350:的中心波長，來決定輸出^ 合光纖光柵350中心波長的窄線寬的雷射光。 13 200843264 、/1芩考第八圖所示，其係為本發明内容之第三實施例 之光纖田射H置之結構示意圖。本發明第三實施例之光纖 雷_包含-栗激光源、410、一光隔離器420、一分 波多工輕合器430、—摻铒光纖440、一對光切換開關451、 452複數個光纖光柵（例如光纖光柵仙1、扣2)、一反射 鏡面470、一光譜偵測裝置48〇及一應用裝置49〇。 第二貫施例與第一實施例之不同點在於，第三實施例 新增了一對光切換開關451、452及複數個_光纖光柵，而每 一個光纖光柵的原始中心波長可適當選取。光切換開關 451與452係同步切換，並且具有複數個切換路徑。而光 纖光栅461、462則分別設置於上述之切換路徑上，根據光 切換開關451、452同步地切換，使得在傳輸路徑上傳輸的 光吼號每次可以傳輸到其中一個切換路徑上的光纖光柵 (光纖光栅461或光纖光柵462)。 在本發明之一實施例中，光纖光柵46卜462係為非波 長可調式光纖光柵。由於光纖光栅461、462皆有其相對應 之中心波長，因此，當具有寬頻光譜的光訊號投射至光纖 光柵461或462時，符合光纖光柵461或光纖光柵462中 心波長的窄線寬的光訊號將反射回去，而不符合光纖光柵 461或光纖光柵462中心波長的窄線寬之光訊號將被穿透 出去。最後，光纖雷射裝置400會根據光切換開關451、 452的切換，來決定輪出波長係為符合光纖光栅461中心 波長的窄線寬波長或是符合光纖光柵462中心波長的窄線 寬波長。 在本發明之另一實施例中，光纖光栅461、462係為波 長可調式光纖光柵。由於光纖光栅461、462皆有其相對應 14 200843264 =變的中4長範圍，因此，當具有寬航譜的光訊號 ^射至光纖光栅或462時，符合光纖光柵461或光纖 光，462中心波長範圍的窄線寬的光訊號將反射回去，而 光纖光柵461或光纖光栅462中心波長範圍的窄線 祕， 牙边出去。取後，光纖雷射裝置400會根 的切換，以及適度的調整光纖光栖 由^ e 的乍、、泉I之先矾號或是符合光纖光柵462 =波長的窄線寬之光訊號，以及決定輸出波長的頻帶範 夕個tn1置400之架構中，利用切換開關45:1、452及 二=長可調式光纖光栅間作適當之搭配，就可以達到延伸ί 長3 _乾圍，如第九圖所示，其係為本發明内容之第 二貫施例之光纖雷射裝置之輪屮 谷之弟 並聯，就可達軸波長可糊，進W整 =觸，此光_裝置的 在本發明内容中光纖雷射裝置·、3G1、4⑽ 共振腔㈤_vlty)，因此這 ^= :::長度短，且輪㈣射光之線寬小，== 立本發明内容所提供之優點在於，在光纖雷射 射1¾面及光纖光栅當作共振腔端面，使得 == 及反射鏡面之間來回反射，以形成共振腔。H光纖光柵 本發明内容所提供之另一優點在於’ 置一掺峨纖，使得光職麵振腔㈣雜置中設. W欠射8卞，得以透過 15 200843264 此摻铒光纖來放大。 ，發咖料提供之再—優點在於，在光雜射裝、 2倾面，可以容忍錢光栅之波長漂移，不需考慮兩根^ 、、、、柵對準之問題。甚至可以允許光纖光栅中心波長之改變， 4此雷射裝置變為價值性更高之波長可調寬頻光源。 -配，來達到延 本發軸容所提供之再—優點在於光纖雷職置中，可利 、'切換開關及多個波長可調式光纖光柵間的搭！ 伸輸出波長可調的頻帶範圍。 口 加 非 :圖^提供參考與說明用，並非用來對本發明 限制者。惟以上所述僅為本發明之較佳 明之專利範圍，故舉凡運用本發二說明書： 圖式簡單說明】 =-圖係為習知技術之光纖雷射I置之結構示意圖； 第二圖係為習知技術之光纖雷射裝置輸出頻譜圖； =三圖係為習知技術之光纖雷射I置之結構示意圖； =四圖係為習知技術之光纖雷射裝置輸出頻譜圖； :五！係為本發明内容之第_實施例之光纖 之結構不意圖； 可為本發_容^—實施例之具有非波長 J凋式先緘光栅之光纖雷射裝置之輪出頻譜圖； ，二=圖係為本發明内容之第—實施:之具有波長可 π 周式先緘光柵之光纖雷射裝置之輸出頻譜圖； 16 200843264 第七圖係為本發明内容之第二實施例之光纖雷射裝置 之結構不意圖， 第八圖係為本發明内容之第三實施例之光纖雷射裝置 之結構不意圖，以及 第九圖係為本發明内容之第三實施例之光纖雷射裝置 之輸出重疊頻譜圖。 【主要元件符號說明】

光纖雷射裝置 100, 200, 300, 301，400 栗激光源 110, 210, 310, 410 光隔離為 120,220,320,420 分波多工耦合器 130,230,330,430 摻铒光纖 140,240,340,440 光纖光柵 150，160,260,350,461，462 光循環器 250 反射鏡面 360,470 切換開關 451,452 光譜偵測裝置 170, 270, 370, 480 應用裝置 180,280,380,490 17

Claims (1)

1. 200843264 十、申請專利範圍： 1. 一種光纖雷射裝置’包含： 一泵激光源，用以提供一光功率；以及 一線性共振腔，包含一具有一增益光纖之傳導路徑， 該增益光纖受該光功率激發後產生一光訊號，並且 該光訊號在一反射鏡面與一光纖光柵之間來回反 射。 2. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 栗激光源係為一雷射二極體。 3. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 增益光纖係為一摻雜雷射活性材料之光纖。 4. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 增益光纖係為一掺铒光纖。 5. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 反射鏡面係為一鍍上反射材料之光纖端面。 6. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 光訊號穿過該增益光纖後，先投射至該光纖光柵，再 反射至該反射鏡面，以進一步再反射回該光纖光栅， 並重複上述步驟。 7. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 光訊號穿過該增益光纖後，先投射至該反射鏡面，再 反射至該光纖光柵，以進一步再反射回該反射鏡面， 並重複上述步驟。 8. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 光功率係透過一分波多工耦合器耦合至該傳導路徑 18 200843264 上。 9. 如申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該 光纖光柵係為一波長固定光纖光柵。 10. 申請專利範圍第1項所述之光纖雷射裝置，其中該光 纖光栅係為一波長可調式光纖光柵。 11. 一種寬頻光纖雷射裝置，包含： 一泵激光源，用以提供一光功率；以及 一線性共振腔，包含一具有複數個切換路徑及一增益 0 光纖之傳導路徑，一設置在該傳導路徑上之反射鏡 面，以及複數個分別設置在該些切換路徑上且具有 不同中心波長之光纖光柵，該共振腔透過該傳導路 徑，使一由該光功率激發該增益光纖所產生之光訊 號每經由其中一切換路徑而得以在該反射鏡面與該 些光纖光柵之間來回共振，以進一步放射出一雷射 光。 12. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 0 泵激光源係為一雷射二極體。 13. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 增益光纖係為一摻雜雷射活性材料之光纖。 14. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 • 增益光纖係為一掺铒光纖。 * 15.如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 反射鏡面係為一鑛上反射材料之光纖。 16.如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 光訊號穿過該增益光纖後，先投射至其中一個光纖光 19 200843264 柵，再反射至該反射鏡面，以進一步再反射回該光纖 光拇’並重複上述步驟。 17. 如申請專利範圍第16項所述之光纖雷射裝置，其中該 光訊號透過該些切換路徑間的切換，來選擇由其中一 個切換路徑上的光纖光栅來反射及穿透。 18. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 光功率係透過一分波多工耦合器_合至該傳導路徑 上。 19. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 光纖光柵係為一波長固定光纖光柵。 20. 如申請專利範圍第11項所述之光纖雷射裝置，其中該 光纖光柵係為一波長可調光纖光柵。

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