TWI408858B - 全光纖式短脈波產生裝置 - Google Patents

Description

全光纖式短脈波產生裝置

本發明係關於一種光學短脈波產生技術，特別是指一種多共振腔之全光纖式短脈波產生技術。

高重複率的短光脈波信號在光電系統或量測上有很多應用，例如：光學頻率梳或光信號頻率的精確量測，因此成為一重要的技術課題。產生短光脈波的方法基本在於建構一光學共振腔，其係由一增益介質作為光能量放大機制的主體，並於該增益介質的兩側各設置一反射器，俾使當光能量傳播經過該增益介質，進行第一次放大作用而至反射器，該反射器將大部份的光能量反射，再次通過增益介質而進行第二次放大作用；當經過兩次放大機制作用的光能量傳播至另一反射器時，該反射器又將大部份的光能量反射，又再次通過增益介質而進行第三次放大作用；如此不斷反覆，使光能量重複經過增益介質而進行放大作用，由兩側的反射器提供光能量回授的機制，而達成光學共振及放大的機制與功效。

鎖模(Mode locking)為目前用以產生短光脈波的常用技術，其係採用特定方法使光學共振腔內縱模(Longitudinal mode)之間的相位差為定值，且振幅大小相等之彼此鎖相的狀態，使得縱模為等間隔分布且擁有固定相位，其光脈波寬度可達10^-13 秒等級；其主要分成主動鎖模、被動鎖模和混合鎖模，其中的被動式鎖模光纖雷射(Passively mode-locked fiber laser)因具有成本低、功率消耗低、強韌性高、穩定性佳的優勢，成為光學短脈波產生極具發展潛力的技術。為提高光脈波的重複率及減短其脈波寬度，光學共振腔為一基本的結構，使得多個光脈波能同時存在並循環傳播於其中，而達成諧波鎖模(Harmonic mode locking)，但其仍有脈波振幅變動不定的現象。此外，習知技術亦有提出外接一光學共振腔於光纖雷射的輸出端，而達到高重複率的光脈波信號，但其機構穩定性及共振腔長的製程容忍度仍需進一步改良。

為解決以上所述習知技術的缺失，本發明之一目的是提高光學短脈波產生裝置的穩定性及強韌性。

本發明之另一目的是提高光學短脈波產生裝置的脈波重複率，且能維持固定的脈波振幅。

本發明之另一目的是提高光學短脈波產生裝置之共振腔長的製程容忍度，以降低零組件及製程成本。

為達成上述之目的，在本發明的一方面揭示一種全光纖式短脈波產生裝置，其包括：一摻稀土族光纖(Rear-earth doped fiber)，作為一光學共振腔之增益介質；一第一光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating)，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之一端，以作為一第一反射器；一第二光纖布拉格光柵，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之另一端，以作為一第二反射器；及一單模光纖，其第一端連接至該第二光纖布拉格光柵，其第二端連接至一第三反射器，其反射率小於20%。較佳的，本裝置更包括一多波長光耦合器(WDM coupler)，其包括：一第一存取埠，連接至一幫激雷射光源；一第二存取埠，連接至該第一光纖布拉格光柵；及一第三存取埠，以輸出該光學共振腔的光能量。根據不同的應用，該摻稀土族光纖可摻入不同的稀土族元素，例如鉺或釹；並選用適當操作波長範圍之多波長光耦合器以及幫激雷射光源。

本發明的另一方面在所揭示之全光纖式產生裝置中，以該第一反射器至該第二反射器之間組成一主共振腔，並以該第二反射器至該第三反射器之間組成一副共振腔，適當設計該主共振腔與該副共振腔之間的尺寸關係，以提高脈波重複率及輸出脈波振幅的固定性或調變性。

為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後：請參照圖一，為根據本發明之全光纖式短脈波產生裝置的結構示意圖。一作為光學共振腔增益介質之單模摻稀土族光纖11，其二端各連接至一光纖布拉格光柵，分別作為光學共振腔兩側之第一反射器12及第二反射器13，另有一單模光纖14之第一端14a連接至該第二反射器13，其第二端14b連接至第三反射器15；二個光纖布拉格光柵必須具有相同的反射率頻譜中心波長，但可以具有不同數值的反射率(60%-90%)及反射率頻譜寬(小於0.5nm)；第三反射器15之反射率則小於20%。本實施例係提供一種多重式共振腔的光學裝置結構，在此以雙重式共振腔為例，第一反射器12及第二反射器13之間組成一主共振腔21，而第二反射器13至該第三反射器15之間組成一副共振腔22。

根據本發明之一實施例，選用波長980nm之雷射二極體作為幫激光源，目標為C波段(1530nm-1560nm)之輸出光脈波，則選用單模摻鉺光纖以及操作波段為980nm/1550nm之多波長光耦合器；選用相同的二個光纖布拉格光柵作為第一反射器12及第二反射器13，其反射率頻譜中心波長為1548.6nm、反射率約為80%、及頻譜寬約為0.2nm；第三反射器15則為垂直研磨於該單模光纖光軸之端面，所形成的反射率約4%。將波長980nm幫激光源17輸出之光能量耦合入一980nm/1550nm多波長光耦合器16之第一存取埠16a；該多波長光耦合器16之第二存取埠16b連接至一作為主共振腔21之第一反射器12的第一光纖布拉格光柵，該第一光纖布拉格光柵的另一端又連接至一摻鉺光纖之第一端11a，該摻鉺光纖之第二端11b連接至一作為主共振腔21之第二反射器13的第二光纖型布拉格光柵；一單模光纖14之第一端14a連接至該第二反射器13，其第二端14b研磨成垂直其光軸的端面而形成第三反射器15，第二反射器13至該第三反射器15之間則組成副共振腔22。多波長光耦合器16之第三存取埠16c則用以輸出該光學共振腔所產生的光脈波能量。

本實施例的所有組件皆採用光纖式的光元件，如此則該第一光纖布拉格光柵、摻鉺光纖、第二光纖型布拉格光柵及單模光纖，即構成一全光纖式之雙重共振腔，並且藉此達成提高光學短脈波產生裝置的穩定性及強韌性之目的。對於第一反射器12及第二反射器13，本實施例所採用者為相同操作波長的光纖布拉格光柵，其操作原理為：當一光波(順向光)傳播至光纖布拉格光柵時，會在沿著光柵上的各不同點上產生許多小的反射波，當此順向光的頻率等於或接近布拉格共振頻率時，該些小反射波將同調疊加而形成逆向光，而達成反射器的功效；此外，因布拉格光柵之有效滲透長度具有波長相關的特性，提供布拉格光柵諧振波長的自動調整，而使其所構成的光學共振腔長度因製程所致的差異達到補償效果，此即為共振腔長度的自匹配(Self-matching)效應；上述的機制能有效提高光學短脈波產生裝置之共振腔長的製程容忍度由習知技術的光波長等級(約1μm)至約1-2mm，並因而降低零組件及製程成本。

本實施例之雙重式共振腔，係使相互耦接的主共振腔21與副共振腔22各自產生的光脈波在其耦接處之反射器上，相互重疊而造成干涉，使光脈波受到相位調制而導致脈波重複率的提高以及脈波寬度的壓縮；其主共振腔長L1不小於其副共振腔長L2，且L1為L2的整數倍。主共振腔的基本共振頻率f1=c/(2nL1)，其中c為光速(3×10⁸ km/s)、n為光纖的有效折射率(約1.468)；並定義一參數：共振腔長度比率LR1=L1/L2=N1/N2，N1及N2皆為整數。當光學共振腔達到穩定的鎖模狀態時，N1個光脈波於主共振腔21中循環傳播，N2個光脈波於副共振腔22中循環傳播，且輸出之光脈波重複率將為主共振腔頻率f1的LR1(整數)倍，因而達到脈波重複率倍數的提高之功效。在另一實施例中，雙重式共振腔之主共振腔長L1不小於其副共振腔長L2，且L1為L2的非整數倍。同上述之參數定義，當N1與N2互為質數，且光學共振腔達到穩定的鎖模狀態時，輸出之光脈波重複率將為主共振腔頻率f1的N1倍，亦能達到脈波重複率倍數的提高之功效，但所產生之光脈波串列之振幅將易受到額外的調變作用而變動。

又另一實施例中，雙重式共振腔之主共振腔長L1小於其副共振腔長L2，且L2為L1的整數倍。定義另一共振腔長度比率LR2=L2/L1=N2/N1。當光學共振腔達到穩定的鎖模狀態時，輸出之光脈波重複率可為主共振腔頻率f1的LR2(整數)倍，達到脈波重複率倍數的提高之功效。又另一實施例中，雙重式共振腔之主共振腔長L1小於其副共振腔長L2，且L2為L1的非整數倍。同上述之參數定義，當N1與N2互為質數，且光學共振腔達到穩定的鎖模狀態時，輸出之光脈波重複率可為主共振腔頻率f1的N2倍，亦能達到脈波重複率倍數的提高之功效，但所產生之光脈波串列之振幅將亦易受到額外的調變作用而變動。

上述之諸實施例之第三反射器15亦可針對特定的用途或所要求的性能而選用較高的反射率，例如：反射率5-20%，其設計及製作可藉由選用一高折射率介電質，例如：TiO₂ 、Ta₂ O₅ 、ZnO、Nb₂ O₅ 、CeO₂ 或ZnS，及一低折射率介電質，例如：SiO₂ 、Al₂ O₃ 、MgO或La₂ O₃ ，並針對所需的反射率頻譜而於單模光纖14之垂直端面上交替鍍上適當厚度的高/低折射率介電質而形成多層膜反射器。在一較佳實施例中，選用反射率12%之介電質多層膜作為第三反射器15。

此外，上述之諸實施例亦可針對特定的用途或所要求的性能而選用其他種類的摻稀土族光纖11，例如：摻釹光纖，則該實施例之多波長光耦合器16及幫激雷射光源17必須對應選用適當的操作波長，例如：808nm/900nm之多波長光耦合器及780nm-830nm之雷射二極體，並設定第一反射器12及第二反射器13之光纖布拉格光柵的中心波長，以符合該實施例的目的。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

11‧‧‧摻稀土族光纖

11a‧‧‧摻稀土族光纖之第一端

11b‧‧‧摻稀土族光纖之第二端

12‧‧‧第一反射器

13‧‧‧第二反射器

14‧‧‧單模光纖

14a‧‧‧單模光纖之第一端

14b‧‧‧單模光纖之第二端

15‧‧‧第三反射器

16‧‧‧多波長光耦合器

16a‧‧‧多波長光耦合器之第一存取埠

16b‧‧‧多波長光耦合器之第二存取埠

16c‧‧‧多波長光耦合器之第三存取埠

17‧‧‧幫激光源

21‧‧‧主共振腔

22‧‧‧副共振腔

圖一 根據本發明一實施例之全光纖式短脈波產生裝置的 結構示意圖。

11．．．摻稀土族光纖

11a．．．摻稀土族光纖之第一端

11b．．．摻稀土族光纖之第二端

12．．．第一反射器

13．．．第二反射器

14．．．單模光纖

14a．．．單模光纖之第一端

14b．．．單模光纖之第二端

15．．．第三反射器

16．．．多波長光耦合器

16a．．．多波長光耦合器之第一存取埠

16b．．．多波長光耦合器之第二存取埠

16c．．．多波長光耦合器之第三存取埠

17．．．幫激光源

21．．．主共振腔

22．．．副共振腔

Claims (10)

1. 一種全光纖式短脈波產生裝置，其包括：一摻稀土族光纖，作為一光學共振腔之增益介質；一第一光纖布拉格光柵，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之一端，以作為一第一反射器；一第二光纖布拉格光柵，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之另一端，以作為一第二反射器；及一單模光纖，其第一端連接至該第二光纖布拉格光柵，其第二端連接至一第三反射器，其反射率小於20%；其中，該第一反射器至該第二反射器之間組成一主共振腔，該第二反射器至該第三反射器之間組成一副共振腔，該主共振腔長為該副共振腔長大於1的第一整數倍，使得該脈波產生裝置輸出之光脈波重複率為主共振腔共振頻率的第一整數倍；或是該副共振腔長為該主共振腔長大於1的第二整數倍，使得該脈波產生裝置輸出之光脈波重複率為主共振腔共振頻率的第二整數倍。
2. 如請求項1之全光纖式短脈波產生裝置，其中該第三反射器係為該單模光纖之垂直端面，其反射率約4%。
3. 如請求項1之全光纖式短脈波產生裝置，其中該第三反射器進一步包括一介電質多層膜，沉積於該單模光纖之垂直端面上，其反射率為5-20%。
4. 如請求項1之全光纖式短脈波產生裝置，更包括一多波 長光耦合器，其包括：一第一存取埠，連接至一幫激雷射光源；一第二存取埠，連接至該第一光纖布拉格光柵；及一第三存取埠，以輸出該光學共振腔的光能量。
5. 如請求項4之全光纖式短脈波產生裝置，其中該摻稀土族光纖係為摻鉺光纖，且該多波長光耦合器之操作波段為980nm/1550nm，且該幫激雷射光源為發光波長介於970nm-990nm之雷射二極體；或是該摻稀土族光纖係為摻釹光纖，且該多波長光耦合器之操作波段為808nm/900nm，且該幫激雷射光源為發光波長介於780nm-830nm之雷射二極體。
6. 一種全光纖式短脈波產生裝置，其包括：一摻稀土族光纖，作為一光學共振腔之增益介質；一第一光纖布拉格光柵，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之一端，以作為一第一反射器；一第二光纖布拉格光柵，其反射率為60%-90%，反射率頻譜寬小於0.5nm，連接至該摻稀土族光纖之另一端，以作為一第二反射器；及一單模光纖，其第一端連接至該第二光纖布拉格光柵，其第二端連接至一第三反射器，其反射率小於20%；其中，該第一反射器至該第二反射器之間組成一主共振腔，該第二反射器至該第三反射器之間組成一副共振腔，當有第三整數個光脈波循環傳播於該主共振腔中、第四整數個光脈波循環傳播於該副共振腔中，且 該第三整數與該第四整數互為質數的穩定鎖模狀態時，倘若該主共振腔長為該副共振腔長大於1的非整數倍，則該脈波產生裝置輸出之光脈波重複率為主共振腔共振頻率的第三整數倍；或是倘若該副共振腔長為該主共振腔長大於1的非整數倍，則該脈波產生裝置輸出之光脈波重複率為主共振腔共振頻率的第四整數倍。
7. 如請求項6之全光纖式短脈波產生裝置，其中該第三反射器係為該單模光纖之垂直端面，其反射率約4%。
8. 如請求項6之全光纖式短脈波產生裝置，其中該第三反射器進一步包括一介電質多層膜，沉積於該單模光纖之垂直端面上，其反射率為5-20%。
9. 如請求項6之全光纖式短脈波產生裝置，更包括一多波長光耦合器，其包括：一第一存取埠，連接至一幫激雷射光源；一第二存取埠，連接至該第一光纖布拉格光柵；及一第三存取埠，以輸出該光學共振腔的光能量。
10. 如請求項9之全光纖式短脈波產生裝置，其中該摻稀土族光纖係為摻鉺光纖，且該多波長光耦合器之操作波段為980nm/1550nm，且該幫激雷射光源為發光波長介於970nm-990nm之雷射二極體；或是該摻稀土族光纖係為摻釹光纖，且該多波長光耦合器之操作波段為808nm/900nm，且該幫激雷射光源為發光波長介於780nm-830nm之雷射二極體。