CN108306166B - 一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，该激光器包括泵浦源、波分复用器、光隔离器、增益光纤、偏振控制器、可调谐窄带选模单元和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述光耦合器的后方连接有一光谱分析仪，泵浦源经波分复用器与光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与增益光纤相连，增益光纤的输出端依次通过偏振控制器、可调谐窄带选模单元、光耦合器，其中一定比例的光反馈回到光纤谐振腔内提供激光腔内增益。本发明采用具有强热效应、体积小、全光纤、结构简单、制作成本低的特种光纤花生结作为可调谐窄带选模单元，实现了具有较高单色性、紧凑性、稳定性以及波长大范围可调谐的全光纤激光输出。

Description

一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，可用于光纤激光器技术领域。
背景技术
窄带可调谐光纤激光器具有相干性好、波长灵活和使用寿命长等优势，在光纤通信、光纤传感和光谱分析等领域具有重要的应用价值。目前，针对信号传输容量的不断扩大以及传输的信道数目不断增加等实际需求，如何实现波长稳定、可调谐、相干性高的光纤激光是本领域的研究热点。
实现激光器波长可调谐的方法主要包括自由空间选模以及全光纤选模。前者通过在激光谐振腔中加入F-P腔、声光滤波器等非光纤滤波器件，具有成本高，结构复杂、体积大等缺陷。全光纤方法主要是将可调谐光纤光栅、双芯光纤、光子晶体光纤等光纤耦合器件引入光纤激光谐振腔内进行全光纤激光选模，具有相对低的损耗，结构紧凑，提高了激光器的灵活性与效率。其中，以长周期光纤光栅为代表的可调谐光纤光栅，制作成本相对较高，并且受光纤光栅本身应变特性的限制，很难获得大的激光器波长调谐范围。双芯光纤实现的激光器易受外界环境影响，稳定性降低，并且边模抑制比较低，通常仅为30dB左右。
因此，研究并实现一种低成本、稳定性高、结构紧凑，并且波长大范围可调谐的光纤激光器具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、光隔离器、增益光纤、偏振控制器、可调谐窄带选模单元和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述光耦合器的后方连接有一光谱分析仪，所述泵浦源经波分复用器与光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与增益光纤相连，所述增益光纤的输出端依次通过偏振控制器、可调谐窄带选模单元、光耦合器，其中一定比例的光反馈回到光纤谐振腔内提供激光腔内增益。
优选地，在所述偏振控制器和光耦合器之间设置有温度控制器，所述可调谐窄带选模单元放置于温度控制器内部。
优选地，所述可调谐窄带选模单元为特种光纤花生结结构，所述特种光纤花生结结构由单模光纤和特种光纤熔融耦合连接而成。
优选地，所述特种光纤花生结结构包括单模光纤输入端、第一个花生结、稀土光纤、第二个花生结和单模光纤输出端。
优选地，所述第一个花生结包括第一单模光纤小球和第一特种光纤小球，所述第二个花生结包括第二特种光纤小球和第二单模光纤小球。
优选地，所述第一单模光纤小球、第一特种光纤小球、第二特种光纤小球和第二单模光纤小球均由加热熔融光纤尾纤制备获得。
优选地，半导体激光器发出的入射光从第一段标准单模光纤纤芯入射，在第一级特种光纤花生结熔接点处，由于芯径的不匹配，一部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，另一部分光保持在光纤纤芯中传输，在第二级特种光纤花生结熔接点处，包层模再次耦合入第二段标准单模光纤纤芯中与其中的纤芯模干涉产生具有选模特性的周期性窄带干涉谱，干涉谱波长可随热或温度变化进行大范围调谐。
优选地，纤芯模式和包层模式在花生形结构中干涉后的光强为
由于被激发到包层的光形成多阶包层模式导致的多阶包层模式参与干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为干涉仪中的纤芯模式和m阶包层模式的光强，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和/>分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生型熔接点之间的距离，即特种花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
外界物理量如温度的变化时，干涉光谱波长漂移量为：
其中，δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
优选地，所述泵浦源为半导体激光器。
优选地，所述波分复用器的输入端与光耦合器的输出端连接。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明采用具有强热效应、体积小、全光纤、结构简单、制作成本低的特种光纤花生结作为可调谐窄带选模单元，实现了具有较高单色性、紧凑性、稳定性以及波长大范围可调谐的全光纤激光输出。本发明的特种光纤花生结结构由标准单模光纤和特种光纤熔融耦合连接而成，利用特种光纤的强热效应(包括热光效应和热膨胀效应)，能有效提高干涉谱对热效应的灵敏度，实现窄带大范围热或者温度可调谐的激光光谱。本发明激光器采用全光纤器件搭建并实现窄带选模可调谐，具有相干性好、波长大范围可调谐、稳定性高、结构紧凑、成本低、易实现等特点。
附图说明
图1为本发明的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明的特种光纤花生结结构的工作原理示意图。
图3为本发明光谱分析仪测试获得的未加特种光纤花生结结构的激光光谱图和利用特种光纤花生结结构选模得到的窄带可调谐激光光谱图。
图4为本发明激光器输出功率随时间变化的曲线图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，如图1所示，该可调谐光纤激光器包括泵浦源1、波分复用器2、光隔离器3、增益光纤4、偏振控制器5、可调谐窄带选模单元6和光耦合器7，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，该光纤激光器谐振腔的波长或频率可调谐功能由特种光纤花生结结构实现。所述光耦合器7的后方连接有一光谱分析仪8，所述泵浦源1经波分复用器2与光隔离器3相连，并通过光隔离器的输出端与增益光纤4相连，所述增益光纤的输出端依次通过偏振控制器5、可调谐窄带选模单元6、光耦合器7，其中一定比例的光反馈回到光纤谐振腔内提供激光腔内增益，要使得激光器谐振腔内反馈大于腔内损耗，腔内损耗越大，需要的这个比例越大，具体地，一定比例光的比例范围为60％～90％。具体地，在本技术方案中，所述泵浦源的输出端与波分复用器的输入端相连，所述波分复用器的输入端与光耦合器的输出端连接，所述波分复用器的输出端与光隔离器的输入端相连，所述光隔离器的输出端与增益光纤的输入端相连，所述增益光纤的输出端与偏振控制器的输入端相连，所述偏振控制器的输出端与可调谐窄带选模单元相连。在本技术方案中，所述泵浦源1优选为半导体激光器，所述增益光纤为稀土掺杂光纤。
在所述偏振控制器和光耦合器之间设置有温度控制器9，所述可调谐窄带选模单元6放置于温度控制器9内部，在本技术方案中，所述可调谐窄带选模单元6优选为特种光纤花生结结构，利用具有强热效应、体积小、全光纤、结构简单、制作成本低的特种光纤花生结作为可调谐窄带选模单元，实现了具有较高单色性、紧凑性、稳定性以及波长大范围可调谐的全光纤激光输出。
所述特种光纤花生结结构由单模光纤和特种光纤熔融耦合连接而成，利用特种光纤的强热效应，该强热效应包括热光效应和热膨胀效应，能有效地提高干涉谱对光纤花生结的热效应灵敏度，实现窄带大范围热或者温度可调谐的激光输出。具体地，如图2所示，所述特种光纤花生结结构包括单模光纤输入端61、第一个花生结62、稀土光纤63、第二个花生结64和单模光纤输出端65，所述第一个花生结62包括第一单模光纤小球621和第一特种光纤小球622，所述第二个花生结64包括第二特种光纤小球641和第二单模光纤小球642。
如图2所示，所述第一单模光纤小球621、第一特种光纤小球622、第二特种光纤小球641、第二单模光纤小球642均由加热熔融光纤尾纤制备获得。将单模光纤小球和稀土光纤小球通过光纤熔接的方式连接制成花生结，两个花生结之间通过光纤熔接的方式相互连接，具体地，先把单模光纤输入端61和单模光纤输出端65的尾纤熔成小球，再把稀土光纤63的两端都熔成小球，最后把单模光纤输入端61尾端的小球和稀土光纤63一端的小球熔接在一起成为第一个花生结62，把单模光纤输出端65尾端的小球和稀土光纤63另一端的小球熔接在一起成为第二个花生结64。
半导体激光器发出的入射光从第一段标准单模光纤纤芯入射，在第一级特种光纤花生结熔接点处，由于芯径的不匹配，一部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，另一部分光保持在光纤纤芯中传输，在第二级特种光纤花生结熔接点处，包层模再次耦合入第二段标准单模光纤纤芯中与其中的纤芯模干涉产生具有选模特性的周期性窄带干涉谱，并且由于特种光纤的强热效应(包括热光效应和热膨胀效应)，干涉谱波长可随热或温度变化进行大范围调谐。
如图2所示，第一个花生结Peanut将纤芯里的一部分光被激发到包层，形成多阶包层模式，另一部分仍在纤芯中传输。多阶包层模式和纤芯模式经过在特种光纤中一定距离的传输，产生相位差。纤芯里的基模与包层里的各阶包层模式经过第二个花生结Peanut时，包层模式被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。
纤芯模式和包层模式在花生形结构中干涉后的光强为
由于被激发到包层的光形成多阶包层模式导致的多阶包层模式参与干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为干涉仪中的纤芯模式和m阶包层模式的光强，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和/>分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生型熔接点之间的距离，即特种花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
外界物理量如温度的变化时，干涉光谱波长漂移量为：
其中，δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
由上式可知，干涉光谱对温度的灵敏度与光纤的热光系数和热膨胀系数有着直接的关系。本发明采用特种光纤花生结结构，由标准单模光纤和特种光纤熔融耦合连接而成，利用特种光纤的强热效应(包括热光效应和热膨胀效应)，能有效地提高干涉谱对热效应的灵敏度，实现窄带大范围或者温度可调谐的激光输出。
图3为利用光谱分析仪实验测试得到的未加特种光纤花生结结构和利用特种光纤花生结结构选模得到的窄带可调谐激光光谱对比图，其中横坐标为波长，纵坐标为输出功率。由图3中可以直观看出，与未加特种光纤花生结结构的激光器相比，特种光纤花生结结构有效地抑制了跳模现象，并且将激光3dB激光光谱带宽由0.5nm压缩至0.02nm，减小了25倍；同时在温度逐渐升高的过程中，实现了从1547.72nm到1550.32nm范围内的可调谐。图4为激光器1小时内的输出功率随时间变化的曲线图，其中横坐标为时间，纵坐标为输出功率，可以看出该激光器实现了稳定的激光功率输出，其1小时内实验测试得到功率不稳定性小于0.01mW。
该激光器采用具有强热效应、体积小、全光纤、结构简单、制作成本低的特种光纤花生结作为可调谐窄带选模单元，实现了具有较高单色性、紧凑性、稳定性以及波长大范围可调谐的全光纤激光输出。该激光器采用全光纤器件搭建并实现窄带选模可调谐，具有相干性好、波长大范围可调谐、稳定性高、结构紧凑、成本低、易实现等特点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：包括泵浦源、波分复用器、光隔离器、增益光纤、偏振控制器、可调谐窄带选模单元和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤谐振腔，所述光耦合器的后方连接有一光谱分析仪，所述泵浦源经波分复用器与光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与增益光纤相连，所述增益光纤的输出端依次通过偏振控制器、可调谐窄带选模单元、光耦合器，其中一定比例的光反馈回到光纤谐振腔内提供激光腔内增益；在所述偏振控制器和光耦合器之间设置有温度控制器，所述可调谐窄带选模单元放置于温度控制器内部；所述可调谐窄带选模单元为特种光纤花生结结构，所述特种光纤花生结结构由单模光纤和特种光纤熔融耦合连接而成；所述特种光纤花生结结构包括单模光纤输入端、第一个花生结、稀土光纤、第二个花生结和单模光纤输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：所述第一个花生结包括第一单模光纤小球和第一特种光纤小球，所述第二个花生结包括第二特种光纤小球和第二单模光纤小球。
3.根据权利要求2所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：所述第一单模光纤小球、第一特种光纤小球、第二特种光纤小球和第二单模光纤小球均由加热熔融光纤尾纤制备获得。
4.根据权利要求2所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：半导体激光器发出的入射光从第一段标准单模光纤纤芯入射，在第一级特种光纤花生结熔接点处，由于芯径的不匹配，一部分光注入包层，并激发出高阶包层模在包层中传输，另一部分光保持在光纤纤芯中传输，在第二级特种光纤花生结熔接点处，包层模再次耦合入第二段标准单模光纤纤芯中与其中的纤芯模干涉产生具有选模特性的周期性窄带干涉谱，干涉谱波长可随热或温度变化进行大范围调谐。
5.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：纤芯模式和包层模式在花生形结构中干涉后的光强为
由于被激发到包层的光形成多阶包层模式导致的多阶包层模式参与干涉，不同阶数的包层模式对应不同的有效折射率，Icore和Iclad分别为干涉仪中的纤芯模式和m阶包层模式的光强，二者的相位差为：
λ0为中心波长，和/>分别为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率，Δneff为二者的有效折射率差，L为两个花生型熔接点之间的距离，即特种花生结结构干涉仪的长度；
当N＝1，2，3，…时，干涉光谱处于波谷，波长为：
外界温度的变化时，干涉光谱波长漂移量为：
其中，δ是光纤的热光系数，k是光纤的热膨胀系数。
6.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源为半导体激光器。
7.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤花生结的可调谐光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器的输入端与光耦合器的输出端连接。
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