CN108493749B - 一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器 - Google Patents

一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，该光纤激光器包括泵浦激光器、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤激光器谐振腔。泵浦激光器经波分复用器与增益光纤相连，增益光纤输出端依次连接偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，通过调整偏振控制器，入射光具有不同的偏振态，经过光纤滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出。采用了具有全光纤、体积小、结构简单、低成本、低损耗的高双折射微纳光纤作为选模单元，实现了低损耗、稳定、窄带激光输出。

Description

一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，属于光纤激光器技术领域。
背景技术
近来，光纤激光器因其全光纤、高效率、波长灵活等特性，受到光纤通信、光纤传感以及光谱分析等前沿技术领域的青睐，已经成为固体激光器领域的研究热点。特别地，波分复用(WDM)技术成为当前满足光纤通信高容量通信需求的关键，而可调谐多波长光纤激光器作为光纤WDM通信系统的光源，具有非常重要研究和应用价值。
早期实现激光器多波长可调谐主要通过在激光器谐振腔中加入F-P腔、介质薄膜滤波器和声光滤波器等波长可调谐元件。然而，这些自由空间调谐器件一般为非光纤结构，插入损耗较大，降低了激光器的效率、集成度和紧凑性。近期，人们采用全光纤滤波器，如：光纤布拉格光栅、高双折射(HiBi)Sagnac干涉仪、高非线性光子晶体光纤等作为调谐元件。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，并受光纤光栅本身应变特性的限制，波长调谐范围较小。高双折射(HiBi)Sagnac干涉仪作为梳状滤波器对多波长进行选频时，干涉环体积较大不易集成，且易受外界环境的影响，如应变等因素造成的环形状的改变容易使输出状态发生变化。高非线性光子晶体光纤能够使己激射波长处的能量向未激射波长处转化从而实现多波长输出，但这类激光器谐振腔腔长较长，结构不紧凑，并且光子晶体光纤的熔接损耗相对较大。
因此，研究并实现一种全光纤、高稳定性、低成本、结构紧凑、插损小并且波长大范围可调谐的多波长光纤激光器具有重要的研究与应用价值。
发明内容
本发明针对现有技术制作成本高、稳定性差、紧凑性低、调谐范围小等缺点，提出了一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，该光纤激光器包括泵浦激光器、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤激光器谐振腔，所述泵浦激光器经波分复用器与增益光纤相连，增益光纤输出端依次连接偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，所述泵浦激光器的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端通过光纤滤波器与光耦合器的输入端相连，通过调整偏振控制器，入射光具有不同的偏振态，经过光纤滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出。
优选地，所述光纤滤波器为Lyot型光纤滤波器，具有波长调谐功能，该光纤滤波器包括光隔离器和高双折射微纳光纤，偏振控制器的输出端与光隔离器的输入端相连，光隔离器的输出端通过高双折射微纳光纤与光耦合器的输入端相连。
优选地，所述光纤激光器谐振腔内通过高双折射微纳光纤实现光纤激光器谐振腔内激光选模。
优选地，所述高双折射微纳光纤由高双折射保偏光纤熔融拉锥制成，利用拉锥光纤内的模式干涉进行激光腔内模式选择。
优选地，所述高双折射微纳光纤经过非绝热拉锥后，高双折射保偏光纤和空气形成折射率差较大的新的多模波导结构，可容纳多个高阶模式，当高双折射微纳光纤直径进一步减小时，更多高阶模式被截止，并留下较少低阶模进行干涉。
优选地，所述高双折射微纳光纤具有非圆对称折射率分布，所述高双折射微纳光纤包括硅基材料区域和应力区。
优选地，光场在高双折射微纳光纤内传输过程中激发多个模式，包括基模和高阶模式，并具有不同有效折射率，随着光纤直径变小，越来越多高阶模式被截止，最终只有HE11模、TE01模与TM01模会穿过均匀腰区，并在TE01模与TM01模之间形成具有选模效应的干涉谱。
优选地，TE01模和TM01模的归一化输出光强度T可以表示为：
其中是TE01和TM01之间的相位差，λ为波长，ΔL＝l(n1-n2)是TE01和TM01之间的光程差，由它们的有效折射率(n1和n2)和保偏光纤锥腰部的长度l决定。
优选地，所述泵浦激光器为半导体激光器。
本发明技术方案的优点主要体现在：该光纤激光器采用具有全光纤、体积小、结构简单、低成本、低损耗的高双折射微纳光纤作为选模单元，实现了低损耗、稳定、窄带激光输出，其中高双折射微纳光纤由高双折射保偏光纤拉锥而成，利用拉锥光纤内的模式干涉进行激光腔内模式选择。
本技术方案将高双折射微纳光纤与偏振相关型光隔离器结合构成Lyot型光纤滤波器，引入偏振烧孔效应，调整偏振控制器可得到窄带大范围波长可调谐激光光谱。
该光纤激光器采用全光纤器件搭建并实现窄带大范围多波长可调谐，具有相干性好、波长频率及数目均可调谐、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高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明中高双折射微纳光纤的截面示意图。
图3为本发明中高双折射微纳光纤中存在的三种模式结构示意图。
图4为本发明中光谱仪测试获得的利用高双折射微纳光纤结构结合偏振相关型光隔离器构成Lyot型光纤滤波器进行激光模式选择和控制得到的单波长可调谐激光光谱图。
图5为本发明中光谱仪测试获得的利用高双折射微纳光纤结构结合偏振相关型光隔离器构成Lyot型光纤滤波器进行激光模式选择和控制得到的双波长可调谐激光光谱图。
图6为本发明中光谱仪测试获得的利用高双折射微纳光纤结构结合偏振相关型光隔离器构成Lyot型光纤滤波器进行激光模式选择和控制得到的三波长和四波长可调谐激光光谱图。
图7为本发明中实验测试获得的激光器输出单波长位于1561.66nm时，在不改变偏振控制器的状态及泵浦功率的情况下，一小时内每隔15分钟测得激光器输出的示意图。
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高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，如图1所示，该光纤激光器包括泵浦激光器1、波分复用器2、增益光纤3、偏振控制器4、光纤滤波器5和光耦合器6，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤激光器谐振腔，在本技术方案中，所述泵浦激光器1优选为半导体激光器。
如图1所示，所述泵浦激光器1经波分复用器2与增益光纤3相连，增益光纤输出端依次连接偏振控制器4、光纤滤波器5和光耦合器6，所述泵浦激光器的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端通过光纤滤波器与光耦合器的输入端相连，通过调整偏振控制器，入射光具有不同的偏振态，经过光纤滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出。
所述光纤滤波器为Lyot型光纤滤波器，具有波长调谐功能，该光纤滤波器包括光隔离器51和高双折射微纳光纤52，所述光隔离器51为偏振相关型光隔离器，偏振控制器的输出端与光隔离器的输入端相连，光隔离器的输出端通过高双折射微纳光纤与光耦合器的输入端相连。所述光纤激光器谐振腔内通过高双折射微纳光纤实现光纤激光器谐振腔内激光选模。
光场在高双折射微纳光纤内传输过程中激发多个模式，具体包括基模和高阶模式，并具有不同有效折射率，随着光纤直径变小，光纤被拉锥变细达到某个尺寸时，越来越多高阶模式被截止，其内的模式也越来越少，最终只剩下三种模式，只有HE11模、TE01模与TM01模会穿过均匀腰区，并在TE01模与TM01模之间形成具有选模效应的干涉谱。
本发明的光纤激光器谐振腔中设有高双折射微纳光纤结构，如图2所示，所述高双折射微纳光纤由高双折射保偏光纤熔融拉锥制成，所述高双折射微纳光纤具有非圆对称折射率分布，利用拉锥光纤内的模式干涉进行激光腔内模式选择。熔融拉锥后，保偏光纤锥腰区直径约为2.66μm，纤芯直径由于拉锥变得很小，故而图2中只画了应力区而无纤芯，此时，空气和拉锥后的高双折射保偏光纤构成折射率差更大的新的多模波导结构，可以容纳多个高阶模式。当保偏光纤直径进一步减小时，更多高阶模式被截止，并留下较少低阶模进行干涉。此时，高双折射微纳光纤结构模型包括两部分，高双折射微纳光纤中硅基材料区域7、高双折射微纳光纤中的应力区8。
如图3所示，所述高双折射微纳光纤中存在三种模式：HE11模9、TE01模10与TM01模11，但是基于HE11模与TE01模、TM01模均无能量交换的事实，可以知道干涉是在TE01模与TM01模间产生，故而可以建立如下干涉理论模型：
TE01模和TM01模的归一化输出光强度T可以表示为：
其中是TE01和TM01之间的相位差，λ为波长，ΔL＝l(n1-n2)是TE01和TM01之间的光程差，由它们的有效折射率(n1和n2)和保偏光纤锥腰部的长度l决定。
本发明所采用的高双折射微纳光纤结构由高双折射保偏光纤拉锥而成，利用拉锥光纤内的模式干涉进行激光腔内模式选择，并将高双折射微纳光纤与偏振相关型光隔离器结合构成Lyot型光纤滤波器，调整偏振控制器时，入射光具有不同的偏振态，经过该滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出。
图4为光谱仪测试获得的利用高双折射微纳光纤结构结合偏振相关型光隔离器构成Lyot型光纤滤波器进行激光模式选择和控制得到的窄带单波长可调谐激光光谱图，图中纵坐标为泵浦功率，横坐标为波长，从图中可看出，此时泵浦功率为25mW，输出激光3dB带宽小于0.05nm，边模抑制比最高可达53dB。
图5为本技术方案实验测试获得的双波长激光输出光谱，图中纵坐标为泵浦功率，横坐标为波长。图6为本技术方案实验测试获得的三波长及四波长激光输出光谱，图中纵坐标为泵浦功率，横坐标为波长。
图7为本技术方案实验测试获得的激光器输出单波长位于1561.66nm时，在不改变偏振控制器的状态及泵浦功率的情况下，一小时内每隔15分钟一小时内测得激光器输出，具有较高的稳定性。
该光纤激光器的波长调谐功能由高双折射微纳光纤与偏振相关型光隔离器构成的Lyot型光纤滤波器来实现，调整偏振控制器，入射光具有不同的偏振态，经过该滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出。
该光纤激光器采用具有全光纤、体积小、结构简单、低成本、低损耗的高双折射微纳光纤作为选模单元，实现了低损耗、稳定、窄带激光输出，并结合偏振相关型光隔离器构成Lyot型光纤滤波器，实现了稳定、波长频率、数目均可调谐的全光纤激光输出。
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 (5)

1.一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于：包括泵浦激光器、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，各个器件之间通过光纤耦合的方式构成一个光纤激光器谐振腔，所述泵浦激光器经波分复用器与增益光纤相连，增益光纤输出端依次连接偏振控制器、光纤滤波器和光耦合器，所述泵浦激光器的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端通过增益光纤与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端通过光纤滤波器与光耦合器的输入端相连，通过调整偏振控制器，入射光具有不同的偏振态，经过光纤滤波器后增强了激光谐振腔内偏振状态的非均匀性，从而在增益介质中产生偏振烧孔，抑制腔内模式竞争，进而得到偏振控制可调谐的多波长激光输出；所述光纤滤波器为Lyot型光纤滤波器，具有波长调谐功能，该光纤滤波器包括光隔离器和高双折射微纳光纤，偏振控制器的输出端与光隔离器的输入端相连，光隔离器的输出端通过高双折射微纳光纤与光耦合器的输入端相连；所述高双折射微纳光纤具有非圆对称折射率分布，所述高双折射微纳光纤包括硅基材料区域(7)和应力区(8)；光场在高双折射微纳光纤内传输过程中激发多个模式，基模和高阶模式，并具有不同有效折射率，随着光纤直径变小，越来越多高阶模式被截止，最终只有HE11模、TE01模与TM01模会穿过均匀腰区，并在TE01模与TM01模之间形成具有选模效应的干涉谱；TE01模和TM01模的归一化输出光强度T表示为：
其中是TE01和TM01之间的相位差，λ为波长，ΔL＝l(n1-n2)是TE01和TM01之间的光程差，由它们的有效折射率n1和n2和保偏光纤锥腰部的长度l决定。
2.根据权利要求1所述的一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于：所述光纤激光器谐振腔内通过高双折射微纳光纤实现光纤激光器谐振腔内激光选模。
3.根据权利要求1所述的一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于：所述高双折射微纳光纤由高双折射保偏光纤熔融拉锥制成，利用拉锥光纤内的模式干涉进行激光腔内模式选择。
4.根据权利要求1所述的一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于：所述高双折射微纳光纤经过非绝热拉锥后，高双折射保偏光纤和空气形成折射率差较大的新的多模波导结构，可容纳多个高阶模式，当高双折射微纳光纤直径进一步减小时，更多高阶模式被截止，并留下较少低阶模进行干涉。
5.根据权利要求1所述的一种基于高双折射微纳光纤的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于：所述泵浦激光器为半导体激光器。
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