CN108551075B - 一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，所述激光器包括窄线宽泵浦激光器、光放大器、1×N光开关(N≥2)、光纤模式选择耦合器组、第一偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第二偏振控制器和少模光纤。本发明基于环形腔内少模光纤的布里渊非线性增益，实现特定阶横模在腔内的谐振放大，获得横模可切换的高阶模激光输出。本发明采用全光纤结构，具有结构简单，成本低，易于光纤系统集成，输出激光稳定性好，线宽窄等优点，提高了高阶模激光器的实用性和可靠性。

Description

一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器。
背景技术
光纤激光器，由于其在降低阈值、系统兼容性、波长可调谐性、灵活性、稳定性以及紧凑性等方面的优点，是近年来迅速发展起来的新型激光技术，在未来高码率密集波分复用系统、光时分复用系统、光载无线通信系统、高性能光纤传感网络、光学测量、激光加工、激光医疗、激光雷达等领域具有极广阔的应用前景。作为波分复用系统和光纤传感网络中多信道光源的理想选择，波长可调谐的光纤激光器和多波长光纤激光器备受人们关注。目前，实现波长可调谐的光纤激光器的常用方式为可调谐光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅的间距通过机械拉伸或加热来调谐。
随着移动通信业务的迅猛发展，云计算、物联网、大数据等互联网技术的日渐兴起，当前的波分复用、偏振复用等技术已经很难进一步提升信息传输容量。高阶模激光由于其独特的空间强度、相位和偏振分布，引起了越来越多研究者的关注。信息在几种不同的高阶模上调制，由此产生的模式分复用技术，可以显著提高光通信中的传输容量，在光通信领域有极大的潜力。在这些应用前景的推动下，研究者们提出了许多方法以产生高阶模激光。目前，产生高阶模激光的激光器大致可以分为两类：体元件固体激光器和全光纤激光器。与前者相比，全光纤激光器具有成本低、灵活性好、稳定性好、体积小、效率高等优点。然而，当结构固定时，这些高阶模激光器输出的横模阶数也是固定的。不利于高容量和集成的全光纤通信系统的开发。因此，实现一种高效率、全光纤和低成本的方法以获得高纯度、高稳定性和结构紧凑的横模可切换的高阶模激光器具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器。本发明通过调整1×N光开关，实现特定阶数横模的泵浦光注入环形腔，基于环形腔内少模光纤的布里渊非线性增益，实现特定阶横模在腔内的谐振放大，获得横模可切换的高阶模激光输出。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，所述激光器包括窄线宽泵浦激光器、光放大器、1×N光开关(N≥2)、光纤模式选择耦合器组、第一偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第二偏振控制器和少模光纤。
所述1×N光开关包括一个输入端口和N个输出端口；
所述光纤模式选择耦合器组包括N个光纤模式选择耦合器，分别记为第一光纤模式选择耦合器至第N光纤模式选择耦合器；N个光纤模式选择耦合器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第N-1光纤模式选择耦合器的第四端口与第N光纤模式选择耦合器的第三端口相连接；
所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
所述窄线宽泵浦激光器连接至光放大器，所述光放大器连接至1×N光开关的输入端口，所述1×N光开关的N个输出端口分别连接至N个光纤模式选择耦合器的第一端口，所述第N个光纤模式选择耦合器的第四端口经过第一偏振控制器后与光纤环形器的第一端口相连接，所述光纤环形器的第二端口连接至光纤耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口经过第二偏振控制器和少模光纤后与光纤环形器的第三端口连接以构成环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出激光。
优选地，所述窄线宽泵浦激光器选用功率可调谐的窄线宽半导体激光器或者窄线宽光纤激光器，所述激光器的线宽低于1MHz。
优选地，所述光放大器选用高增益光纤放大器或者半导体光放大器。
优选地，所述1×N光开关选用可快速开关各输出端口光信号的光纤器件或者机械和电控等方式控制的分光比可调光纤耦合器。
优选地，所述光纤模式选择耦合器组选用单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，所述耦合器能够实现单模光纤中的基横模和少模光纤中特定阶模式间的定向选择耦合，第一和第二端口为单模光纤，第三和第四端口为少模光纤。
优选地，所述光纤环形器选用少模光纤环形器，所述环形器三个端口的尾纤为少模光纤。
优选地，所述光纤耦合器选用少模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，所述耦合器能够实现少模光纤中特定阶模式和少模光纤中相同阶模式间的定向选择耦合，所述耦合器四个端口的尾纤为少模光纤。
优选地，所述少模光纤选用工作波段少模光纤，所述少模光纤支持的模式数大于等于N，长度大于20cm。
本发明的光纤激光器为环形腔结构，环形腔内包括一个光纤环形器和一个光纤耦合器，整个环形腔内连接光纤为少模光纤。本发明通过调整1×N光开关，实现特定阶数横模的泵浦光注入环形腔。本发明利用少模光纤中的受激布里渊散射，实现特定阶横模在谐振腔内谐振放大，在室温下产生稳定高纯度的横模可切换的高阶模布里渊激光。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明利用光开关调整注入激光腔的泵浦光模式，从而实现不同阶数模式激光的输出，切换速率快，切换精度高，损耗小；
2、本发明利用光纤模式选择耦合器作为激光器谐振腔外模式转换器件和激光输出耦合器件，具有损耗小，效率高的优点；
3、本发明基于布里渊非线性增益，实现高阶模式腔内写真放大，获得的高阶模激光模式纯度高；
4、本发明利用无源少模光纤作为增益介质，获取方便，易于推广使用；
5、本发明采用全光纤结构，具有结构简单，成本低，易于光纤系统集成，输出激光稳定性好，线宽窄等优点，提高了高阶模激光器的实用性和可靠性。
附图说明
图1为实施例1中全光纤零阶和一阶可切换布里渊激光器的示意图。
图2为实施例1中分光比可调光纤耦合器的输出分光比随施加电压的变化图。
图3为实施例1中第一光纤模式选择耦合器的模式转换示意图。
图4为实施例1中第二光纤模式选择耦合器的模式转换示意图。
图5为实施例1中激光器输出的基横模光斑图。
图6为实施例1中激光器输出的一阶模式光斑图。
图7为实施例2中全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器的示意图。
图中，1-窄线宽泵浦激光器、2-光放大器、3-分光比可调光纤耦合器、4-第一光纤模式选择耦合器、5-第二光纤模式选择耦合器、6-第N光纤模式选择耦合器、7-第一偏振控制器、8-光纤环形器、9-第三光纤模式选择耦合器、10-第二偏振控制器、11-少模光纤。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示为本实施例中的一种全光纤零阶和一阶可切换的布里渊激光器，包括窄线宽泵浦激光器1、光放大器2、1×N光开关3(N＝2)、第一光纤模式选择耦合器4、第二光纤模式选择耦合器5、第一偏振控制器7、光纤环形器8、光纤耦合器9、第二偏振控制器10和少模光纤11。
在本实施例中，所述窄线宽泵浦激光器1选用C波段功率可调谐的窄线宽半导体激光器或者窄线宽光纤激光器，所述激光器线宽低于1MHz，尾纤为单模光纤。
所述光放大器2选用高增益掺铒光纤放大器或者1550nm波段半导体光放大器，尾纤为单模光纤。
所述1×N光开关3(N＝2)选用分光比可调光纤耦合器，包括单模光纤与单模光纤熔融拉锥制得的1×2的耦合器以及PZT，输入端固定在PZT的一端，第一输出端口301和第二输出端口302固定在PZT的另一端。通过调整施加在PZT上的电压，使耦合区拉伸，实现第一输出端口和第二输出端口分光比的调谐。如图2所示，当施加电压为0V时，第一输出端口和第二输出端口的分光比为100:0，当施加电压为8V时，第一输出端口和第二输出端口的分光比为0:100。
第一光纤模式选择耦合器4选用单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器。所选用的耦合器如图3所示，能够实现打磨光纤中的基横模和少模光纤中零阶基横模间的定向选择耦合，第一端口401和第二端口402为单模光纤，第三端口403和第四端口404为少模光纤。
第二光纤模式选择耦合器5选用单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器。所选用的耦合器如图4所示，能够实现单模光纤中的基横模和少模光纤中一阶高阶模间的定向选择耦合，第一端口501和第二端口502为单模光纤，第三端口503和第四端口504为少模光纤。
光纤环形器8，选用少模光纤环形器，包括第一端口801、第二端口802和第三端口803，上述三个端口的尾纤为少模光纤。
光纤耦合器9，选用少模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，能够实现少模光纤中特定阶横模和少模光纤中相同阶横模间的定向选择耦合，所述耦合器的四个端口的尾纤为少模光纤。
少模光纤11选用普通商用的1550波段少模光纤，支持零阶基横模和一阶高阶模两个模式，长度为50m。
在本实施例中，当施加在分光比可调光纤耦合器的电压幅度为0V时，窄线宽泵浦激光器输出的激光由放大器进行功率放大，放大后的高功率泵浦光注入分光比可调光纤耦合器的输入端，100％的泵浦光由分光比可调光纤耦合器的第一端口301注入第一光纤模式选择耦合器的第一端口401，经过第一光纤模式选择耦合器后，泵浦光由第一端口401中单模光纤的基横模转变为第四端口404中少模光纤的零阶基横模，产生的零阶基横模泵浦光再注入第二光纤模式选择耦合器的第三端口503，由于不满足相位匹配条件，经过第二光纤模式选择耦合器后，零阶基横模泵浦光仍以零阶基横模由第四端口504经过第一偏振控制器后注入光纤环形器的第一端口801，再从光纤环形器的第二端口802注入光纤耦合器的第一端口901，即进入到少模光纤中，发生受激布里渊散射效应，产生反向运行的零阶基横模布里渊斯托克斯光，当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，其少模光纤中产生的零阶基横模布里渊斯托克斯光依次经光纤耦合器的第二端口902、光纤环形器的第二端口802、光纤环形器的第三端口803再次进入少模光纤中，在谐振腔内形成振荡，即产生一个泵浦光频率下移一阶的零阶基横模布里渊斯托克斯激光，此零阶基横模布里渊斯托克斯激光经光纤耦合器的第三端口903输出，获得零阶基横模激光，如图5所示。第二光纤模式选择耦合器的第四端口504和光纤环形器的第一端口801间的第一偏振控制器以及少模光纤上的第二偏振控制器共同控制泵浦光和布里渊泵浦光的偏振态，以获得最大的布里渊非线性增益。
当施加在可调分光比光纤耦合器的电压幅度为8V时，窄线宽泵浦激光器输出的激光由放大器进行功率放大，放大后的高功率泵浦光注入分光比可调光纤耦合器的输入端，100％的泵浦光由分光比可调光纤耦合器的第二端口302注入第二光纤模式选择耦合器的第一端口501，经第二光纤模式选择耦合器后，泵浦光由第一端口501中单模光纤的基横模转变为第四端口504中少模光纤的一阶高阶模，产生的一阶高阶模泵浦光经过第一偏振控制器后注入光纤环形器的第一端口801，再自光纤环形器的第二端口802注入光纤耦合器的第一端口901，即进入少模光纤中，发生受激布里渊散射效应，产生反向运行的一阶高阶模布里渊斯托克斯光，当泵浦光功率超过环形腔中布里渊阈值时，其少模光纤中产生的一阶高阶模布里渊斯托克斯光依次经光纤耦合器的第二端口902、光纤环形器的第二端口802、光纤环形器的第三端口803再次进入少模光纤中，在谐振腔内形成振荡，即产生一个泵浦光频率下移一阶的一阶高阶模布里渊斯托克斯激光，此一阶高阶模布里渊斯托克斯激光经光纤耦合器的第三端口903输出，获得一阶高阶模激光，如图6所示。第二光纤模式选择耦合器的第四端口504和光纤环形器的第一端口801间的第一偏振控制器以及少模光纤上的第二偏振控制器共同控制泵浦光和布里渊泵浦光的偏振态，以获得最大的布里渊非线性增益。
通过调整施加在分光比可调光纤耦合器中PZT的电压，实现了第一端口301和第二端口302的光信号切换，从而实现特定阶数横模的泵浦光注入环形腔。在环形腔中的连接光纤均为少模光纤，且以特定阶横模运行，基于布里渊非线性效应，实现了腔内特定阶横模谐振放大，从而在光纤耦合器的第三端口903获得高模式纯度的特定阶横模的激光。
实施例2
如图7所示为一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，所述激光器包括窄线宽泵浦激光器1、光放大器2、1×N光开关3(N>2)、光纤模式选择耦合器组、第一偏振控制器7、光纤环形器8、光纤耦合器9、第二偏振控制器10和少模光纤11。
所述1×N光开关3包括一个输入端口和N个输出端口301至30N；
所述光纤模式选择耦合器组包括N个光纤模式选择耦合器，分别记为第一光纤模式选择耦合器4、第二光纤模式选择耦合器5至第N光纤模式选择耦合器6；N个光纤模式选择耦合器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第N-1光纤模式选择耦合器的第四端口连接至第N光纤模式选择耦合器的第三端口；
所述光纤环形器8包括第一端口801、第二端口802和第三端口803；
所述光纤耦合器9包括第一端口901、第二端口902、第三端口903和第四端口904；
所述窄线宽泵浦激光器连接至光放大器，所述光放大器连接至1×N光开关的输入端口，所述1×N光开关的N个输出端口分别连接至N个光纤模式选择耦合器的第一端口，所述第N个光纤模式选择耦合器的第四端口经第一偏振控制器连接至光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接至光纤耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口经第二偏振控制器和少模光纤连接至光纤环形器的第三端口以此构成环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出激光。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述激光器包括窄线宽泵浦激光器、光放大器、1×N光开关，N≥2，光纤模式选择耦合器组、第一偏振控制器、光纤环形器、光纤耦合器、第二偏振控制器和少模光纤；
所述1×N光开关包括一个输入端口和N个输出端口；
所述光纤模式选择耦合器组包括N个光纤模式选择耦合器，分别记为第一光纤模式选择耦合器至第N光纤模式选择耦合器；N个光纤模式选择耦合器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第N-1光纤模式选择耦合器的第四端口与第N光纤模式选择耦合器的第三端口相连接；
所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述光纤耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
所述窄线宽泵浦激光器连接至光放大器，所述光放大器连接至1×N光开关的输入端口，所述1×N光开关的N个输出端口分别连接至N个光纤模式选择耦合器的第一端口，所述第N个光纤模式选择耦合器的第四端口经过第一偏振控制器后与光纤环形器的第一端口相连接，所述光纤环形器的第二端口连接至光纤耦合器的第一端口，所述光纤耦合器的第二端口经过第二偏振控制器和少模光纤后与光纤环形器的第三端口相连接以构成环形腔，所述光纤耦合器的第三端口输出激光；
所述窄线宽泵浦激光器选用功率可调谐的窄线宽半导体激光器或者窄线宽光纤激光器，所述激光器的线宽低于1MHz；
所述1×N光开关选用可快速开关各输出端口光信号的光纤器件或者机械和电控方式控制的分光比可调光纤耦合器。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述光放大器选用高增益光纤放大器或者半导体光放大器。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述光纤模式选择耦合器组选用单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，所述耦合器的第一和第二端口为单模光纤，第三和第四端口为少模光纤。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述光纤环形器选用少模光纤环形器，所述环形器三个端口的尾纤为少模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述光纤耦合器选用少模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，所述耦合器四个端口的尾纤为少模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种全光纤横模可切换的高阶模布里渊激光器，其特征在于，所述少模光纤选用工作波段少模光纤，所述少模光纤支持的模式数大于等于N，长度大于20cm。
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