CN112688150B

CN112688150B - 一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器

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Publication number: CN112688150B
Application number: CN202011578118.4A
Authority: CN
Inventors: 胡贵军; 王爽; 付红超; 孙雅东
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: CN112688150A

Abstract

本发明公开了一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，属于光通信技术领域，由泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、模式干涉仪、偏振控制器、光耦合器及光谱仪组成；其中，泵浦源输出的泵浦光经波分复用器后输入掺铒光纤中，然后依次输入光隔离器、模式干涉仪、偏振控制器中，经光纤耦合器输出到光谱仪中，由光谱仪显示双波长光纤激光器的波长激射情况。本发明利用单根少模光纤纤芯内的两个模式构成模式干涉仪，通过联合调节模式干涉仪的少模光纤长度和偏振控制器的状态，实现双波长光纤激光器31种波长间隔调谐，具有结构简单、波长间隔调谐方式方便灵活、波长间隔调谐数量多、输出激光稳定性高等优点。

Description

一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器。

背景技术

微波光子学在光纤无线通信、宽带无线接入、光纤传感等领域具有广阔的应用前景，产生频率可调谐的微波信号是其中的重要问题。在微波信号产生方法中，基于双波长光纤激光器拍频生成微波信号是其中的有效方法之一，该方法通过调节双波长光纤激光器的波长间隔，灵活地调谐生成微波信号的频率，具有系统复杂度低、功率损耗小、相位噪声低等优点。然而，要实现高稳定性、高边模抑制比、多种波长间隔调谐的双波长光纤激光器，合适的波长选择器件和波长间隔调谐方法是关键。

目前常用的波长选择器件主要有马赫-曾德尔型干涉仪、迈克尔逊型干涉仪、赛格耐克型干涉仪、法布里-珀罗型干涉仪等。马赫-曾德尔型干涉仪和迈克尔逊型干涉仪体积较大，并且需要严格控制两条传输路径的光纤长度差进而形成适宜的干涉光谱，否则无法实现波长选择。赛格耐克型干涉仪需要在光纤环中加入保偏光纤或光纤光栅等提高两路相向传输光束的相位差，否则无法形成干涉实现波长选择。法布里-珀罗型干涉仪的反射面构成的谐振腔置于空气中，极易受到环境的影响，使得形成的干涉光谱不稳定。目前实现波长间隔调谐的方法主要有应力和温度调谐、带通滤波器调谐、偏振控制器调谐等。目前的波长间隔调谐方法，所得到的波长间隔数量有限。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，本发明利用单根少模光纤纤芯内的两个模式构成模式干涉仪，通过联合调节模式干涉仪的少模光纤长度和偏振控制器的状态，实现双波长光纤激光器31种波长间隔调谐，具有结构简单、波长间隔调谐方式方便灵活、波长间隔调谐数量多、输出激光稳定性高等优点。基于双波长光纤激光器拍频生成微波信号是产生微波信号的有效方法之一，这种波长间隔可调谐的双波长光纤激光器可产生更多频率的微波信号，在微波光子学领域有较好的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其系统框图如图1所示，由泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、光隔离器4、模式干涉仪5、偏振控制器6、光耦合器7及光谱仪8组成；其中，泵浦源1输出的泵浦光经波分复用器2后输入掺铒光纤3中，然后依次输入光隔离器4、模式干涉仪5、偏振控制器6中，经光纤耦合器7输出到光谱仪8中，由光谱仪8显示双波长光纤激光器的波长激射情况；

所述模式干涉仪5，其结构如图2所示，包括少模长周期光纤光栅51、少模光纤52及单模光纤53；所述光隔离器4的输出端口连接少模长周期光纤光栅51的输入端口，少模长周期光纤光栅51的输出端口连接少模光纤52的输入端口，少模光纤52的输出端口连接单模光纤53的输入端口，单模光纤53的输出端口连接偏振控制器6的输入端口。

所述泵浦源1输出980nm泵浦光。

所述掺铒光纤3的增益范围为1530～1570nm。

所述少模长周期光纤光栅51的周期为1100μm、长度为45mm。

所述少模光纤52的纤芯和包层直径分别为18.5μm、125μm，在1550nm处纤芯和包层的有效折射率分别为1.4632、1.4571。

所述光纤耦合器7的分光比为50:50。

本发明的工作原理如下：

本发明中采用模式干涉仪作为波长选择器件，其结构如图2所示。模式干涉仪由LP₀₁和LP₁₁干涉实现，其中，少模光纤纤芯和包层直径分别为18.5μm、125μm，在1550nm处纤芯和包层的有效折射率分别为1.4632、1.4571，在少模光纤上写入周期为1100μm、长度为45mm的长周期光纤光栅。根据少模长周期光纤光栅的相位匹配条件，如果少模光纤中两个不同的纤芯模之间满足公式(1)所示的相位匹配条件时，就能实现两个模式之间的强耦合。

式中，λ_D、Λ分别为少模长周期光纤光栅的谐振波长和周期，

为少模光纤中两个纤芯模的有效折射率，Δn_eff为两个纤芯模的有效折射率差。理论计算得知，当少模长周期光纤光栅的周期为1100μm、长度为45mm时，可实现LP₀₁到LP₁₁模式转换，图3为少模长周期光纤光栅的透射谱。

由图2所示，在少模长周期光纤光栅的一侧熔接少模光纤，经过少模长周期光纤光栅后，光束转换为LP₀₁和LP₁₁模式，由于这两个模式的传播常数不同，在长度为L的少模光纤中传输时，光束的相对相位在传播过程中发生变化，从而在少模光纤与单模光纤熔接点处发生模式干涉，形成光纤内马赫-曾德尔模式干涉仪。透射谱的波长间隔表示为：

Δλ＝λ²/Δn_effL (2)

式中，L为少模光纤的长度，λ为传输波长，Δn_eff为两个纤芯模的有效折射率差。公式(2)也称为透射谱的自由光谱范围，由公式(2)可知，当两个纤芯模的有效折射率差Δn_eff以及传输波长λ一定时，透射谱的自由光谱范围的大小仅与少模光纤长度L成反比，由于少模长周期光纤光栅激发的LP₀₁和LP₁₁模式的有效折射率差一定，因此改变少模光纤长度可改变透射谱的自由光谱范围。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明所涉及的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，利用单根少模光纤纤芯内的两个模式构成模式干涉仪，通过联合调节模式干涉仪的少模光纤长度和偏振控制器的状态，实现双波长光纤激光器31种波长间隔调谐，具有结构简单、波长间隔调谐方式方便灵活、波长间隔调谐数量多、输出激光稳定性高等优点。基于双波长光纤激光器拍频生成微波信号是产生微波信号的有效方法之一，这种波长间隔可调谐的双波长光纤激光器有望产生更多频率的微波信号，在微波光子学领域有较好的应用前景。

附图说明

图1：本发明所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器的结构示意图；

图2：模式干涉仪结构示意图；

图3：少模长周期光纤光栅的透射谱；

图4：不同少模光纤长度和不同偏振状态时，模式干涉仪的干涉光谱；

其中，(a)为少模光纤长度为134cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱；(b)为少模光纤长度为583cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱；(c)为少模光纤长度为1021cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱；

图5：少模光纤长度为583cm，偏振控制器分别处于三种不同状态下，由模式干涉仪参与构成的双波长光纤激光器的波长激射情况；

其中，(a)为A为14°，B为0°、C为47°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1557.9nm和1559.9nm，波长间隔为2.0nm；(b)为B为112°，A、C为0°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1557.9nm和1561.1nm，波长间隔为3.2nm；(c)为C为-27°，A、B为0°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1561.1nm和1564.7nm，波长间隔为3.6nm。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本发明建立了一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其系统框图如图1所示，由泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、光隔离器4、模式干涉仪5、偏振控制器6、光耦合器7及光谱仪8组成；其中，泵浦源1输出的泵浦光经波分复用器2后输入掺铒光纤3中，然后依次输入光隔离器4、模式干涉仪5、偏振控制器6中，经光纤耦合器7输出到光谱仪8中，由光谱仪8显示双波长光纤激光器的波长激射情况。

所述模式干涉仪5，其结构如图2所示，包括少模长周期光纤光栅51、少模光纤52、单模光纤53，；所述光隔离器4的输出端口连接少模长周期光纤光栅51的输入端口，少模长周期光纤光栅51的输出端口连接少模光纤52的输入端口，少模光纤52的输出端口连接单模光纤53的输入端口，单模光纤53的输出端口连接偏振控制器6的输入端口。

本发明的控制原理为：该激光器为环形腔结构，由980nm泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光纤隔离器、偏振控制器、模式干涉仪、50:50光纤耦合器组成。其中，掺铒光纤提供环形谐振腔中的增益介质，光纤隔离器保证光在环形谐振腔内单向传输，偏振控制器控制环形谐振腔中光的偏振状态，平衡腔内增益与损耗，由50:50光纤耦合器的一个输出端输出双波长激光。

由公式(2)可知，当两个纤芯模的有效折射率差Δn_eff以及传输波长λ一定时，透射谱的波长间隔仅与少模光纤长度L成反比，由于少模长周期光纤光栅激发的LP₀₁和LP₁₁模式的有效折射率差一定，因此改变少模光纤长度可改变透射谱的波长间隔。图4为不同少模光纤长度和不同偏振状态时，模式干涉仪的透射谱，图4(a)为少模光纤长度为134cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱，图4(b)为少模光纤长度为583cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱。图4(c)为少模光纤长度为1021cm，不同偏振状态下，模式干涉仪的透射谱。

如图4所示，在改变偏振控制器状态情况下，透射谱在不同波长处的功率变化是各向异性的，少模长周期光纤光栅具有较大偏振依赖性，通过调节偏振控制器改变激光腔中的偏振状态，平衡激光腔内不同波长处的增益与损耗，可实现双波长光纤激光器的不同激射波长。当某个波长处的增益与对应的损耗相比占优势时，该波长将形成激光激射。因此，通过调节偏振控制器使得某两个波长处的增益与损耗达到平衡状态时，可获得双波长激光输出。图5为少模光纤长度为583cm，偏振控制器分别处于三种不同状态下，双波长光纤激光器波长激射情况。设定偏振控制器的三个偏转头分别为A、B、C，偏转头与桌面垂直为0°，顺时针旋转为0°到180°，逆时针旋转为0°到-180°。图5(a)为A为14°，B为0°、C为47°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1557.9nm和1559.9nm，波长间隔为2.0nm。图5(b)为B为112°，A、C为0°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1557.9nm和1561.1nm，波长间隔为3.2nm。图5(c)为C为-27°，A、B为0°时(即偏振控制器处于插图中状态)，激射波长分别为1561.1nm和1564.7nm，波长间隔为3.6nm。双波长光纤激光器的线宽小于0.1nm，光信噪比大于40dB。由图5可知，少模光纤长度不变，仅改变偏振控制器状态，可实现对波长间隔的调谐。

由于少模长周期光纤光栅激发的LP₀₁和LP₁₁模式的有效折射率差一定，少模光纤长度仅与透射谱的自由光谱范围大小成反比，即少模光纤长度越长，透射谱的自由光谱范围越小，在一定波长范围内，模式干涉形成的透射峰相对较多，如图4所示。改变少模光纤长度可以改变模式干涉形成的透射峰之间的波长间隔。因此，通过联合调节模式干涉仪的少模光纤长度和偏振控制器状态，双波长光纤激光器可以实现更多种波长间隔调谐，表1给出了双波长光纤激光器在不同少模光纤长度(L)、偏振状态(SOP)情况下，波长间隔(WI)变化情况。

表1双波长光纤激光器在不同少模光纤长度(L)、偏振状态(SOP)情况下，波长间隔(WI)变化情况

本发明利用单根少模光纤纤芯内的两个模式构成模式干涉仪，通过联合调节模式干涉仪的少模光纤长度和偏振控制器的状态，实现双波长光纤激光器31种波长间隔调谐，具有结构简单、波长间隔调谐方式方便灵活、波长间隔调谐数量多、输出激光稳定性高等优点。基于双波长光纤激光器拍频生成微波信号是产生微波信号的有效方法之一，这种波长间隔可调谐的双波长光纤激光器有望产生更多频率的微波信号，在微波光子学领域有较好的应用前景。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，由泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、光隔离器(4)、模式干涉仪(5)、偏振控制器(6)、光纤耦合器(7)及光谱仪(8)组成；其中，泵浦源(1)输出的泵浦光经波分复用器(2)后输入掺铒光纤(3)中，然后依次输入光隔离器(4)、模式干涉仪(5)、偏振控制器(6)中，经光纤耦合器(7)输出到光谱仪(8)中，由光谱仪(8)显示双波长光纤激光器的波长激射情况；

所述模式干涉仪(5)，包括少模长周期光纤光栅(51)、少模光纤(52)及单模光纤(53)；所述光隔离器(4)的输出端口连接少模长周期光纤光栅(51)的输入端口，少模长周期光纤光栅(51)的输出端口连接少模光纤(52)的输入端口，少模光纤(52)的输出端口连接单模光纤(53)的输入端口，单模光纤(53)的输出端口连接偏振控制器(6)的输入端口；在少模长周期光纤光栅的一侧熔接少模光纤，经过少模长周期光纤光栅后，光束转换为LP₀₁和LP₁₁模式，由于这两个模式的传播常数不同，在长度为L的少模光纤中传输时，光束的相对相位在传播过程中发生变化，从而在少模光纤与单模光纤熔接点处发生模式干涉。

2.如权利要求1所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)输出980nm泵浦光。

3.如权利要求1所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，所述掺铒光纤(3)的增益范围为1530～1570nm。

4.如权利要求1所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，所述少模长周期光纤光栅(51)的周期为1100μm、长度为45mm。

5.如权利要求1所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，所述少模光纤(52)的纤芯和包层直径分别为18.5μm、125μm，在1550nm处纤芯和包层的有效折射率分别为1.4632、1.4571。

6.如权利要求1所述的一种基于模式干涉仪的双波长光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器(7)的分光比为50:50。