CN114268006A - 一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器，包括：半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器、半导体可饱和吸收镜及波长调谐装置；半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器依次连接形成闭环，半导体可饱和吸收镜与所述环形器连接，波长调谐装置与耦合分束器及压电陶瓷反馈相连。本发明中的上述激光器引入人工智能控制波长可调谐装置，基于压电陶瓷的逆压电效应，智能调节控制压电陶瓷两端电压，使得激光器腔长改变，从而实现脉冲激光器的脉冲波长可调谐。

Description

一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，特别是涉及一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器。

背景技术

激光器的发明极大地改变了人们日常生活的方方面面，而其中超短脉冲光纤激光器由于其脉冲宽度窄、峰值功率高等优良特征被广泛应用于生物化学、医疗、通信、精细加工等领域。被动锁模激光器结构简单、并能产生工作稳定、高峰值公功率的超短脉冲，在实际应用方面有巨大的潜力。而在光纤传感、精密测量、光信号处理及光谱分析等方面，多波长锁模脉冲激光器和波长调谐锁模脉冲激光器的出现更是进一步扩展了激光器的应用范围。不同元素的掺杂光纤可提供不同波段的有效增益，同时对应不同的激光输出波长范围，其中掺铒光纤激光器的输出范围为C/C+L波段，覆盖1550nm附近的第三通信窗口，在通信系统中具有很高的应用价值。半导体可饱和吸收镜SESAM可以构成全光纤结构被动锁模激光器，对于工作在1550nm波长处的半导体可饱和吸收镜，其工作波长范围有100nm左右，波长调谐范围广，因此在基于半导体可饱和吸收镜的锁模光纤激光器中可产生多波长孤子脉冲。

本发明采用基于半导体可饱和吸收镜实现的被动锁模光纤激光器结构，引入人工智能波长可调谐装置，实现一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器，在基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器中引入人工智能控制波长可调谐装置，基于压电陶瓷的逆压电效应，智能调节控制压电陶瓷两端电压，使得激光器腔长改变，从而实现脉冲激光器的脉冲波长可调谐。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：

半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器、半导体可饱和吸收镜及波长调谐装置；

所述半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器依次连接形成闭环，所述半导体可饱和吸收镜与所述环形器连接，所述波长调谐装置与所述耦合分束器及所述压电陶瓷反馈相连。

可选的，所述半导体可饱和吸收镜的吸光度为33％，调制深度为19％。

可选的，所述半导体可饱和吸收镜具体包括：半导体材料可饱和吸收层、布拉格反射镜及其衬底。

可选的，所述波长调谐装置用于将进行光电接收的光进行选频放大、相敏检波、直流放大、调制生压以及整流

可选的，所述波长调谐装置采用人工智能算法对压电陶瓷进行控制。

可选的，所述波长调谐装置采用人工智能算法对压电陶瓷进行控制具体包括：

采用遗传算法确定波长信息；

采用所述波长信息对所述神经网络进行训练；

将所需波长输入至训练好的神经网络中，得到器件调谐参数，进而得到控制压电陶瓷所需电压值；

根据所述压电陶瓷所需电压值对压电陶瓷进行控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述激光器在基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器中引入人工智能控制波长可调谐装置，基于压电陶瓷的逆压电效应，智能调节控制压电陶瓷两端电压，使得激光器腔长改变，从而实现脉冲激光器的脉冲波长可调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器结构示意图；

图2为本发明实施例可饱和吸收装置及原理图；

图3为本发明实施例基于人工智能算法的波长自动调谐装置；

图4为本发明实施例逆压电效应原理示意图；

图5为本发明实施例波长调节输出光谱、脉冲序列示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器，在基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器中引入人工智能控制波长可调谐装置，基于压电陶瓷的逆压电效应，智能调节控制压电陶瓷两端电压，使得激光器腔长改变，从而实现脉冲激光器的脉冲波长可调谐。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器结构示意图，如图1所示，所述激光器包括：

半导体激光泵浦源1、波分复用器2、隔离器3、掺铒增益光纤4、环形器5、压电陶瓷6、耦合分束器7、第一偏振控制器8、起偏器9，第二偏振控制器10、半导体可饱和吸收镜11及波长调谐装置12。所述半导体激光泵浦源1、波分复用器2、隔离器3、掺铒增益光纤4、环形器5、压电陶瓷6、耦合分束器7、第一偏振控制器8、起偏器9，第二偏振控制器10顺次相连，形成闭环，半导体可饱和吸收镜11通过环形器5的端口2耦合进激光环路；波长调谐装置12与耦合分束器7及压电陶瓷6反馈相连；半导体可饱和吸收镜11通过环形器5的端口2耦合进激光腔内；环形器5的端口3输出经过耦合器7，耦合器7的端口1输出经过第一偏振控制器8及其偏器组成的偏振调整系统之后，通过波分复用器2形成激光反射腔环路；所产生的超短脉冲激光经由耦合器7的端口2输入至波长调谐装置12，最终经调谐的确定波长超短脉冲激光经由波长调谐装置的端口3输出。

在此结构中，采用980nm的半导体激光器作为泵浦源，泵浦光通过980/1550nm的波分复用器耦合进激光腔内，通过激励作为激光增益介质的铒掺杂双包层光纤，造成粒子束反转，使得光信号通过时实现增益放大。在此基础上，由环形器5、半导体可饱和吸收镜11、耦合器7、起偏器9、第一偏振控制器8和第二偏振控制器10组成的谐振腔为其提供适当反馈，使光子在腔内不断谐振、放大，当腔内增益大于损耗时，即可得到激光输出。光隔离器保证腔内光的单向运转，抑制各种有害噪声，环形器5用于将可饱和吸收器件耦合进激光器腔体，第一偏振控制器8、第二偏振控制器10以及起偏器9控制腔内脉冲偏振状态，以实现稳定锁模，腔内其他部分均为普通单模光纤。

半导体可饱和吸收镜11是整个激光腔环路中实现锁模的重要器件。它是一种非线性介质，其对光的损耗随入射光强度的增加而减小。由于脉冲前后沿的强度较低，大部分能量被吸收，脉冲中心部分能量高，吸收达到饱和，损耗低，因此当脉冲在腔内来回反射时，脉冲宽度被不断压缩，最终实现锁模。作为非线性材料，其吸收系数与脉冲通量有关，当弛豫时间大于脉冲宽度时，吸收率可以表示为：

其中A₀为小信号吸收率，F_sat是脉冲饱和通量，F(t)是光通量，I(T)是光强。对于锁模光纤激光器，一般选择吸收率为20％-40％的SESAM。在脉冲通量F_p较低的情况下，SESAM的反射率随着通量的增大而增大，但是当脉冲通量增大到一定程度时，由于双光子的吸收，反射率开始降低，同时调制深度也会相应的降低。

半导体可饱和吸收镜还有一个重要参数是调制深度。调制深度指不同量级的脉冲能量注入SESAM时，反射率的最大变化量，即ΔR＝A₀-ΔR_ns。该参数表示可饱和吸收镜能被强脉冲漂白的能力，一般来说，调制深度越大，锁模自启动越容易，因此越容易实现锁模，可获得的脉冲也越窄。但是调制深度太大，会导致非饱和损耗过大，降低了激光器的效率。相反，如果调制深度太小，达到饱和所需的时间较长，不利于锁模的实现。我们在此选用吸光度为33％，调制深度为19％的SESAM作为整个激光器腔的损耗器件。

如图2所示，为半导体可饱和吸收镜SESAM的结构原理图，其一般包括三个部分：半导体材料可饱和吸收层、布拉格反射镜及其衬底。半导体可饱和吸收镜结构中，布拉格反射镜决定了反射带宽和反射率等参数，而可饱和吸收层则决定了对光的吸收特性参数，最终决定了锁模激光器的锁模阈值、输出的脉冲宽度等性能。半导体可饱和吸收镜SESAM的特征参数直接决定着锁模激光器的锁模阈值以及输出的脉冲特性等。特征参数表1为本激光器结构采用的半导体可饱和吸收镜SESAM的主要参数及其数值，包括吸光度、调制深度、非饱和吸收损耗、饱和通量、弛豫时间及损伤阈值等。

表1半导体可饱和吸收镜SESAM参数

本发明中的改进点在于提出了人工智能波长调谐装置，其具体实现过程为：

在激光腔中产生的脉冲激光由图1所示耦合器7的端口2输出，输入波长调谐装置的端口1，进入波长调谐装置，如图3所示，为波长调谐装置图例。进入的光首先分为两束，一束进行光谱检测，得到波长信息，一束进行光电接收。经过光谱检测得到的结果，反馈至人工智能算法波长调谐装置；进行光电接收的光进入基于人工智能算法的波长调谐模块，进行选频放大、相敏检波、直流放大、调制升压、以及整流。具体的，选频放大是用选频放大器，当输入信号频率等于选频放大器基准频率f时，输入信号放大，否则输出为0；相敏检波是用用相敏检波器，将输入信号与参考信号电压进行相位比较。当输入信号为零时，输出信号也为零；当输入信号和参考信号同相时，输出负直流电压；当输入信号与参考信号反相时，输出正直流电压；这个电压再经过直流放大器和调制器调制升压，最后经整流器整流获得一个可达几百V的直流电压，反馈到压电陶瓷上，使其伸长或缩短。根据光谱检测反馈的结果，采用人工智能算法对压电陶瓷进行智能控制，依据所需要的波长改变压电陶瓷两端电压，进而改变激光器腔长，实现不同波长输出。

具体的，人工智能算法可采用可求解复杂的组合优化问题的算法，以遗传算法说明。

遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。该算法将问题的求解过程转换成类似生物进化中的染色体基因的交叉、变异等过程。在求解较为复杂的组合优化问题时,相对一些常规的优化算法,通常能够较快地获得较好的优化结果。

基于遗传算法的人工智能卷积神经网络基本运算过程如下：

S1：初始化遗传算法参数，包括种群规模，交叉和变异概率，进化代数及终止条件等；

S2：采用随机初始化方式产生初始种群，即得到所需波长输出的器件调谐具体参数(包括选频放大基准频率，相敏检波参考电压等)；

S3：计算初始种群群体中各个个体的适应度，即通过此参数得到的实际波长与预设波长的差值；

S4：设置迭代初始值为1，采用选择、交叉和变异等操作产生新个体，即下一次循环所需的器件调谐参数；

S5：判断是否满足循环结束条件，即迭代次数是否达到最大化进化代数，或个体适应度是否满足所需精度要求。若满足，进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算，否则返回步骤3。

上述算法所得每个波长信息及其所对应的器件调谐参数输入卷积神经网络，经过卷积神经网络的学习与训练，得到波长信息与器件调谐参数及腔长对应的神经网络。

然后只需将所需波长信息输入此人工智能卷积神经网络，即可得到器件调谐参数，调谐器件具体参数，可得到控制压电陶瓷所需电压值，从而使激光器腔长改变，最终得到波长可调谐的激光脉冲输出。

此方法具有可适应性，在更换不同调谐器件时，只需通过基于遗传算法的人工智能卷积神经网络进行学习，即可得到适应于不同调谐器件的网络。

遗传操作主要包括以下三个基本遗传算子：选择、交叉和变异。

选择：指从群体中选择优胜的个体，淘汰劣质个体的操作。选择的目的是把优化的个体(或解)直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。

交叉：交叉在遗传算法中起核心作用，所谓交叉是把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体的操作，通过交叉，可以使遗传算的的搜索能力得以飞跃提高。

变异：变异算子的基本内容是对群体中的个体的某些基因值作变动。遗传算法引入变异的目的一是使遗传算法具有局部的随机搜索能力，二是使遗传算法可维持群体多样性，以防止出现未成熟收敛现象。

当最优个体的适应度达到给定的阈值，或者最优个体的适应度和群体适应度不再上升时，或者迭代次数达到预设的代数时，算法终止。预设的代数一般设置为100-500代。

具体而言，首先初始化遗传算法参数，并初始化几组波长信息及其对应器件调谐参数(波长信息由光谱分析仪得到)，然后将其输入基于遗传算法的人工智能卷积神经网络中，通过遗传算法迭代产生的波长信息及其对应器件调谐参数将通过卷积神经网络进行学习，然后得到一个经过训练的人工智能卷积神经网络。对于此网络，我们只需将所需波长信息输入，即可得到具体器件调谐参数，然后调谐其中对应的调谐器件，比如选频放大器及相敏检波器等，即可得到压电陶瓷所需电压值，将此电压值作用于压电陶瓷外片(内片接地)，即可由于逆压电效应，使得压电陶瓷伸缩，从而使得激光器腔长改变，得到所需波长的激光脉冲输出。

第一分束所显示的光谱为此时激光器输出脉冲波长信息，同时此波长数据输入至波长调谐装置，通过控制，对波长调节装置进行一个外界反馈输入，通过算法调节，得到一个反馈输出，进行显示。第二分束进行光电接收转换为电信号，依据光谱反馈结果按需进行后续操作，产生电压控制信号，对压电陶瓷进行控制，对应于所需波长输出脉冲，由基于遗传算法的人工智能卷积神经网络得到的器件调谐参数将控制调谐装置中的电压调节电路，得到所需的压电陶瓷的控制电压，作用于压电陶瓷外片(内片接地)，则由于逆压电效应，使得压电陶瓷伸缩，激光器腔长改变，便可得到所需波长激光脉冲输出，根据逆压电效应原理，使得激光器腔内腔长改变，从而使得激光器输出脉冲波长改变，达到波长调谐的功能，从而输出不同需求波长的脉冲序列。

如图4所示，为逆压电效应的原理图。当压电陶瓷置于外电场中，压电体在产生极化的同时，还会输出应力和应变的现象为逆压电效应。当施加正向电场时，压电体极化产生内应张力，压电陶瓷晶体宽度变厚产生微小位移，使得激光器腔长变长；当施加反向电场时，压电体极化产生内应缩力，压电陶瓷晶体宽度变薄产生微小位移，使得激光器腔长变短。因此可以通过如图4所示的人工智能调谐反馈控制装置，调节控制压电陶瓷的电压，使得压电陶瓷产生不同的位移，从而实现激光器腔长的可调谐控制，从而实现激光器输出波长的可调谐控制。如式2为激光器腔长与输出波长的关系：

L＝mλ/2n (2)

其中L为激光器腔长，m为整数，λ为输出波长，n为折射率。即激光器腔长应为

的整数倍，通过调节腔长，可实现改变输出脉冲波长的目的。

经过上述基于人工智能算法波长调谐装置的被动锁模激光器，我们便可以输出所需波长的脉冲序列，如图5所示，在改变不同激光器腔长的过程中，激光器输出脉冲序列光谱中心波长随之不断改变。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：

半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器、半导体可饱和吸收镜及波长调谐装置；

所述半导体激光泵浦源、波分复用器、隔离器、掺铒增益光纤、环形器、压电陶瓷、耦合分束器、第一偏振控制器、起偏器、第二偏振控制器依次连接形成闭环，所述半导体可饱和吸收镜与所述环形器连接，所述波长调谐装置与所述耦合分束器及所述压电陶瓷反馈相连。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜的吸光度为33％，调制深度为19％。

3.根据权利要求1所述的波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜具体包括：半导体材料可饱和吸收层、布拉格反射镜及其衬底。

4.根据权利要求1所述的波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述波长调谐装置用于将进行光电接收的光进行选频放大、相敏检波、直流放大、调制升压以及整流。

5.根据权利要求1所述的波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述波长调谐装置采用人工智能算法对压电陶瓷进行控制。

6.根据权利要求5所述的波长可调谐的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述波长调谐装置采用人工智能算法对压电陶瓷进行控制具体包括：

采用遗传算法确定波长信息；

采用所述波长信息对所述神经网络进行训练；

将所需波长输入至训练好的神经网络中，得到器件调谐参数，进而得到控制压电陶瓷所需电压值；

根据所述压电陶瓷所需电压值对压电陶瓷进行控制。

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