CN100465505C - 瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超荧光光纤光源，特别是涉及用掺镱光子晶体光纤作为增益介质的具有低时间相干性、高空间相干性的超荧光光纤光源。属于宽带光纤光源与光纤传感技术领域。本发明的技术方案：将泵浦源半导体激光器、透镜耦合系统、二色镜、掺镱大模面积双包层光子晶体光纤、准直透镜等依次排列组成双程前向或后向输出装置；与常规的高功率光纤超荧光光源相比，本发明具有结构简单、时间稳定性好、斜率效率高、输出功率高、光谱平坦、带宽宽等优点。本发明可应用于光纤传感、光纤陀螺、光学层析照相和光波导无损伤探测等领域。

Description

瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源

技术领域

本发明涉及一种超荧光光纤光源，特别是涉及用掺镱光子晶体光纤作为增益介质的具有低时间相干性、高空间相干性的超荧光光纤光源。属于宽带光纤光源与光纤传感技术领域。

背景技术

随着光通信和光纤传感技术的发展，迫切需求高空间相干性，低时间相干性的高功率光纤光源。而这种高功率超荧光光纤光源在光纤陀螺、光学层析照相、光波导无损伤探测等方面也有着广泛的应用。为了能够得到较高的分辨率，要求这类光源的带宽足够宽；为了能够有足够的探测深度，要求探测光有足够的强度。

该领域的现有技术水平：

最先应用于此领域的超辐射发光二极管由于其带宽窄，温漂大，寿命短等缺点逐渐被光纤超荧光光源所取代。由于其在光纤陀螺上的应用使掺铒或铒镱共掺的光纤型超荧光光源得到了广泛的发展。现在广泛研究和使用的光纤超荧光光源通常以铒镱共掺或者掺铒的单模光纤、双包层光纤作为增益介质，光路中加入加隔离器来抑止激光振荡，但是随着泵浦功率的升高，背向瑞利散射提供的反馈足够强时将会导致激光辐射，而这种背向瑞利散射受光纤制造工艺的限制不可避免，单级装置很难获得高功率的超荧光输出。至今为止报道的单级结构端泵掺铒或铒镱共掺单模光纤的输出功率一直为几个毫瓦。采用多级装置研制的3dB带宽大于40nm的掺铒或铒镱共掺光纤超荧光光源输出功率也还限制在几十个mW。

现今研究高功率宽带光纤光源主要有如下几种方案：

1、掺铒或铒镱共掺单模光纤种子源加双包层光纤放大：这是一种多级放大结构，利用单模光纤做成的种子源产生信号光，再由放大部分将信号放大，利用光纤的饱和吸收抑止光纤中的激射，利用再吸收效应使超荧光光谱展宽，这种方案使输出超荧光的功率和带宽有了较大提高。

由于掺铒光纤的展宽特性为非均匀展宽，所以这种结构的光纤超荧光光源很难同时实现高输出功率和宽带宽。现在已经报道的这种结构的光源实现的最大输出功率约为1W，3dB带宽小于8nm。(1.S.Gray，J.D.Minelly，A.B.Grudinin and J.E.Caplen，Electronics Letters，1997，V 33，n16，p1382-1383；2.Sheng-Ping Chen，Yi-Gang Li，Jian-Ping Zhu，Hua Wang，YunZhang，Tuan-Wei Xu，Ru Guo，Ke-Cheng Lu，Optics Express，V 13，n5，1531-1536)。

2、侧泵掺镱双包层光纤：与铒镱共掺或者掺铒光纤相比，掺镱光纤激光光源具有更高的量子效率，增益介质的展宽为均匀展宽，更易于实现高输出功率宽带超荧光。有文献采用掺镱双包层光纤作为增益介质，用侧泵技术将泵浦光高效地耦合进入光纤，得到了1055nm附近485mW的超荧光输出，3dB带宽达41nm。(Lew Goldberg，Jeffrey P.Koplow，andRobert P.Moeller，Optics Letters，V 23，n13，p1037-1039)

侧泵技术可以获得很高的耦合效率，光纤的两端并且都可以与输出元件直接耦合将光引出，输出光谱较宽。但是侧泵技术对加工工艺要求极高，至今还未见侧泵光纤超荧光光源功率超过1W的报道。

3、808nm泵浦源端面泵浦双包层光纤：现已有文献报道了980nm附近1.2W的超荧光输出，3dB带宽为4nm。

这种结构的超荧光光源输出功率高，但是受980nm附近增益谱的限制，带宽仅为4nm。

4、光纤超连续谱光源：连续光或者脉冲光泵浦小芯光纤，利用光纤中的非线性效应(受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频等)使光谱展宽，光谱可以展宽至几十个nm甚至几百个nm，输出功率也可以超过1W。

这种超连续谱光源可以实现较高的输出功率，但是其光谱平坦性非常差，需要对光谱整形后才能应用，而对光谱整形，势必要损失很大一部分能量。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，公开了一种实现输出功率大于1W的宽带超荧光光源的技术方案：

瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，它包括半导体激光器，透镜耦合系统之准直透镜和聚焦透镜，二色镜，光子晶体光纤，斜角，准直输出透镜，垂直切割端，全反镜，它有两种结构：

1)双程前向结构，半导体激光器发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统、斜角耦合进入光子晶体光纤，最后由斜角端输出、并由准直透镜将输出光准直导出；

2)双程后向结构，半导体激光器发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统和二色镜耦合进入光子晶体光纤，光子晶体光纤的垂直切割端放置全反镜，最后由斜角端输出，由二色镜将信号光反射导出；

其特点在于：光子晶体光纤作为增益介质，是掺镱双包层大模面积的，大模场面积纤芯的数值孔径0.01～0.1，光纤的两个端面一端作垂直切割、抛光处理，另一端利用二氧化碳激光器加热使空气孔塌缩，然后将其研磨成5°～15°斜角，切割、抛光处理。

本发明的单级高功率宽带光纤超荧光光源主要是采用大数值孔径内包层来提供高的泵浦耦合效率和实现高的斜率效率；采用大模面积纤芯来抑止光纤纤芯中背向瑞利散射的增益，从而实现高效、瓦量级的光纤超荧光输出。其原理具体描述如下：

双包层大模面积光纤设计：对于稀土掺杂的单模光纤激光光源来说，光纤的纤芯既是泵光传输也是信号光传输的通道，耦合输入端的离子反转水平要比远离耦合输入端的反转水平高，采用双包层耦合技术，在双包层光纤内包层中传输的光传输过程中不断与光纤纤芯交叉从而被吸收，光子晶体光纤的双包层设计更是避免了螺旋光，可以使泵浦光更加充分的吸收，这有助于增加泵光的耦合效率和提高超荧光输出的斜率效率。对于使用较低功率的泵浦源和取得较高的斜率效率提供了前提条件。

本发明的有益效果：

1.使用掺镱大模面积双包层结构光子晶体光纤可以得到高耦合效率、高斜率效率、高输出功率的宽带超荧光光源。

2、根据掺杂光纤的参数情况，适当选择光纤的长度，可以使得超荧光光纤光源输出的超荧光光谱的3dB带宽达到20～45nm。如果再采用长周期光纤光栅对输出光谱进行平坦，可以在输出功率变化不大的前提下，使3dB带宽增加至45nm以上。

附图说明

1a是本发明的双程前向结构的示意图

1b是本发明的双程后向结构的示意图

其中：1、半导体激光器  2、准直透镜  3、聚焦透镜  4、二色镜  5、光子晶体光纤  6、斜角  7、准直输出透镜  8、垂直切割端  9、二色镜  10、全反镜

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，它包括半导体激光器1，透镜耦合系统之准直透镜2和聚焦透镜3，二色镜4，光子晶体光纤5，斜角6，准直输出透镜7，垂直切割端8，二色镜9，全反镜10，它有两种结构：

1)双程前向结构，半导体激光器1发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统2、3、斜角4耦合进入光子晶体光纤5，最后由斜角端6输出、并由准直透镜7将输出光准直导出；

2)双程后向结构，半导体激光器1发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统2、3和二色镜9耦合进入光子晶体光纤5，光子晶体光纤的垂直切割端8放置全反镜10，最后由斜角端6输出，由二色镜9将信号光反射导出；

其特征在于：光子晶体光纤5作为增益介质，是掺镱双包层大模面积的，大模场面积纤芯的数值孔径0.01～0.1，光纤的两个端面一端作垂直切割、抛光处理，另一端利用二氧化碳激光器加热使空气孔塌缩，然后将其研磨成5°～15°斜角6，切割、抛光处理。

此光纤光源的泵浦源是半导体激光器1，其提供的功率应该不小于5W。

透镜耦合系统，由准直透镜2和聚焦透镜3构成。

二色镜4为90°角二色镜，与光子晶体光纤垂直切割端8紧贴。

二色镜9为45°角二色镜，此二色镜法线与泵浦光传播方向呈45°角放置于准直透镜2和聚焦透镜3之间。

全反镜10，紧贴光子晶体光纤垂直切割端8放置。

本发明的特点在于它是一种单级双程前向输出的瓦量级宽带光子晶体光纤超荧光光源，用掺镱双包层光子晶体光纤作为增益介质，光纤的两个端面一端作垂直切割、抛光处理，另一端作5°～15°斜角切割、抛光处理，由LD作为泵浦源，泵浦光经耦合透镜、二色镜将泵浦光耦合进入光子晶体光纤，参见图1，具体而言，所述单级双程前向输出的瓦量级宽带光子晶体光纤超荧光光源含有：

掺镱大模面积双包层光子晶体光纤—PCF5，它是此光纤超荧光光源的增益介质。此PCF的一端利用二氧化碳激光器加热使内包层中的空气孔塌缩，形成密封结构，然后利用光纤端面的研磨技术将这一端研磨成5°～15°斜角6。PCF的另一端8作垂直切割、抛光。

半导体激光器—LD1，中心波长976nm，这是此光纤光源的泵浦源，其提供的功率应该不低于5W，根据实际使用的光纤的参数适当调整；LD尾纤输出光束的直径和数值孔径能够和PCF内包层的数值孔径和直径匹配。

透镜耦合系统由准直透镜2和聚焦透镜3组成，利用此耦合系统将泵浦光高效地耦合进入光子晶体光纤的内包层。

90°角二色镜4，此二色镜与光子晶体光纤垂直切割端8紧贴，以使光高效地耦合进入光纤，此二色镜对于976nm的泵浦光高透，对于1000nm—1100nm的光高反。

准直输出透镜7，利用此将输出的超荧光准直输出。

上述LD、透镜耦合系统、二色镜、PCF、准直透镜依次排列，组成双程前向输出装置。由泵浦源LD输出的泵浦光经透镜耦合系统和二色镜耦合进入PCF，PCF垂直切割端与二色镜紧贴，输出的超荧光由光纤切斜角的一端出射，然后用透镜将超荧光准直输出。

本发明的特点还在于它是一种单级双程后向输出的瓦量级宽带光子晶体光纤超荧光光源，用掺镱双包层PCF作为增益介质，光纤的两个端面一端垂直切割、抛光，另一端作5°—15°斜角切割、抛光处理，由LD作为泵浦源，泵浦光经耦合透镜、二色镜将泵浦光耦合进入PCF，具体而言，所述单级双程后向输出的瓦量级宽带光子晶体光纤超荧光光源含有：

高增益掺镱双包层大模面积光子晶体光纤5，它是此光纤超荧光光源的增益介质。此PCF的一端利用二氧化碳激光器加热使空气孔塌缩，然后将其研磨成5°—15°斜角4。PCF的另一端8垂直切割。

半导体激光器—LD1，中心波长976nm，这是此光纤光源的泵浦源，其提供的功率应该不低于5W，根据实际使用的光纤的超荧光阈值适当调整；输出光束的直径和数值孔径能够和PCF内包层的数值孔径和直径匹配。

透镜耦合系统由准直透镜2和聚焦透镜3组成，利用此耦合系统将泵浦光高效耦合进入光子晶体光纤的内包层。同时透镜与光纤端面之间或透镜之间有足够的空间将输出的超荧光输出。

45°角二色镜9，与耦合输入光纤的光成45°角放置于耦合透镜组的准直、聚焦透镜之间，以便将产生的超荧光导出。此二色镜以45°角放置时对于976nm的泵浦光具有高透过率，对于1000nm—1100nm的光具有高反射率。

全反镜10，紧贴PCF垂直切割端8放置或将垂直切割端输出的光准直后与光线垂直放置，它对970nm-1100nm的光反射率大于99％。

上述泵浦源、透镜耦合系统、准直输出透镜、二色镜、PCF全反镜依次排列，组成双程后向输出装置。由泵浦源LD输出的泵浦光经透镜耦合系统和二色镜耦合进入PCF，PCF垂直切割端与全反镜紧贴，超荧光由二色镜反射后输出。

实施例

下面根据实验装置图1a说明双程前向装置超荧光光源具体的实施方式：

首先检测泵浦源LD的输出功率和输出光谱，调节工作环境温度确保泵浦源的中心激射波长为976nm，将LD尾纤的输出端SMA905接头与透镜耦合系统连接，调节水平和准直。首先在不加二色镜的情况下仔细调节PCF垂直切割端的位置，同时在PCF末端检测输出功率，使尽可能多的光耦合进入光纤，然后使光纤后移一些，插入二色镜后再次仔细调节光路，使输出功率达到最大，然后撤去功率计，换用光谱仪监测光谱，仔细调节二色镜使其与光纤垂直切割端面紧贴，同时可观察到输出光谱尽可能的平坦，最后用准直透镜将输出的超荧光装置输出。通过优化光纤长度、掺杂浓度和二色镜等参数使输出功率达到最高和光谱尽可能平坦。

对于双程后向的超荧光光源，调节好工作温度和泵浦光之后，首先将泵浦光耦合进入切斜角6的一端，最后在光纤垂直切割端放置全反镜10，同时在输出端仔细调节450角二色镜9的位置后监测输出功率和光谱。通过优化光纤长度、掺杂浓度和二色镜等参数使输出功率达到最高，输出光谱尽可能的平坦。

Claims (6)

1、一种瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，它包括半导体激光器(1)，透镜耦合系统之准直透镜(2)和聚焦透镜(3)，光子晶体光纤(5)，斜角(6)，垂直切割端(8)，双程前向结构中使用的90度角二色镜(4)和准直输出透镜(7)，双程后向结构中使用的45度角二色镜(9)和全反镜(10)，它有两种结构：

1)双程前向结构，半导体激光器(1)发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统(2、3)、90度角二色镜(4)耦合进入作为增益介质的光子晶体光纤(5)并被其吸收产生超荧光，所产生的超荧光由斜角(6)输出、最后由准直输出透镜(7)将输出光准直导出；

2)双程后向结构，半导体激光器(1)发出的泵浦光依次经过准直透镜(2)、45度角二色镜(9)和聚焦透镜(3)耦合进入作为增益介质的光子晶体光纤(5)并被其吸收产生超荧光，光子晶体光纤的垂直切割端(8)放置全反镜(10)，所产生的超荧光由斜角(6)输出，并由聚焦透镜(3)反向将其准直，最后由45度角二色镜(9)将准直的超荧光反射导出；

其特征在于：光子晶体光纤(5)作为增益介质，是具有大模面积结构的掺镱双包层光子晶体光纤，其纤芯的数值孔径范围在0.01～0.1，光纤的两个端面一端作垂直切割、抛光处理，另一端利用二氧化碳激光器加热使空气孔塌缩，然后将其研磨成5°～15°斜角(6)，切割、抛光处理。

2.根据权利要求1所述的瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，其特征在于：光源的泵浦源是半导体激光器(1)，其提供的功率不小于5W。

3.根据权利要求1所述的瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，其特征在于：透镜耦合系统，由准直透镜(2)和聚焦透镜(3)构成。

4.根据权利要求1所述的瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，其特征在于：在双程前向结构中，90度角二色镜(4)为90°角放置使用的二色镜，与光子晶体光纤垂直切割端(8)紧贴。

5.根据权利要求1所述的瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，其特征在于：在双程后向结构中，45度角二色镜(9)为45°角放置使用的二色镜，此二色镜法线与泵浦光传播方向呈45°角放置于准直透镜(2)和聚焦透镜(3)之间。

6.根据权利要求1所述的瓦量级宽带掺镱光子晶体光纤超荧光光源，其特征在于：在双程后向结构中，全反镜(10)紧贴光子晶体光纤垂直切割端(8)放置。

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