CN100505442C - 一种双波长单纵模光纤环行激光器 - Google Patents
一种双波长单纵模光纤环行激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种双波长单纵模光纤环行激光器，光环行器的一个端口依次通过偏振控制器，光耦合器，与掺铒光纤放大器的输入端相接；光环行器的第二端口依次通过信号/泵浦波分复用器、掺铒光纤，与布拉格光纤光栅相接，泵浦激光器与泵浦波分复用器相接，用于对掺铒光纤进行同向泵浦；光环行器的第三端口依次通过偏振控制器、带阻滤波器、带通滤波器，与掺铒光纤放大器的输出端相接，带通滤波器与带阻滤波器构成一个对称的双透射峰窄带滤波器。本发明结构简单，成本低，能在室温下稳定运行，可产生具有较高频率差的双波长单纵模激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤环行激光器，特别是涉及一种双波长单纵模光纤环形激光器，可广泛用于光纤无线通信ROF(Radio Over Fiber)、波分复用光通信、卫星通信、雷达及光纤传感技术等领域。
背景技术
光纤激光器是高速、大容量光通信系统的关键器件，具有结构简单、散热好、阈值低、线宽窄以及易与光纤高效耦合等优点。
随着光纤骨干网数据传输速率的不断提高，接入网已成为限制用户通信带宽的主要瓶颈。目前，宽带接入技术主要有光纤到户和宽带无线接入网络两大发展趋势。与有线接入方式相比，无线接入网络具有可移动性、灵活性高、建网方便、覆盖能力强等优点。随着无线接入网络的发展，需要提高无线通信的载波频率以增加通信带宽，其中非常有前途的宽带接入方案是采用60GHz频率的电磁波作为载波，具有无线通信频带宽、频率重复利用率高、用户间串扰低、保密性好等优点。在未来的第四代无线网络中，有可能实现数据带宽为100Mb/s的高速移动接入和1000Mb/s的静止接入，比即将推出的3G系统中最高2Mb/s的数据带宽提高约3个量级。
对于高频(如60GHz频段)微波信号，若采用传统电域方法产生和处理，由于电子器件速度的限制，则成本高、实现困难。采用光学方法产生微波信号，不仅容易实现，而且用光学技术可以实现数据信号的加载和传输，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。用光学方法进行微波信号的产生、处理和传输，不但在光纤—无线接入网络(ROF)中有重要应用，而且对于雷达控制与数据信号传输等应用也具有重要意义。
用光学方法产生微波信号主要包括光调制法和光学差拍法。光调制法需要高频微波源和高速调制器，成本高。光差拍法是将两束频率差等于所需微波频率的激光在高速光电探测器中进行差频，得到微波电信号，成本低，性能稳定。用光差拍技术产生高频(如60GHz)微波信号的关键是得到频率差为所需微波频率的具有两个波长的微波光源；其中最具应用前景的微波光源是双波长单纵模光纤环行激光器，它产生的微波信号相位噪声小，结构简单，性能稳定。但是，光纤环行激光器一般用掺铒光纤做增益介质，存在由于掺铒光纤增益均匀展宽而导致的波长竞争问题，多波长激光难以在室温下稳定运行。为了得到单纵模激光，必须采用高性能选模技术，如采用多重超窄带滤波器进行选模。目前国内外学术论文报道了多种光学方法产生微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器。最近，清华大学陈向飞博士等人采用等相移技术制作的超窄双透射谱光纤布拉格光栅做激光模式滤波器，用半导体放大器做增益介质，提出了一种双波长单纵模光纤环行激光器，实验上得到了最高为40.95GHz微波信号(X.F.Chen，Z.C.Deng，and J.P.Yao，“Photonic generation of microwave signal using adual-wavelength single-longitudinal-mode fiber ring laser，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.vol.54，pp.804-809，Feb.2006)。但是，用等相移技术制作超窄双透射谱光纤布拉格光栅，工艺较复杂，波长间隔难以控制，而且频率间隔难以高于40GH。华中科技大学孙军强教授采用基于光纤布拉格光栅的法布里-珀罗(F-P)滤波器和掺铒光纤饱和吸收体进行激光选模，用掺铒光纤做增益介质，提出了一种双波长单纵模全光纤环行激光器，实验上得到了最高为25.4GHz的微波信号(J.Q.Sun，and L.Huang，“Photonic generation offrequency-switchable microwave signals exploiting polarization-inducedspectrum splitting in fiber grating-based Fabry-Perot filters，”Opt.Commun.Vol.273，pp.482-487，May.2007)。但是，这种方法得到的微波信号频率较低，小于26GHz。国内外专利和非专利文献的检索结果表明，目前还没有光学方法产生高达60GHz微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器的报道。
综上所述，目前用光差拍法获得微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器，存在产生的微波频率较低(小于41GHz)、双波长光纤激光器的关键元件双透射峰窄带滤波器制作难度大、单纵模激光选频困难以及掺铒光纤激光器存在较强模式竞争而导致多波长激光难以在室温下稳定工作等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双波长单纵模光纤环行激光器，该激光器能结构简单，成本低，能在室温下稳定运行，可产生具有较高频率差的双波长单纵模激光。
本发明的技术方案：本发明包括掺铒光纤放大器1、第一偏振控制器4、光环行器5、信号/泵浦波分复用器7、掺铒光纤8、布拉格光纤光栅9、第二偏振控制器10、光耦合器11，其特征在于，该激光器还包括带通滤波器2和带阻滤波器3和泵浦激光器6，其中，
光环行器5的第一端口51依次通过第二偏振控制器10和光耦合器11，与掺铒光纤放大器1的输入端相接，光耦合器11还向外部输出部分激光。
光环行器5的第二端口52依次通过信号/泵浦波分复用器7和掺铒光纤8，与布拉格光纤光栅9相接；
光环行器5的第三端口53依次通过第一偏振控制器4、带阻滤波器3和带通滤波器2，与掺铒光纤放大器1的输出端相接；
带通滤波器2与带阻滤波器3构成一个对称的双透射峰窄带滤波器；泵浦激光器6与泵浦波分复用器7的另一端口相接，用于对掺铒光纤8进行同向泵浦。
本发明具有以下有益效果：①与前述文献报道的用相移技术制作的光纤布拉格光栅滤波器和基于光纤布拉格光栅的F-P滤波器相比，本发明采用带通滤波器2与带阻滤波器3连接得到对称的双透射峰窄带滤波器构成简单，易于实现。②可方便实现不同波长间隔的双波长单纵模激光器。因为带通滤波器2与带阻滤波器3的频带比通过级连形成的单模激光器所需要的双透射峰窄带滤波器的频带宽得多，因此带通滤波器与带阻滤波器的制作比双透射峰窄带滤波器简单得多。通过设计带通滤波器2与带阻滤波器3滤波谱的中心波长、带宽，就可构成所需要的双透射峰窄带滤波器，从而产生不同波长间隔的双波长单纵模激光，以满足不同的需要。③本发明产生的激光，通过光差拍法可产生60GHz以上的高频微波信号。目前国内外报道的双波长单纵模光纤环行激光器产生的激光最高只能产生41GHz微波信号。④利用双透射峰窄带滤波器的对称性及掺铒光纤放大器平坦的高增益特性，同时调节两个偏振控制器，使两个激射波长都达到饱和输出功率，从而解决掺铒光纤激光器波长竞争问题，实现双波长激光在室温下稳定工作。⑤用不全完泵浦的掺铒光纤饱和吸收体产生超窄带光栅滤波器，与激光腔中带通滤波器、带阻滤波器、布拉格光纤光栅和掺铒光纤放大器内含的滤波器共同选模，得到单纵模激光。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例实验测得的滤波器光谱图，其中，
图(2a)为带通滤波器光谱图，图(2b)为带阻滤波器光谱图，图(2c)为合成的双透射峰窄带滤波器光谱图；
图3为本发明实施例实验测得的波长间隔为0.48nm(59.83GHz)双波长激光谱图，其中，
图(3a)为二维光谱图，图(3b)为每隔1分钟测一次共测65分钟得到的三维光谱图。
具体实施方式
本发明提出一种基于光学方法产生微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器，包括掺铒光纤放大器1、带通滤波器2、带阻滤波器3、第一偏振控制器4、光环行器5、泵浦激光器6、信号/泵浦波分复用器7、掺铒光纤8、布拉格光纤光栅9、第二偏振控制器10和光耦合器11。
光环行器5的第一端口51依次通过第二偏振控制器10和光耦合器11，与掺铒光纤放大器1的输入端相接，光耦合器11还向外部输出部分激光。
光环行器5的第二端口52依次通过信号/泵浦波分复用器7和掺铒光纤8，与布拉格光纤光栅9相接；泵浦激光器6与泵浦波分复用器7的另一端口相接，用于对掺铒光纤8进行同向泵浦。
光环行器5的第三端口53依次通过第一偏振控制器4、带阻滤波器3、带通滤波器2，与掺铒光纤放大器1的输出端相接。
掺铒光纤放大器1输出光信号，光信号依次通过带通滤波器2、带阻滤波器3、第一偏振控制器4，到达光环行器5的第三端口53；光环行器5的第二端口52输出光信号，光信号依次通过信号/泵浦波分复用器7和掺铒光纤8，到达布拉格光纤光栅9；布拉格光纤光栅9将光信号返回输送，依次通过掺铒光纤8和信号/泵浦波分复用器7，到达光环行器5的第二端口52；光环行器5的第一端口51输出光信号，光信号通过第二偏振控制器10到达光耦合器11。光耦合器11向掺铒光纤放大器1的输入端输出一部分激光，作为反馈激光信号；同时，光耦合器11向外部输出另一部分激光。信号/泵浦波分复用器7的另一端口还与泵浦激光器6相接，泵浦激光器6用于对掺铒光纤8进行同向泵浦。泵浦激光器6可以是980nm或1480nm。光纤布拉格光栅9可以是其他类型的高反射滤波器，如光纤环境等。
本发明的工作原理是：掺铒光纤放大器1作为增益介质，并提供平坦的增益，内含的滤波器对激光频率进行粗选。调节带通滤波器2的中心波长，使带通滤波器2与带阻滤波器3构成一个对称的双透射峰窄带滤波器，以便产生双波长激光。通过设计带通滤波器2和带阻滤波器3的带宽和中心波长，使两个透射峰的频率间距为所需的微波频率。该双波长激光在光电探测器中进行光学差拍，可以得到所需的微波信号。泵浦激光器6通过信号/泵浦波分复用器7对掺铒光纤8进行部分泵浦，掺铒光纤8中没有泵浦的一部分将作为掺铒光纤饱和吸收体，掺铒光纤饱和吸收体的长度和滤波效果，可以通过改变泵浦激光器6的工作电流从而改变泵浦光功率来调节。光纤布拉格光栅9将激光返回到掺铒光纤8，使掺铒光纤8中的入射波与反射波形成驻波，从而形成超窄带折射率光栅滤波器。该光栅滤波器与激光腔中带通滤波器2、带阻滤波器3、光纤布拉格光栅9和掺铒光纤放大器1内含的滤波器共同选模，得到单纵模激光。利用双透射峰窄带滤波器的对称性及掺铒光纤放大器1平坦的高增益特性，同时调节第一偏振控制器4和第二偏振控制器10以改变和稳定光的偏振状态，使两个不同波长的激光都达到饱和输出功率，从而实现双波长激光在室温下稳定工作。光环行器5用来保证掺铒光纤支路正常工作和激光单向运行。
实施例：
光学方法产生60GHz微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器结构如图1所示，一台掺铒光纤放大器1输出的光依次通过可调带通滤波器2、带阻滤波器3、第一偏振控制器4、三端环行器5的第三端口53与第二端口52、980/1550nm波分复用器7、一段3米长的掺铒光纤8，到达经布拉格光纤光栅9，再返回到掺铒光纤8，最后由980/1550nm波分复用器7、三端环行器5的第一端口51、第二偏振控制器10和8：2光耦合器11，回到掺铒光纤放大器1的输入端，构成环行腔。8：2光耦合器11的80％端口112接掺铒光纤放大器的输入端，提供激光反馈，20％端口113输出激光。980nm半导体激光器6通过与980/1550nm波分复用器7的另一端口相接，用于对掺铒光纤8进行同向泵浦，泵浦电流根据作为饱和吸收体掺铒光纤8的需要进行调节。
在本实施例中，掺铒光纤放大器1的小信号平坦区增益为25dB，最大输出功率为15dBm。所用的可调带通滤波器2为Newport/TBF～1550-1.0，实测中心波长从1530nm到1560nm司调，3dB带宽为1.44nm；所用的带阻滤波器3的3dB带宽为0.1nm，中心波长为1551.39nm。用掺铒光纤放大器1的自发谱对带通滤波器2、带阻滤波器3的频谱进行测量，结果如图2(a)、2(b)所示。带通滤波器2与带阻滤波器3连接，以构成双透射峰窄带滤波器。调节带通滤波器2的中心波长及两个偏振控制器，由带通滤波器2与带阻滤波器3合成的滤波器频谱测量结果如图2(c)所示，结果表明双透射峰的波长间距为0.48nm，并且对称性很好。
用分辨率为0.05nm的光谱仪测量该激光器的输出谱，结果如图3(a)所示。两个激射波长分别为1551.21nm和1551.69nm，波长间隔为0.48nm，对应的频率间隔为59.83GHz，消光比大于50dB。由于这两个波长产生于激光器的同一谐振腔，因此有很好的相干性和稳定的相位差，如果用高速光电探测器对它们进行光学差拍，将得到59.83GHz的微波信号。为了检测该激光器的工作稳定性，在室温下每隔10分钟测一次激光谱，共测80分钟，得到的三维频谱如图3(b)所示，结果表明稳定性很好。
实验证明，本发明提供的激光器在室温下能稳定工作，可用来产生高频微波信号，具有很好的应用前景。
Claims (1)
1.一种双波长单纵模光纤环行激光器，包括掺铒光纤放大器(1)、第一偏振控制器(4)、光环行器(5)、信号/泵浦波分复用器(7)、掺铒光纤(8)、布拉格光纤光栅(9)、第二偏振控制器(10)、光耦合器(11)，其中，
光环行器(5)的第一端口(51)依次通过第二偏振控制器(10)和光耦合器(11)，与掺铒光纤放大器(1)的输入端相接，光耦合器(11)还向外部输出部分激光；
光环行器(5)的第二端口(52)依次通过信号/泵浦波分复用器(7)和掺铒光纤(8)，与布拉格光纤光栅(9)相接；
其特征在于，该激光器还包括带通滤波器(2)、带阻滤波器(3)和泵浦激光器(6)，其中，
光环行器(5)的第三端口(53)依次通过第一偏振控制器(4)、带阻滤波器(3)和带通滤波器(2)，与掺铒光纤放大器(1)的输出端相接，带通滤波器(2)与带阻滤波器(3)构成一个对称的双透射峰窄带滤波器；
泵浦激光器(6)与信号/泵浦波分复用器(7)相接，用于对掺铒光纤(8)进行同向泵浦。
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