CN101257180A - 一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源 - Google Patents

Abstract

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，包括：半导体激光器(LD)1，耦合透镜系统2(包括准直透镜3和聚焦透镜4)，信号光全反镜5，高增益光纤6(泵浦光输入端在图(a)结构中为垂直切割端8，在图(b)结构中为斜角端7，超荧光输出端在图(a)、(b)中均为斜角端7)四部分。超荧光光源采用基本结构，在超短长度高增益光纤中实现高功率、宽带宽、平均波长稳定的超荧光输出。对于未来集成光学、新一代光纤通信技术和光纤传感技术的发展具有很强的应用价值。

Description

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源

【技术领域】：

本发明属于光纤通信技术和光纤传感技术领域，具体涉及一种基于超短长度的特种铒镱共掺高增益玻璃光纤所发明的高输出功率、宽带宽、平均波长稳定的超荧光光源。

【背景技术】：

随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，人们对宽带光源提出了更高的要求，即：高输出功率，宽带宽，良好的带宽平坦度及稳定的输出波长。传统的商用宽带光源，如发光二极管(LED)和超发光二极管(SLD)，虽然可以提供较宽的输出带宽，但是他们的输出功率只能达到μW量级，并且输出光的光谱稳定性较差(10^-4/℃)，因此他们无法满足以上要求。与传统的宽带光源不同，超荧光光纤光源(SFS)利用在泵浦光作用下增益光纤中掺杂离子放大的自发辐射的性质制作而成，即：当泵浦光能量较低时，在光纤中的掺杂离子只能在亚稳态能级和基态能级之间由自发辐射作用产生荧光。随着泵浦光功率的增强，亚稳态能级和基态能级之间粒子数形成反转分布，但尚未达到激光输出的阈值条件，所产生的荧光沿光纤的特定方向被逐渐放大，从光纤中输出具有一定光谱线宽的超荧光。通过在光纤中掺杂不同的稀土元素如：铒、镱、铥等，可以制作出不同类型的SFS。

掺铒超荧光光纤光源(ED-SFS)由于具有输出功率高、光谱稳定性好、受环境影响小、荧光谱线宽、使用寿命长和易与光纤耦合等优点，被认为是最有潜力的新一代宽带光源。目前ED-SFS已经在光纤陀螺(FOG)、光纤光栅传感系统、光谱测试、低成本接入网、光纤传感、光纤无源器件制作监测、掺铒光纤放大器(EDFA)的测量以及密集波分复用(DWDM)中得到了非常广泛的应用。

一般来讲，SFS有四种基本结构，如图1所示。其中，(a)是单程前向结构(SPF)；(b)是单程后向结构(SPB)；(c)是双程前向结构(DPF)；(d)是双程后向结构(DPB)。所谓的前向和后向分别指输出光为前向的放大的自发辐射(ASE)或者是后向的ASE。单程结构是指输出光只利用前向或后向的ASE，因此，光纤的两个端面一般都制作成和光轴成7°以上的夹角以减少光纤端面的菲涅尔反射。双程结构是指输出光同时利用前向和后向的ASE，输出超荧光的光纤端面制作成和光轴成7°以上的夹角，另一端面与光轴垂直，并安装信号光反射镜，将另一个方向的ASE反射回光纤中，也从输出超荧光的端面输出。

自从1990年，美国斯坦福大学的P.F.Wysocki等首次报道了ED-SFS的实验成果之后，人们对单程前向，单程后向，双程前向，双程后向等四种基本的ED-SFS结构在理论和实验上作了详细的研究与比较。直到1996年，L.A.Wang等人对双程后向的ED-SFS作出了实验上的报道，并在1999年做出了理论上的模拟结果，至此证明了在四种基本结构中，双程后向ED-SFS的整体性能优于其它基本结构的ED-SFS，具有更高的输出功率，更好的波长稳定性以及更大的线宽。对于双程后向的ED-SFS，上海交通大学的郝素君等人于2002年，已申请发明专利：02111464.1。

随着对宽带光源性能要求的日益提高，近十年来人们基于以上四种基本结构，又提出了许多新型结构的ED-SFS。主要可以归纳为：双向泵浦ED-SFS和多级结构ED-SFS两方面。

双向泵浦SFS是指用两个LD作为泵浦源从掺Er光纤的两端同时泵浦进去的ED-SFS，如图2所示。其中(a)两个泵浦源均为980nmLD，称为双向对称泵浦ED-SFS。中国科技大学的黄文财等人已于2002年申请发明专利：02113165.1。(b)一个泵浦源为980nmLD，另一个泵浦源为1480nmLD，称为双向不对称泵浦ED-SFS。南开大学的袁树忠等人已于2003年申请实用新型专利：200320112294.4。

多级结构ED-SFS是指有两段以上的掺铒光纤，一段掺铒光纤作为产生L波段光的种子光源，而其他掺铒光纤作为L波段的种子光的放大器和C波段光的光源，最后将两部分光一起作为输出光的ED-SFS。对于两个掺铒光纤的二级结构，三星电子株式会社已于1999年，在我国申请发明专利：99118712.1。

在实际应用中，更多的时候是将多级结构和双向泵浦相结合组成新的更复杂的超荧光结构。目前有很多关于这类结构ED-SFS的报道，如：WencaiHuang，Xiulin Wang，Benrui Zheng，Huiying Xu，Chenchun Ye，and ZhipingCai，“Stable and wideband L-band erbium superfluorescent fiber sourceusing improved bidirectional pumping configuration，”Optics Express，15，9778-9783(2007)；Sheng-Ping Chen，Yi-Gang Li，Jian-Ping Zhu，HuaWang，Yun Zhang，Tuan-Wei Xu，Ru Guo，Ke-Cheng Lu，“Wat t-Level L bandsuperfluorescent fiber source，”Optics Express，13，1531-1356(2005)。主要的发明专利有：Gaelle Ales等人申请的美国专利：6,507,429；三星电子株式会社于2004年，在我国申请的双向泵浦二级结构ED-SFS的发明专利：2004100447678.1；南京大学强则煊等人于2004年申请的双向泵浦三级结构ED-SFS的发明专利：200410041815.0等等。

除此之外，对于输出偏振光的超荧光光源也有一定的发明专利，如：斯坦福大学于1997年申请的发明专利：97111588.5；上海光机所于2006年申请的发明专利：200610027501.4。

然而，以上所有结构的ED-SFS所用的掺铒光纤长度都很长，往往都在几米甚至几十米。这些传统的掺铒光纤器件造价相对较贵，并且光纤中非线性效应很强，会影响到ED-SFS的性能。另外，长掺铒光纤器件不满足集成光学对未来光源的发展要求，从而限制了ED-SFS的应用.

如果ED-SFS中的光纤长度能缩短到十厘米量级，不但可以大大缩小光源体积，而且可以将光纤中的非线性效应忽略。这对于光子集成的应用无疑是很有益处的。

为了实现超短长度的超荧光光纤光源，一方面，要求光纤必须单程具有足够的增益。常规的掺铒光纤由于没有足够的单程增益，因此很难在十厘米量级的长度中得到超荧光；另一方面，要求能够做到有效地抑制激光振荡的产生。因为高增益要求泵浦功率相应地提高，而对于长度过短的光纤(小于10cm)在实验操作中很难抑制光纤两端对信号光的反馈，因此只能产生激光，而探测不到超荧光的输出。

目前，对于短长度的掺铒超荧光光纤光源国际上的报道极少，只有美国NP公司所申请的美国专利：20040109225。他们采用多模侧面泵浦的方式将泵浦光耦合进一段无源光纤，再将无源光纤中的泵浦光以端面泵浦的方式耦合进掺杂光纤，制作出了后向结构的超短长度超荧光光纤光源，给出的实施例中，单程后向的超荧光光源中光纤长度为30cm，双程后向的超荧光光源中的光纤长度为20cm。

但是，一般来说后向结构的SFS光谱的稳定性不如双程前向结构SFS优越，众所周知，SFS的稳定性直接决定了光纤陀螺(FOG)的测量精度，因此双程前向结构SFS更利于制作高精度的FOG。而且双程前向结构的SFS在所有基本结构中具有最低的抽运阈值，降低了对泵浦光源的要求。另外，以上专利中所采用的这种泵浦方式结构相对复杂，对光路的设计要求较高，并且较端面泵浦来讲，侧面泵浦具有效率低、模式匹配差、波长不匹配的缺点。

国内对超荧光的研究起步较晚，对于超短长度的掺铒超荧光光纤光源更是一个空缺。

因此，为了改进以上专利中的缺点，为了能在未来光通信发展中占有一席之地，我国非常有必要对超短长度超荧光光纤光源进行研制开发。

【发明内容】：

本发明为解决以上所提出的问题，设计了一种基于超短长度(仅为10-20cm)的特种铒镱共掺高增益玻璃光纤所发明的高输出功率、宽带宽、平均波长稳定的超荧光光源。

本发明采取了如下技术方案：

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于包括：泵浦源，耦合透镜系统，信号光全反镜，高增益光纤。

所述的泵浦源经过耦合透镜系统将泵浦光以端面泵浦的方式耦合到高增益光纤的包层中，泵浦光在包层中传播，在纤芯中镱离子的敏化作用下，铒离子被泵浦光激发到亚稳态，铒离子在从亚稳态向基态跃迁的过程中产生在纤芯中传播的宽带信号光。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的泵浦源可以是中心波长为976nm的高功率多模半导体激光器，也可以是其它激光器，采用端面泵浦的方式将泵浦光耦合进高增益光纤。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的耦合透镜系统包括准直透镜和聚焦透镜两部分。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的信号光全反镜对1540nm及其附近的光具有高反射率，对976nm及其附近的光具有高透过率。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的高增益光纤为高掺杂的铒镱共掺玻璃光纤，高增益光纤可以为双包层结构，也可以只有一个包层，纤芯可以和包层为同心结构，也可以是偏心光纤，光纤长度为10cm-20cm。

所述的高掺杂的铒镱共掺玻璃光纤，其特征在于所述的铒离子掺杂浓度大于10²⁶ions/m³，镱离子掺杂浓度大于10²⁷ions/m³，掺杂玻璃可以是磷酸盐玻璃，也可以是碲酸盐玻璃。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的高增益光纤的泵浦光输入端可以为垂直切割端，也可以为斜角端，超荧光输出端为斜角端，斜角端的倾斜角在7°-15°之间。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于可以采用两种基本结构：

(1)双程前向结构：泵浦源发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统、信号光全反镜、垂直切割端进入高增益光纤，高增益光纤的垂直切割端紧贴信号光全反镜，最后由另一斜角端输出。

(2)单程前向结构：泵浦源发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统、斜角端进入高增益光纤，最后由另一斜角端输出。

也可以采用双程后向结构或者单程后向结构。

所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于可以在超荧光输出端后面可以加入光隔离器，进一步抑制激光的产生。

如图3所示，一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源包括：半导体激光器(LD)1，耦合透镜系统2(包含准直透镜3和聚焦透镜4)，信号光全反镜5，高增益光纤6(泵浦光输入端在图3(a)结构中为垂直切割端8，在图3(b)结构中为斜角端7，超荧光输出端在图3(a)、(b)中均为斜角端7)四部分。

其中，高增益光纤采用铒镱共玻璃光纤(EYDF)，这是因为：一、镱离子对980nm泵浦光的吸收截面是铒离子的十倍，并且可以通过交叉驰豫作用将吸收的能量传递给铒离子；二、镱离子的加入可以减少由于铒离子掺杂浓度过高而引起的淬灭效应。另外，玻璃基质通常选用磷酸盐玻璃或者是碲酸盐玻璃，它们较传统的硅酸盐玻璃对铒离子具有更高的溶解度。

主要的发光原理是：当泵浦光入射到铒镱共掺光纤中时，泵浦光首先被镱离子吸收，而后通过交叉驰豫作用将能量传递给铒离子，使铒离子从⁴I_15/2能级泵浦到⁴I_11/2能级，铒离子再通过非辐射弛豫作用，跃迁到⁴I_13/2能级。当泵浦光能量较低时，光纤中的铒离子只能在⁴I_13/2能级与⁴I_15/2能级之间由自发辐射作用产生荧光。随着泵浦光功率的增强，⁴I_13/2能级与⁴I_15/2能级之间粒子数形成反转分布，但尚未达到激光输出的阈值条件，所产生的荧光沿光纤的特定方向被逐渐放大，出现由自发辐射荧光引起的受激辐射光，即放大的自发辐射。具体的跃迁过程如图4所示。

当ASE稳定输出时，每个能级上的粒子数密度可以用以下速率方程来描述：

$\frac{{\mathrm{dN}}_1}{\mathrm{dt}}=-(R_{13}+W_{12})N_1+(W_{21}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2})N_2+C_{\mathrm{up}}{N_2}^2$

$+C_{\mathrm{up}}{N_3}^2-C_{14}{N}_1{N}_4-K_{\mathrm{tr}}{N}_1{N_2}^{\mathrm{Yb}}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_2}{\mathrm{dt}}=W_{12}{N}_1-(W_{21}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2})N_2+\frac{N_3}{{\mathrm{\τ}}_{32}}-2C_{\mathrm{up}}{N_2}^2+2C_{14}{N}_1{N}_4---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_3}{\mathrm{dt}}=R_{13}{N}_1-\frac{N_3}{{\mathrm{\τ}}_{32}}-2C_{\mathrm{up}}{N_3}^2+\frac{N_4}{{\mathrm{\τ}}_4}+K_{\mathrm{tr}}{N}_1{N_2}^{\mathrm{Yb}}---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_4}{\mathrm{dt}}=C_{\mathrm{up}}{N_2}^2-C_{14}{N}_1{N}_4-\frac{N_4}{{\mathrm{\τ}}_4}+\frac{N_5}{{\mathrm{\τ}}_5}---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{dN}}_5}{\mathrm{dt}}=C_{\mathrm{up}}{N_3}^2-\frac{N_5}{{\mathrm{\τ}}_5}---\left(5\right)$

N_Er＝N₁+N₂+N₃+N₄+N₅         (6)

$\frac{{{\mathrm{dN}}_1}^{\mathrm{Yb}}}{\mathrm{dt}}=-{R_{12}}^{\mathrm{Yb}}{N_1}^{\mathrm{Yb}}+{R_{21}}^{\mathrm{Yb}}{N_2}^{\mathrm{Yb}}+\frac{{N_2}^{\mathrm{Yb}}}{{{\mathrm{\τ}}_{21}}^{\mathrm{Yb}}}+K_{\mathrm{tr}}{N}_1{N_2}^{\mathrm{Yb}}---\left(7\right)$

$\frac{{{\mathrm{dN}}_2}^{\mathrm{Yb}}}{\mathrm{dt}}={R_{12}}^{\mathrm{Yb}}{N_1}^{\mathrm{Yb}}-{R_{21}}^{\mathrm{Yb}}{N_2}^{\mathrm{Yb}}-\frac{{N_2}^{\mathrm{Yb}}}{{{\mathrm{\τ}}_{21}}^{\mathrm{Yb}}}-K_{\mathrm{tr}}{N}_1{N_2}^{\mathrm{Yb}}---\left(8\right)$

N_Yb＝N₁ ^Yb+N₂ ^Yb              (9)

其中N₁、N₂、N₃、N₄、N₅和N_Er分别是铒离子在⁴I_15/2、⁴I_13/2、⁴I_11/2、⁴I_9/2、⁴F_7/2能级上的粒子数密度和总的铒离子浓度(ions/m³)。N₁ ^Yb、N₂ ^Yb和N_Yb分别是镱离子在²F_7/2，²F_5/2能级上的粒子数密度和总的镱离子浓度(ions/m³)。τ_n是铒离子相应能级的能级寿命，τ₂₁ ^Yb是镱离子在²F_5/2能级上的能级寿命。C_up是铒离子在⁴I_13/2和⁴I_11/2能级间的共协上转换系数，C₁₄是交叉弛豫系数，K_tr是从镱离子到铒离子的能量转移系数。R₁₃、R₁₂ ^Yb分别是铒离子、镱离子基态泵浦受激吸收跃迁几率，R₂₁ ^Yb表示镱离子激发态受激发射跃迁几率，W₁₂、W₂₁分别表示铒离子亚稳态受激吸收、发射几率。

R₁₃、R₁₂ ^Yb、R₂₁ ^Yb和W₁₂、W₂₁与光强成正比：

$R_{13}=\frac{I_p(x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_p}{\mathrm{\σ}}_{13}---\left(10\right)$

${R_{12}}^{\mathrm{Yb}}=\frac{I_p(x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_p}{{\mathrm{\σ}}_{12}}^{\mathrm{Yb}}---\left(11\right)$

${R_{21}}^{\mathrm{Yb}}=\frac{I_p(x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_p}{{\mathrm{\σ}}_{21}}^{\mathrm{Yb}}---\left(12\right)$

$W_{12}=\frac{I_s(x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_s}{\mathrm{\σ}}_{12}---\left(13\right)$

$W_{21}=\frac{I_s(x,y,z)}{{\mathrm{hv}}_s}{\mathrm{\σ}}_{21}---\left(14\right)$

(10)-(14)表达式中，I_p、I_s分别是泵浦光、信号光的强度。v_p、v_s分别是泵浦光、信号光的频率，h是Planck常数。σ₁₃是铒离子对频率为v_p的泵浦光的吸收截面，σ₁₂ ^Yb和σ₂₁ ^Yb分别是镱离子对频率为v_p的泵浦光的吸收和发射截面，σ₁₂和σ₂₁分别是铒离子对频率v_s的信号光的吸收和发射截面。

速率方程结合功率传输方程(15)，(16)可以数值模拟出超荧光光源的输出性质。图5给出了通过数值模拟得出的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的功率输出曲线。

$\frac{{\mathrm{dI}}_p(r,\mathrm{\θ},z)}{\mathrm{dz}}=-a_p{I}_p(r,\mathrm{\θ},z)---\left(15\right)$

$\frac{{\mathrm{dI}}_s(r,\mathrm{\θ},z)}{\mathrm{dz}}=g_s{I}_s(r,\mathrm{\θ},z)\±{\mathrm{mhv}}_s\mathrm{\Δ}{v}_s{g}_s---\left(16\right)$

I_p、I_s分别是泵浦光、信号光的强度。v_s是信号光的频率，h是Planck常数，Δv_s是信号光的带宽，a_p和g_s分别为功率吸收和增益系数，它们的表达式分别为：

a_p＝σ₁₃N₁(r，θ，z)+σ₁₂ ^YbN₁ ^Yb(r，θ，z)-σ₂₁ ^YbN₂ ^Yb(r，θ，z)   (17)

g_s＝σ₂₁N₂(r，θ，z)-σ₁₂N₁(r，θ，z)                            (18)

按照图3所示，本发明所设计的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源可以采用以下两种结构：

(a)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、信号光全反镜3、垂直切割端8进入高增益光纤6，最后由斜角端7输出。

(b)单程前向结构

半导体激光器1发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统2、斜角端7进入高增益光纤6，最后由斜角端7输出。

高增益光纤采用端面包层泵浦的方式，将端面处理成斜角是为了抑制端面处信号光的菲涅尔反射。为了提高泵浦效率，高增益光纤可以设计为偏心光纤，即，如图3所示：光纤纤芯10平行于光纤光轴9，但不与其重合。

本发明所设计的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源具有以下优点：

1采用铒镱共掺高增益玻璃光纤，缩短了超荧光光源中增益光纤的长度，从而减少了光纤中非线性效应的影响，并且降低了超荧光光源器件的成本。

2可以实现高功率，宽带宽，平均波长稳定的超荧光输出，适合于光纤通信和光纤传感的发展要求。

3偏心光纤的设计，并采用端面包层泵浦的方式，具有效率高、模式匹配好、波长匹配等优点。

4在结构上，采用的单程前向结构，组件结构简单，容易制作。

5在结构上，采用的双程前向结构，光谱稳定性好，抽运阈值低。

6超短长度超荧光光源较传统宽带光源更适合于未来集成光学的应用。

【附图说明】：

图1为SFS的四种基本结构示意图：(a)SPF，(b)SPB，(c)DPF，(d)DPB。

图2为双向泵浦SFS结构示意图(a)双向对称泵浦ED-SFS，(b)双向不对称泵浦ED-SFS。

图3为一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源结构图：(a)双程前向结构，(b)单程前向结构。

其中，1为半导体激光器(LD)，2为耦合透镜系统，3为准直透镜，4聚焦透镜，5为信号光全反镜，6为高增益光纤，7为斜角端，8为垂直切割端，9为光纤光轴，10为光纤纤芯，11为光纤包层。

图4为Er³⁺Yb³⁺能级跃迁示意图。

图5为数值模拟得出的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的功率输出曲线。

图6为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的功率输出曲线。

图7为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光谱。

图8为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光平均波长曲线。

图9为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光带宽曲线。

【具体实施例】：

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但是本发明不限于这些实施例。

具体实施例1

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，采用如图3(a)的结构，包括：半导体激光器(LD)1，耦合透镜系统2，信号光全反镜5，高增益光纤6(泵浦光输入端为垂直切割端8，超荧光输出端为斜角端7)四部分。其特征在于：

LD1为Apollo公司的高功率半导体激光器(型号：S20-976-1)最高输出功率可以达到9.20W，中心波长为976nm；

耦合透镜系统2由一个准直透镜3和一个聚焦透镜4组成，可以将泵浦光高效的耦合入高增益光纤6的端面内；

信号光全反镜5对1540nm及其附近的光的反射率大于99％，对976nm及其附近的光的反射率小于6％；

高增益光纤6采用高掺杂铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤(EYDF)，光纤纤芯中铒离子、镱离子含量分别为1wt％和8wt％，光纤数值孔径为0.214。将EYDF泵浦光输入端的端面做垂直切割，并将EYDF超荧光输出端的端面处理成7°-15°的倾斜角以减小输出端的端面处对信号光的菲涅尔反射，从而抑制激光振荡的产生。并且为了提高泵浦效率，EYDF制作成偏心光纤，并采用端面包层泵浦的方式。

采用的EYDF的长度为10.4cm。

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，实施步骤为：

(1)检测LD1的输出功率和中心波长，调节工作温度，确保LD可以稳定的工作；

(2)在泵浦源的尾端(SMA905)后，分别连接准直透镜3和聚焦透镜4，调节光路的平行与于准直；

(3)在聚焦透镜4的焦点附近连接信号光全反镜5，并将铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的垂直切割端8紧贴信号光全反镜；

(4)将功率计置于铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的斜角端7后面，调节信号光全反镜5和铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的位置，使得超荧光输出功率达到最大值；

(5)撤去功率计，将光谱分析仪(OSA，Advantest Q8384)置于铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的斜角端7后面，微调信号光全反镜5和铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的位置，使得超荧光输出光谱达到最佳；

(6)得到双程前向结构的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，LD1发出的976nm泵浦光依次经过透镜耦合系统2、信号光全反镜5、垂直切割端8耦合进入铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6中，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6所产生的后向ASE通过信号光全反镜5被反射入光纤并再次被放大，和产生的前向ASE一起由斜角端7输出。

对一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的性能进行测定：

图6为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的功率输出曲线。最大输出功率可以达到16.85mW。

图7(a)为当光纤长度等于10.4cm时，实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光谱。泵浦光为0.336W时，超荧光产生。随着泵浦光功率的升高，光谱线宽变窄，当泵浦光达到1.84W时，出现激光。

图8为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光平均波长曲线。平均波长定义为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}$

随着泵浦光的增强，光谱的线宽逐渐变窄，平均波长向激光输出波长1535nm漂移。实验测得：从超荧光的产生到激光出现前平均波长一共漂移了9.8nm。

图9为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光带宽曲线。带宽定义为：

$\mathrm{BW}=\frac{{[\∫P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}]}^2}{{\∫P}^2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

随着泵浦光的增强，超荧光的带宽逐渐变窄，直到最后输出激光。实验测得：从开始产生超荧光到激光出现前，带宽从56.884nm减小到18.416nm。

具体实施例2：

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，采用如图3(a)的结构，包括：半导体激光器(LD)1，耦合透镜系统2，信号光全反镜5，高增益光纤6(泵浦光输入端为垂直切割端8，超荧光输出端为斜角端7)四部分。其特征在于：

LD1为Apollo公司的高功率半导体激光器(型号：S20-976-1)最高输出功率可以达到9.20W，中心波长为976nm；

耦合透镜系统2由一个准直透镜3和一个聚焦透镜4组成，可以将泵浦光高效的耦合入高增益光纤6的端面内；

信号光全反镜5对1540nm及其附近的光的反射率大于99％，对976nm及其附近的光的反射率小于6％；

高增益光纤6采用高掺杂铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤(EYDF)，光纤纤芯中铒离子、镱离子含量分别为1wt％和8wt％，光纤数值孔径为0.214。将EYDF泵浦光输入端的端面做垂直切割，并将EYDF超荧光输出端的端面处理成7°-15°的倾斜角以减小输出端的端面处对信号光的菲涅尔反射，从而抑制激光振荡的产生。并且为了提高泵浦效率，EYDF制作成偏心光纤，并采用端面包层泵浦的方式。

采用的EYDF的长度为15.2cm。

一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，实施步骤为：

(1)检测LD1的输出功率和中心波长，调节工作温度，确保LD可以稳定的工作；

(2)在泵浦源的尾端(SMA905)后，分别连接准直透镜3和聚焦透镜4，调节光路的平行与于准直；

(3)在聚焦透镜4的焦点附近连接信号光全反镜5，并将铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的垂直切割端8紧贴信号光全反镜；

(4)将功率计置于铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的斜角端7后面，调节信号光全反镜5和铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的位置，使得超荧光输出功率达到最大值；

(5)撤去功率计，将光谱分析仪(OSA，Advantest Q8384)置于铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的斜角端7后面，微调信号光全反镜5和铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6的位置，使得超荧光输出光谱达到最佳；

(6)得到双程前向结构的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，LD1发出的976nm泵浦光依次经过透镜耦合系统2、信号光全反镜5、垂直切割端8耦合进入铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6中，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤6所产生的后向ASE通过信号光全反镜5被反射入光纤并再次被放大，和产生的前向ASE一起由斜角端7输出。

对一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的性能进行测定：

图6为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源的功率输出曲线。最大输出功率可以达到45.85mW。

图7(b)为当光纤长度等于15.2cm时，实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光谱。泵浦光为0.624W时，超荧光产生。随着泵浦光功率的升高，光谱线宽变窄，当泵浦光达到2.11W时，出现激光。

图8为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光平均波长曲线。平均波长定义为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}$

随着泵浦光的增强，光谱的线宽逐渐变窄，平均波长向激光输出波长1535nm漂移。实验测得：从超荧光的产生到激光出现前平均波长一共漂移了8.4nm。

图9为实验测得的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源在不同泵浦功率下的输出光带宽曲线。带宽定义为：

$\mathrm{BW}=\frac{{[\∫P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}]}^2}{{\∫P}^2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

随着泵浦光的增强，超荧光的带宽逐渐变窄，直到最后输出激光。实验测得：从开始产生超荧光到激光出现前，带宽从29.315nm减小到5.0881nm。

本发明所设计的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源可以输出高功率，宽带宽，平均波长稳定的超荧光。采用的单程前向结构，组件结构简单，容易制作；采用的双程前向结构，光谱稳定性好，抽运阈值低。偏心光纤的设计，并采用端面包层泵浦的方式，具有效率高、模式匹配好、波长匹配等优点。高增益光纤的应用，有效地缩短了光纤的长度，从而减少光纤中非线性效应的影响，使其更适合于集成光学的应用，而且对于降低器件成本有很大的帮助。对于新一代光纤通信技术和光纤传感技术的发展具有很强的应用价值。

Claims (9)

1、一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于包括：泵浦源，耦合透镜系统，信号光全反镜，高增益光纤。

所述的泵浦源经过耦合透镜系统将泵浦光以端面泵浦的方式耦合到高增益光纤的包层中，泵浦光在包层中传播，在纤芯中镱离子的敏化作用下，铒离子被泵浦光激发到亚稳态，铒离子在从亚稳态向基态跃迁的过程中产生在纤芯中传播的宽带信号光。

2、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的泵浦源可以是中心波长为976nm的高功率多模半导体激光器，也可以是其它激光器，采用端面泵浦的方式将泵浦光耦合进高增益光纤。

3、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的耦合透镜系统包括准直透镜和聚焦透镜两部分。

4、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的信号光全反镜对1540nm及其附近的光具有高反射率，对976nm及其附近的光具有高透过率。

5、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的高增益光纤为高掺杂的铒镱共掺玻璃光纤，高增益光纤可以为双包层结构，也可以只有一个包层，纤芯可以和包层为同心结构，也可以是偏心光纤，光纤长度为10cm-20cm。

6、按照权利要求5所述的高掺杂的铒镱共掺玻璃光纤，其特征在于所述的铒离子掺杂浓度大于10²⁶ions/m³，镱离子掺杂浓度大于10²⁷ions/m³，掺杂玻璃可以是磷酸盐玻璃，也可以是碲酸盐玻璃。

7、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于所述的高增益光纤的泵浦光输入端可以为垂直切割端，也可以为斜角端，超荧光输出端为斜角端，斜角端的倾斜角在7°-15°之间。

8、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于可以采用两种基本结构：

(1)双程前向结构：泵浦源发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统、信号光全反镜、垂直切割端进入高增益光纤，高增益光纤的垂直切割端紧贴信号光全反镜，最后由另一斜角端输出。

(2)单程前向结构：泵浦源发出的泵浦光依次经过透镜耦合系统、斜角端进入高增益光纤，最后由另一斜角端输出。

也可以采用双程后向结构或者单程后向结构。

9、按照权利要求1所述的一种超短长度铒镱共掺高增益玻璃光纤超荧光光源，其特征在于可以在超荧光输出端后面可以加入光隔离器，进一步抑制激光的产生。

Images