CN101425655A

CN101425655A - 分布反馈光纤激光器调频、降噪的装置

Info

Publication number: CN101425655A
Application number: CNA2007101766022A
Authority: CN
Inventors: 徐团伟; 李芳�; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-06

Abstract

一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，包括：一半导体激光器；一第一波分复用器的980端与半导体激光器的输出端连接；一第一光隔离器的输入端与第一波分复用器的1550端连接；一有源相移光栅的一端与波分复用器的合波端连接；一第二光隔离器的输入端与有源相移光栅的另一端连接；一第二波分复用器的合波端与第二光隔离器的输出端连接；一偏振控制器的一端与第二波分复用器的1550端连接；一测量反馈部与偏振控制器的另一端连接；一控制部，该控制部的输入端与测量反馈部的输出端连接，用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪。

Description

分布反馈光纤激光器调频、降噪的装置

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，特别是输出频率可调，低噪声的分布反馈光纤激光器。主要用于激光光源和光纤传感领域。

背景技术

以掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器，具有与光纤兼容性好、线宽窄、波长可控等优点，在高灵敏度的干涉仪、高精细光谱、密集波分复用通信、光孤子通信以及光传感等领域有着广泛的应用。直腔结构的光纤激光器分为分布布拉格反射(DBR)和分布反馈(DFB)两种结构，与DBR光纤激光器相比，DFB光纤激光器采用单一相移光栅提供反馈和波长选择，输出为单纵模，不存在模式跳变，相对强度噪声和频率噪声低，无论是作为光源还是作为传感元件，DFB光纤激光器更具有优势，因此DFB光纤激光器日益成为光纤激光器领域的研究热点。

DFB光纤激光器的输出波长有相移光栅的有效折射率、相移量和光栅周期等参数决定，当相移量为π时激光器的阈值功率最低，且输出波长为布拉格波长，在制作过程中采用遮挡法获得等效的π相移光栅。DFB光纤激光器在外界应力、温度变化时都将引起有效折射率和光栅周期的变化，从而导致激光器的输出波长改变。采用温度调谐，随着对温度调节系统的精度的提高，其成本呈指数上涨，同时当温度调节响应速度慢，并且温度调节系统将可能会增加DFB光纤激光器的热噪声水平。

外界环境存在的热扰动，机械振动，声扰动等都将在DFB光纤激光器中引入噪声，通过隔热、防震、隔声封装可以消除、消弱这些噪声源。泵浦源功率和偏振态发生变化时也将引起DFB光纤激光器输出频率的扰动，即引入频率噪声。DFB光纤激光器的固有噪声主要包括1/f噪声、热噪声、散粒噪声和自发辐射引入的噪声。散粒噪声和自发辐射引入的噪声同输出光的平方根成反比，通过增加输出功率可以减小两者的影响，使其比1/f噪声和热噪声低1～2个数量级。而1/f噪声，热噪声，驰豫振荡引入的噪声与有源光纤的材料相关，通过优化光纤激光器的结构参数并不能降低其噪声水平。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种分布反馈光纤激光器调频、降噪的装置，其可满足DFB光纤激光器快速调频，以及激光光源、高精度光纤传感对激光器低噪声水平的要求。该发明采用压电陶瓷应力调频和降噪，克服了温度调频响应慢，成本高等不足。

本发明的技术解决方案如下：

本发明一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，包括：

一半导体激光器，用于泵浦有源光纤，实现粒子数反转；

一第一波分复用器，该第一波分复用器的980端与半导体激光器的输出端连接；

一第一光隔离器，该第一光隔离器的输入端与第一波分复用器的1550端连接，用于隔离反向传播的光；

一有源相移光栅，该有源相移光栅的一端与波分复用器的合波端连接，用于提供光学增益和反馈；

一第二光隔离器，该第二光隔离器的输入端与有源相移光栅的另一端连接，用于隔离反向传播的光；

一第二波分复用器，该第二波分复用器的合波端与第二光隔离器的输出端连接；

一偏振控制器，该偏振控制器的一端与第二波分复用器的1550端连接，用于调节光的偏振态优化偏振方向；

一测量反馈部，该测量反馈部与偏振控制器的另一端连接，用于实现频率噪声的测量；

一控制部，该控制部的输入端与测量反馈部的输出端连接，用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪。

其中所述的测量反馈部包括：

一第一3db耦合器、第二3db耦合器，该第一3db耦合器、第二3db耦合器的一端用一光纤连接；

一第一光电探测器，该第一光电探测器的输入端与第二3db耦合器的一端连接；

一第二光电探测器，该第二光电探测器的输入端与第二3db耦合器的一端连接；

一差分放大器，该差分放大器的两输入端分别与第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接；

一积分器，该积分器的输入端与差分放大器的输出端连接，用于获得一定时间内外界干扰的平均值；

一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与积分器的输出端连接；

一压电陶瓷管，该压电陶瓷管的输入端与低通滤波器的输出端连接；

该压电陶瓷管上缠绕有光纤，该光纤的两端分别与第一3db耦合器、第二3db耦合器连接，用于提供相位补偿使得测量反馈部工作在最灵敏处。

其中所述的控制部包括：

一高通滤波器，用于获得频率噪声；

一模拟加法器，该模拟加法器的一输入端与高通滤波器的输出端连接；

一可调电压源，该可调电压源与模拟加法器的另一输入端连接，用于提供调频的电压信号；

一可调电压放大器，该可调电压放大器的输入端与模拟加法器的输出端连接；

一压电陶瓷片，该压电陶瓷片与可调电压放大器的输出端连接，该压电陶瓷片上粘贴有源相移光栅，用于提供调频、降噪所需的应力。

其中所述的分布反馈光纤激光器的有源相移光栅为等效π相移光栅。

本发明的突出优点：

(1)本发明采用压电陶瓷在外加电压下产生应力的调频方式，比温度调节响应快，精度高，成本低。

(2)本发明采用M—Z干涉仪以及差分放大电路，把频率噪声转化为电压信号，并结合可调电压源，把电信号作用于压电陶瓷片上产生应力，同时实现了降低光纤激光器的频率噪声水平和调节输出频率的目的，提高了光纤激光器的性能。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明DFB光纤激光器调频、降噪的装置的结构示意图。

图中：1为980nm半导体激光器，2a、2b分别为第一、第二波分复用器，3为有源相移光栅，4a、4b分别为第一、第二光隔离器，5为偏振控制器，6a、6b分别为第一、第二3dB耦合器，7a、7b分别为第一、第二光电探测器，8为差分放大器，9为积分器，10为低通滤波器，11为高通滤波器，12为可调电压源，13为模拟加法器，14为可调电压放大器，15为压电陶瓷管，16为压电陶瓷片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1所示，本发明一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，包括：

一半导体激光器1，用于泵浦有源光纤，实现粒子数反转；

一第一波分复用器2a，该第一波分复用器2a的980端与半导体激光器1的输出端连接；

一第一光隔离器4a，该第一光隔离器4a的输入端与第一波分复用器2a的1550端连接，用于隔离反向传播的光；

一有源相移光栅3，该有源相移光栅3的一端与波分复用器2a的合波端连接，用于提供光学增益和反馈，该分布反馈光纤激光器的有源相移光栅3为等效π相移光栅；

一第二光隔离器4b，该第二光隔离器4b的输入端与有源相移光栅3的另一端连接，用于隔离反向传播的光；

一第二波分复用器2b，该第二波分复用器2b的合波端与第二光隔离器4b的输出端连接；

一偏振控制器5，该偏振控制器5的一端与第二波分复用器2b的1550端连接，用于调节光的偏振态优化偏振方向；

一测量反馈部100，该测量反馈部100与偏振控制器5的另一端连接，用于实现频率噪声的测量，该测量反馈部100包括：

一第一3db耦合器6a、第二3db耦合器6b，该第一3db耦合器6a、第二3db耦合器6b的一端用一光纤连接；

一第一光电探测器7a，该第一光电探测器7a的输入端与第二3db耦合器6b的一端连接；

一第二光电探测器7b，该第二光电探测器7b的输入端与第二3db耦合器6b的一端连接；

一差分放大器8，该差分放大器8的两输入端分别与第一光电探测器7a和第二光电探测器7b的输出端连接；

一积分器9，该积分器9的输入端与差分放大器8的输出端连接，用于获得一定时间内外界干扰的平均值；

一低通滤波器10，该低通滤波器10的输入端与积分器9的输出端连接；

一压电陶瓷管15，该压电陶瓷管15的输入端与低通滤波器10的输出端连接；

该压电陶瓷管15上缠绕有光纤，该光纤的两端分别与第一3db耦合器6a、第二3db耦合器6b连接，用于提供相位补偿使得测量反馈部工作在最灵敏处；

一控制部90，该控制部90的输入端与测量反馈部100的输出端连接，用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪，该控制部90包括：

一高通滤波器11，用于获得频率噪声；

一模拟加法器13，该模拟加法器13的一输入端与高通滤波器11的输出端连接；

一可调电压源12，该可调电压源12与模拟加法器13的另一输入端连接，用于提供调频的电压信号；

一可调电压放大器14，该可调电压放大器14的输入端与模拟加法器13的输出端连接；

一压电陶瓷片16，该压电陶瓷片16与可调电压放大器14的输出端连接，该压电陶瓷片16上粘贴有源相移光栅3，用于提供调频、降噪所需的应力。

980nm的半导体激光器1接第一波分复用器2a的980端，抽运光经第一波分复用器2a的合波端泵浦有源相移光栅3，产生的反向激光经第二波分复用器2b的1550端和第一光隔离器4a输出，产生的正向激光经第二光隔离器4b，从第二波分复用器2b的1550端进入偏振控制器5，然后进入测量反馈部100。光隔离器4a、4b的作用是防止反射光对谐振腔的影响，偏振控制器5的作用是优化进入测量反馈部100激光的偏振态。

有源相移光栅3为等效π相移光栅，它的特点在于：1，反射谱和透射谱处形成一个透射窗，窗的中心为布拉格波长：λ_B＝2n_effΛ，n_eff为光纤的有效折射率，Λ为光栅的周期。2，与非π相移光栅相比，增益阈值最低，也就是激光激射时对应的泵浦光功率最低。在外界泵浦光的作用下，有源光纤实现粒子数反转，等效π相移光栅提供谐振腔，光子振荡放大形成激光，输出波长为布拉格波长。在实际应用中为了降低外界环境的干扰，对整个结构采用防声，减震的材料封装，有效屏蔽外界振动和空气扰动对激光器的影响，提高了输出光功率的稳定性和波长稳定性。

激光经过第一、第二3dB耦合器6a、6b以及连接用的光纤组成的M—Z干涉仪，进入第一、第二光电探测器7a、7b，两光电探测器的输出信号分别为：

V_a＝V₀+V₁cos(Φ_L+Φ_N)

V_b＝V₀+V₁cos(Φ_L+Φ_N)

其中

Φ_{L} = \frac{2 πnΔL}{c} v,

Φ_N分别为光纤激光器和外界扰动引入的相位，激光器频率噪声引起相位Φ_L的变化，频率噪声主要为高频，外界干扰导致相位Φ_N的变化，频率成分主要为低频。

两光电探测器的输出信号V_a、V_b，经差分放大器8之后输出信号为：

V＝k(V_a-V_b)＝kV₁cos(Φ_L+Φ_N)

其中k为差分放大器的放大倍数。经积分器9在一定时间长度取平均，可以得到外界干扰量Φ_N的平均值经低通滤波器10在干涉仪一臂缠有光纤的压电陶瓷管上加一反馈控制电压，产生一控制相位Φ_p，使的干涉仪工作在最高灵敏度点上，即：

Φ_{N} + \overset{&OverBar;}{Φ_{p}} = (n + \frac{1}{2}) π .

另一路经高通滤波器11得到光纤激光器的频率噪声信号。该电压信号和可调电压源12的输出电压V_s，经模拟加法器13，可调电压放大器14后加载在压电陶瓷片16上。

可调电压源的输出电压信号作用于压电陶瓷，产生一个正比于电压强度的恒定应变，相移光栅在该应力的作用下，波长变化量为

Δλ = (\frac{ΔΛ}{Λ} + \frac{Δn}{n}) λ = k \cdot ϵ_{z} \cdot λ,

其中k为应变灵敏度系数，ε_z为应变量大小，从而调节光纤激光器的输出波长，也就是实现DFB光纤激光器的调频。

经高通滤波器得到的电压信号V_H正比于激光器引入的相位变化量ΔΦ_L，即

V_{H} &Proportional; Δ Φ_{L} = \frac{2 πnΔL}{c} Δv

其中n为光纤的有效折射率，c为光速，ΔL为干涉仪的臂长差，Δv为光纤激光器频率的变化量。该电压信号产生的应力用于时时抵消Δv的变化，即当Δv为正值时，对应Δλ向短波方向变化，V_H为正比于Δv的正电压，压电陶瓷产生拉力，使Δλ向长波方向移动，Δv减小，当Δv为负值时刚好相反，从而实现了降噪的作用。

在实际使用时应合理的优化可调电压源12输出电压V_S，经高通滤波器得到的电压信号V_H以及可调电压放大器增益系数之间的关系，这样才能有效地实现DFB光纤激光器调频和降噪的目的。

Claims

1.一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，包括：

一半导体激光器，用于泵浦有源光纤，实现粒子数反转；

2.如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的测量反馈部包括：

3.如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的控制部包括：

一高通滤波器，用于获得频率噪声；

4.如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的分布反馈光纤激光器的有源相移光栅为等效π相移光栅。