CN101656396A - 基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器，属于激光和光通信领域。激光器中增益介质是半导体光放大器，半导体光放大器的输入端有一个偏振控制器用来调节进入半导体光放大器入射光的偏振态，输出端有另一个偏振控制器用来调节光进入偏振相关隔离器前的偏振态。一个双折射光纤环镜由一个3dB耦合器，一个偏振控制器和一段保偏光纤组成，构成一个周期性滤波器。一个10dB耦合器，它的90％端口接入激光器使光信号继续在腔内循环，10％端口用于激光输出。利用半导体光放大器中的非线性偏振旋转效应，产生波长间隔小于半导体光放大器均匀加宽线宽的多波长激光，并利用半导体光放大器的偏振相关增益特性，实现多波长激光的大波长范围调谐。

Description

基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光和光通信领域，特别是提供了一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器。

背景技术

随着大容量光通信网络的发展，波分复用(WDM)技术获得了广泛的应用。近年来，多波长光纤激光器不仅成为波分复用系统的重要光源，还广泛地应用于光传感、光采样、光学测量和微波光子学等领域，引起了国内外的广泛关注。掺铒光纤(EDF)能提供较大的增益，较高的饱和功率和较低的偏振相关增益谱，是理想的激光器增益介质。但是掺饵光纤是一种均匀加宽增益介质，其室温下均匀加宽线宽超过10nm，这一均匀加宽特性将会引起交叉增益饱和，从而产生模式竞争效应，导致基于掺铒光纤的多波长激光器的输出功率不稳。已经有多种方法来解决这个问题，包括将掺铒光纤浸泡在液氮(77K)中来抑制其均匀加宽机制可以实现多波长掺铒光纤激光器，通过频移反馈来阻止激光器的单模振荡，利用非线性光纤中的四波混频效应来产生自稳定的多波长，利用光纤中非线性偏振旋转效应诱导的强度相关损耗，和采用级联的受激布里渊散射实现布里渊多波长掺铒光纤激光器。半导体光放大器(SOA)是一种非均匀加宽的增益介质，能够在室温下产生稳定多波长激光，且具有体积小、增益带宽较宽、可集成等优点。已有的实验研究证明，与掺铒光纤为增益介质的光纤激光器相比，在常温下基于半导体光放大器的光纤激光器更容易产生稳定的多波长激射。由于半导体光放大器的3dB增益带宽一般可达50nm，增益谱平坦度好，保证了激光器多波长输出时带宽较宽，不同波长间功率波动较小。与其他类型的多波长光纤激光器相比，半导体光放大器光纤环形激光器腔长短，无需外加抽运光。此外，相比掺铒光纤毫秒量级的增益恢复时间，半导体光放大器载流子恢复时间仅为几十到几百皮秒，远小于几百纳秒的环腔渡越时间，因而半导体光放大器激光器弛豫振荡小，超模抑制效果好，故激光器工作稳定，具有很大的发展潜力。

到目前为止，已经有很多关于半导体光放大器的多波长光纤激光器的报道，能产生不同的波长个数和波长间隔。采用半导体光放大器光纤环腔结构，以高双折射光纤环镜为滤波器的多波长激光器，实现了连续可调谐的17个波长的稳定输出，其信道间隔100GHz，峰值功率差小于6dB，信噪比大于25dB。采用以法布里-珀罗光纤干涉仪滤波的半导体光放大器光纤环形激光器，实现了间距50GHz，51个波长的连续光激射，功率不平坦度约为4dB。插入信道间隔为1006Hz的马赫-曾德光纤干涉仪的半导体光放大器多波长光纤环形激光器，可输出24个波长的连续光，消光比大于30dB，其中在17.9nm光谱范围内的22个波长，功率不平坦度仅为1.2dB，总输出功率为5.1dBm。以上这些报道的基于半导体光放大器多波长光纤激光器产生的激光波长间隔都同半导体光放大器的均匀加宽线宽(半导体光放大器在室温下的均匀加宽线宽在1550nm附近约为0.6nm)在同一数量级。虽然波长间隔小于半导体光放大器均匀加宽线宽的多波长激光器也有报道，例如利用具有三个波长间隔为0.05nm的反射峰的光纤光栅，实现了三个超密波长间隔激光波长的同时激射，但是这种方法产生的波长数是非常有限的。

非线性偏振旋转效应是半导体光放大器中的一种重要的非线性效应。在半导体光放大器中，非线性偏振旋转有两种来源：一是半导体光放大器中两个模式(TE模式和TM模式)有不同的增益；二是双折射的存在。因此，当光波经过半导体光放大器时，其偏振态会发生变化，这就是非线性偏振旋转效应。半导体光放大器中的非线性偏振旋转效应通常用来实现全光信号处理，通常在泵浦光(或控制光)/探测光应用中，通过泵浦光引入附加双折射来实现探测光的偏振态的变化，随着注入泵浦光信号功率的变化，探测光的TE和TM模式的增益和有效折射率非线性地变化，输出探测信号的偏振态将受到输入泵浦光功率的调制。如果在半导体光放大器输出端引入检偏器(或偏振分束器)，则利用非线性偏振旋转效应实现了一个全光偏振光开关。当只有一束光进入半导体光放大器中时，即这束光既当泵浦光又当探测光，由于非线性偏振旋转效应在半导体光放大器输出端的检偏器也可以实现光信号的自开关。这就是半导体光放大器中非线性偏振旋转效应导致的强度相关传输，可以用于抑制半导体光放大器均匀加宽线宽内的模式竞争，实现稳定的具有超密波长间隔的多波长激光产生。

为了实现多波长输出通常需要在激光腔内插入周期性的多波长滤波器，比如波长固定的Fabry-Pérot滤波器、波长可调谐的啁啾光纤光栅或取样光栅和双折射光纤环形镜等。波长固定的滤波器使得激光器不可调谐，光纤光栅和双折射光纤环形镜的调谐范围相当有限。考虑到半导体光放大器的偏振相关增益，基于半导体光放大器的激光器可以利用偏振调谐。

本发明提出一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器，该激光器利用半导体光放大器的非线性偏振旋转效应来实现波长间隔小于半导体光放大器均匀加宽线宽的多波长激光辐射，还利用半导体光放大器的偏振相关增益实现多波长激光的大范围偏振调谐。

发明内容

本发明的目的提供一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器，波长间隔可以小于半导体光放大器的均匀加宽线宽，利用半导体光放大器的偏振相关增益特性实现了多波长激光的大范围偏振调谐。环形激光腔中包括一个半导体光放大器作为增益介质，为了优化进入半导体光放大器的入射光的偏振态，半导体光放大器前有一个偏振控制器，半导体光放大器后是另外一个偏振控制器，一个两端带尾纤的偏振相关隔离器保证激光器单方向工作，同时还起到一个起偏器的作用，它前面的偏振控制器用来调节进入偏振相关隔离器光束的偏振态。激光器中的滤波器是一个双折射光纤环镜，它由一个3dB耦合器、一段长L的高双折射光纤(保偏光纤)和偏振控制器构成。激光器中还有一个10dB耦合器，它的10％端口用于输出光信号，90％光信号继续在腔内循环。

半导体光放大器的非线性偏振特性是其特性的一个重要方面，近年来受到人们的重视。半导体光放大器的非线性偏振特性严格说来应包括两个方面，即偏振相关的增益特性和偏振相关的相位特性。通常情况下，半导体光放大器的非线性偏振特性是指偏振相关的增益特性；而对于半导体光放大器非线性偏振特性的另一个方面，即相位偏振特性，曾经未能引起人们的重视。但近年人们正深入全面地研究半导体光放大器的偏振特性及其应用。半导体光放大器的偏振相关增益特性指在半导体光放大器中不同模式(TE和TM)的增益不相同，因此对不同偏振态的输入信号的增益不相同。而相位偏振特性，是指由于不同模式的光信号在半导体光放大器中发生的相位变化不相同，因此一束光经过半导体光放大器后，其两个分量(TE、TM)发生的相位变化不同，从而导致从半导体光放大器输出光信号的偏振态不同于初始进入半导体光放大器时的状态。如果在半导体光放大器输出端引入检偏器(偏振相关隔离器)，则利用非线性偏振旋转效应实现了一个全光偏振光开关，它是偏振控制器、半导体光放大器、偏振控制器和偏振相关隔离器的联合体。调节半导体光放大器和偏振相关隔离器前的偏振控制器，使得随着入射光强的增大，联合体(偏振控制器+半导体光放大器+偏振控制器+偏振相关隔离器)的传输减小，这种强度相关的损耗可以有效地抑制均匀加宽线宽内的模式竞争，从而实现稳定的超密波长间隔的多波长激光产生。同时，由于半导体光放大器具有偏振相关的增益特性，调节激光腔内的偏振，可以调谐多波长激光波长。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明所述的基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器为环形结构，利用了半导体光放大器的非线性偏振旋转效应，以产生波长间隔小于半导体光放大器均匀加宽线宽的多波长激光，并利用半导体光放大器的偏振相关增益特性，实现多波长激光的大范围调谐。本发明所述的光纤激光器内有偏振相关隔离器，偏振相关隔离器既有保证激光器单向运行的作用，又有起偏器的作用，偏振相关隔离器与半导体光放大器、两个偏振控制器一起构成一个全光偏振光开关联合体。本发明所述基于半导体光放大器的多波长光纤激光器具有较大波长范围的调谐能力，只需要调节激光腔内的偏振。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图中：1、半导体光放大器，2、第一个偏振控制器，3、第二个偏振控制器，4、偏振相关隔离器，5、3dB耦合器，6、第三个偏振控制器，7、保偏光纤，8、10dB耦合器，9、10dB耦合器的90％端口，10、10dB耦合器的10％端口。

图2为本发明的一个具体实施例输出多波产激光光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明设计了一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器。其结构如图1所示。激光器中增益介质是半导体光放大器(1)，半导体光放大器(1)的输入端是第一个偏振控制器(2)用来调节进入半导体光放大器(1)的入射光的偏振态，输出端是第二个偏振控制器(3)用来调节光进入偏振相关隔离器(4)前的偏振态。一个双折射光纤环镜由一个3dB耦合器(5)，一个偏振控制器(6)和一段保偏光纤(7)组成，构成一个周期性滤波器。一个10dB耦合器(8)，它的90％端口(9)接入激光器使光信号继续在腔内循环，10％端口(10)用于激光输出。

环形激光腔中，自激发产生的激光在半导体光放大器可以看作是两个模式(TE模式和TM模式)的叠加。由于半导体光放大器中两个模式(TE模式和TM模式)有不同的增益和双折射的存在，因此当光波经过SOA时，其偏振态会发生变化，这就是非线性偏振旋转效应。没有经过特殊设计处理的偏振灵敏型的半导体光放大器对TE模、TM模的增益可相差5dB～6dB。由于光场的TE和TM两模式的增益不同，以及两模式经历的折射率不同，导致从半导体光放大器输出的信号偏振态(通常为椭圆偏振态)不同于进入半导体光放大器时的情况，即发生了非线性偏振旋转效应。在半导体光放大器输出端引入偏振相关隔离器，则利用非线性偏振旋转效应实现了一个全光偏振光开关，它是偏振控制器、半导体光放大器、偏振控制器和偏振相关隔离器的联合体。一般地，对于一个偏振控制器、半导体光放大器、偏振控制器和偏振相关隔离器构成的联合体，其传输和光强的关系存在两个不同的区域。其一是传输随光强的增加而提高，其一是传输随光强的增加而减小。后一种情况相当于高强度光将经历更大损耗，这时联合体相当于一个功率均衡器。这种强度相关非均匀损耗可以用来克服均匀加宽介质中的模式竞争，使得激光器在室温下半导体光放大器均匀加宽线宽内产生稳定的多波长输出。半导体光放大器中非线性偏振旋转效应作为一种新的克服半导体光放大器均匀加宽线宽内模式竞争的机理和方法，使得基于半导体光放大器光纤激光器在室温下能产生稳定的超密波长间隔多波长输出。调节激光腔内的偏振，可以在较大波长范围内调谐多波长激光。

在此实施例中使用的保偏光纤长79m，双折射大小为3.8×10^-4，滤波器波长间隔由公式Δλ＝λ²/(ΔnL)决定，其中Δn和L分别是保偏光纤的双折射和长度，计算得到滤波器波长间隔是0.08nm。当半导体光放大器的驱动电流是350mA时，调节激光腔内偏振控制器，产生的多波长激光光谱如图2，波长间隔0.08nm，5dB带宽(1604.67nm至1614.75nm)内有126个激光波长。

Claims (4)

1、一种基于半导体光放大器的具有超密波长间隔的可调谐多波长光纤激光器，其特征在于，环形激光腔中增益介质是半导体光放大器(1)，半导体光放大器(1)的输入端是第一个偏振控制器(2)用来调节进入半导体光放大器(1)的入射光偏振态，输出端是第二个偏振控制器(3)用来调节光进入偏振相关隔离器(4)前的偏振态。双折射光纤环镜由一个3dB耦合器(5)，一个偏振控制器(6)和一段保偏光纤(7)组成，构成一个周期性滤波器。一个10dB耦合器(8)，它的90％端口(9)接入激光器使光信号继续在腔内循环，10％端口(10)用于激光输出。

2、根据权利要求1所述的基于半导体光放大器的多波长光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光器为环形结构，增益介质是半导体光放大器，利用半导体光放大器的增益偏振相关特性，容易实现多波长激光器的大范围波长偏振调谐。

3、根据权利要求1所述的基于半导体光放大器的多波长光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光器内有偏振相关隔离器，偏振相关隔离器既有保证激光器单向运行的作用，又有起偏器的作用。偏振相关隔离器与半导体光放大器、两个偏振控制器一起构成一个全光偏振光开关联合体，具有强度相关传输特性，这种强度相关传输可以有效抑制半导体光放大器均匀加宽线宽内的模式竞争，从而实现稳定的具有超密波长间隔的多波长激光产生。

4、根据权利要求1所述的基于半导体光放大器的多波长光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光器采用的滤波器是一个双折射光纤环镜，它由一个3dB耦合器、一段高双折射光纤(保偏光纤)和偏振控制器构成，改变保偏光纤长度可以改变滤波波长间隔，可以实现超密波长间隔滤波器。

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