CN101908709A - 基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，包括：由第一耦合器(1)、第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)、第三单模光纤(5)和第二耦合器(2)构成的太极结构环形腔、抽运光源(6)；本发明太极结构的环形腔中第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤同时存在双向注入的抽运光，有效地降低了产生斯托克斯信号的阈值，进而有利于产生高阶的斯托克斯信号；将EDFA至于环形腔外，不但减少了腔内链接损耗和ASE噪声，而且系统更为紧凑和稳定；使用商业EDFA，可很好的抑制自激发腔模，拥有平坦的增益谱，因而只需改变可调谐激光器的输入波长，即可在很宽的范围内稳定的输出多波长。

Description

基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器

所属技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的装置，具体是一种基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器。

背景技术

随着人们对信息需求的与日剧增，需要更大的带宽传输各类数据。光纤通信以其无可比拟的高速率、宽带宽、低损耗等优点成为满足这一要求的主要手段。由于光纤中色散的影响和电子器件速率瓶颈的限制，通过提高单个信道的速率已不能满足传输容量的要求，因而人们把目光投向了波分复用技术(WDM)。WDM的提出和应用充分挖掘了光纤带宽的潜力，被公认为是实现超大容量光纤通信的最有效途径。WDM系统的一个重要组成部分是多波长光源，如何得到输出波长数多、波长稳定、可靠性高、体积小以及成本低的多波长光源是实现WDM系统的关键。实现多波长光源的方法有：(1)使用阵列波导光栅(AWG)或滤波器技术的方案，该方案存在系统复杂，体积庞大，成本较高等问题；(2)利用半导体分布反馈(DFB)激光阵列，该方案存在温度稳定性差，成本高，不易集成等缺点；(3)光纤激光器具有成本低、性能稳定、输出波长数多且与现有光纤系统具有很高的耦合效率，因而引起了研究人员广泛的研究兴趣。

多波长光纤激光器一般是采用掺杂光纤作为增益介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光纤端面等作为反射镜来构成反馈腔。在室温下实现稳定的多波长输出，其最关键的技术是如何有效抑制掺杂光纤的均匀增益展宽特性。为了抑制掺铒光纤增益的均匀展宽特性，常用方法有：(1)将掺铒光纤置于液氮中进行冷却，使其均匀展宽降为1nm左右，从而实现稳定的多波长激光输出。由于该方法需要在极低温下才能实现，因而不便于实际操作；(2)在光纤激光器的谐振腔中引入特殊的物理机制，如频移反馈、四波混频、非均匀损耗机制、偏振及光谱烧孔效应等，以实现多波长激光振荡，但这种方法增加了系统的复杂度和成本；(3)将光纤中的非线性布里渊增益效应与掺铒光纤的线性增益效应相结合，可在室温下具有稳定的多波长输出，且信道间隔严格的等于布里渊频移(～10GHz)以及每个波长的线宽很窄，因而该种方案备受人们的青睐。

受激布里渊散射(SBS)是一种能在光纤内发生的非线性过程，其产生过程可描述为抽运波、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。抽运波通过电致伸缩产生声波，引起折射率的周期性调制，抽运波引起的折射率光栅通过布拉格衍射抽运光，由于多普勒位移与以声速移动的光栅有关，散射光产生了频率下移。在连续或准连续抽运光下，单模光纤的布里渊增益谱很窄(10MH～20MHz)，因而产生的激光线宽很窄。当SBS的非线性增益与EDFA的线性增益相叠加时破坏了EDFA的均匀展宽特性，SBS的非线性增益决定产生激光的频谱位置，EDFA的线性增益则补偿环形腔内的损耗和对产生的斯托克斯信号能量进行放大。在级联系统中，放大的斯克托斯信号又作为下一级斯托克斯的抽运源，进而产生下一级斯托克斯信号，经过多次循环就可得到波长间隔严格固定的多波长激光输出。

常见的布里渊掺铒光纤激光器(BEFLs)结构主要有两类：环形腔结构和线形腔结构。环形腔由定向耦合器构成(如图1所示)，因而结构紧凑，但输出波长数通常情况下小于线性腔结构；线性腔需要高反射率腔镜或光纤环来实现反馈，增加了结构复杂度且降低了系统的稳定性。在已有文献中，两种结构均使用自制的EDFA：由一段掺铒光纤和980nm或1480nm半导体激光器组成，参考文献N.Md.Samsuri，“Brillouin-Erbium fiber laser with enhanced feedback coupling using common Erbium gain section，”Opt.Express vol.16，16475-16480(2008).和M.H.Al-Mansoori，“Tunable range enhancement of Brillouin-Erbium fiber laser utilizing Brillouin pump pre-amplification technique，”Opt.Express vol.16，7649-7654(2008).这种自制的EDFA虽然降低了成本，但需要针对不同的情况需要进行参数优化且器件的稳定性不如商用的EDFA，这不利于简化实际操作。另一方面，由于这种自制的EDFA有明显的自激发腔模，因此要求抽运波长一般接近于EDFA的自激发腔模波长，这样导致了BEFLs的可调谐范围很小。为获得宽带可调谐激光源，通常采取预放大布里渊抽运信号或在环形腔中加入Sagnac滤波器抑制或调节自激发腔模的产生区域，这不但增加了结构的复杂度，且输出波长数随输入抽运信号波长变化，即波长调谐范围的增大以产生波长数的减小为代价的。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种多波长、宽带可调谐、波长稳定、结构紧凑且成本较低的布里渊掺铒光纤激光器，本发明方案基于一种新型的环形腔结构，即环腔内利用一段呈“S”形的单模光纤分别连接两耦合器不同侧的某一端口，实现了抽运光和产生的斯托克斯光在环形腔内同时顺时针和逆时针方向传输且可多次循环，我们称这种结构为太极结构环形腔，它克服了现有技术中抽运光和产生的斯托克斯光在环腔中只能单向循环一次而不能被充分利用来产生受激布里渊散射的缺陷。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，包括：由第一耦合器1、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第三单模光纤5和第二耦合器2构成的太极结构环形腔、抽运光源6；抽运光源6的输出与第一耦合器的第一端口1-1相连，第一耦合器的第三端口1-3经第一单模光纤3与第二耦合器的第四端口2-4相连，第一耦合器的第四端口1-4经第二单模光纤4与第二耦合器的第二端口2-2相连，第二耦合器的第一端口2-1经第三单模光纤5与第一耦合器的第二端口1-2相连，第二耦合器的第三端口2-3为整个装置的输出端，与光谱分析仪7相连。

与现有技术相比，本发明的优势在于：太极结构的环形腔中第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤同时存在双向注入的抽运光，因而有效的降低了产生斯托克斯信号的阈值，进而有利于产生高阶的斯托克斯信号。本发明采用商用的EDFA替换自制的EDFA，并将EDFA置于环形腔外，简化了环形腔内的结构，并减少了腔内链接损耗和ASE噪声。由于商用EDFA使用模块化封装，拥有更紧凑的结构，并且拥有自动增益控制系统，因而受环境因素影响更小，器件性能更稳定；更重要的是，商用EDFA可以很好的抑制自激发腔模，拥有平坦的增益谱，因而只需改变可调谐激光器的输入波长，即可在很宽的范围内稳定的输出多波长。

附图说明

图1为现有技术的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器结构示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明在光谱分析仪测试下测得的多波长布里渊斯托克斯信号的输出功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例包括：由第一耦合器1、第一单模光纤3、第二单模光纤4、第三单模光纤5和第二耦合器2构成的太极结构环形腔、抽运光源6，抽运光源6的输出与第一耦合器的第一端口1-1相连，第一耦合器的第三端口1-3经第一单模光纤3与第二耦合器的第四端口2-4相连，第一耦合器的第四端口1-4经第二单模光纤4与第二耦合器的第二端口2-2相连，第二耦合器的第一端口2-1经第三单模光纤5与第一耦合器的第二端口1-2相连，第二耦合器的第三端口2-3为整个装置的输出端，与光谱分析仪7相连。

所述抽运光源6由可调谐激光器8、第三耦合器9、掺铒光纤放大器10、环行器11组成，可调谐激光器6的输出端连接第三耦合器的第一输入端口9-1，第三耦合器的输出端口9-3与掺铒光纤放大器10输入端相连，掺铒光纤放大器10的输出端连接环行器的第一端口11-1，环行器的第三端口11-3与第三耦合器的第二输入端口9-2相连，环行器的第二端口11-2为抽运光源6的输出端。

所述第一单模光纤3，其长度为2.5km。

所述第二单模光纤4，其长度为5km。

所述第三单模光纤5，其长度为2.5km。

所述第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤为型号相同的光纤。

所述第一单模光纤3、第二单模光纤4和第三单模光纤5中同时存在双向传输的抽运光和多阶布里渊斯托克斯光。

所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器的耦合比均为50∶50。

本实施例工作时，可调谐激光器8出射的激光经第三耦合器的第一输入端口9-1从第三耦合器的输出端口9-3输出，进入掺铒光纤放大器10的输入端，放大后的信号进入环行器的第一端口11-1，然后从环形器第二端口输出进入第一耦合器的第一端口1-1被均分的分成50∶50两路信号，这两路信号在太极结构环形腔中产生三种绕行方式：第一种是经第一耦合器的第三端口1-3——第一单模光纤3——第二耦合器的第四端口2-4——第二耦合器的第一端口2-1——第三单模光纤5——第一耦合器的第二端口1-2——第一耦合器的第三端口1-3；第二种是经第一耦合器的第三端口1-3——第一单模光纤3——第二耦合器的第四端口2-4——第二耦合器的第一端口2-1——第三单模光纤5——第一耦合器的第二端口1-2——第一耦合器的第四端口1-4——第二单模光纤4——第二耦合器的第二端口2-2——第二耦合器的第四端口2-4——第一单模光纤3——第一耦合器的第三端口1-3——第一耦合器的第二端口1-2——第三单模光纤5——第二耦合器的第一端口2-1——第二耦合器的第四端口2-4；第三种是第一耦合器的第四端口1-4——第二单模光纤4——第二耦合器的第二端口2-2——第二耦合器的第四端口2-4——第一单模光纤3——第一耦合器的第三端口1-3——第一耦合器的第二端口1-2——第三单模光纤5——第二耦合器的第一端口2-1——第二耦合器的第四端口2-4，这三种绕行方式将使三段单模光纤中同时存在双向传输的抽运光，并且产生双向传输的斯托克斯光，第一耦合器的第一端口1-1输出的抽运信号和产生的一阶斯托克斯信号经环形器的第二端口11-2进入从环形器的第三端口11-3输出，然后注入进入第三耦合器的第二输入端口9-2，与可调谐激光器8出射的激光耦合后再次进入掺铒光纤放大器10，放大的一阶斯托克斯信号将在太极结构环形腔中产生二阶斯托克斯信号输出，经过多次循环振荡，形成多阶斯托克斯信号输出，得到的多波长激光由第二耦合器的第三端口2-3输出，最后由分辨率为0.05nm的光谱分析仪7测量。

调节掺铒光纤放大器10的放大增益，可以改变输出波长数和功率大小。当掺铒光纤放大器10的最大输出功率为22dBm时，可以得到稳定的峰值功率大于-10dBm的8波长输出。

需要说明的是，本文中涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等词语仅用于方便说明的目的，不能将其理解为顺序或主次限定。

以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，包括：由第一耦合器(1)、第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)、第三单模光纤(5)和第二耦合器(2)构成的太极结构环形腔、抽运光源(6)；抽运光源(6)的输出与第一耦合器的第一端口(1-1)相连，第一耦合器的第三端口(1-3)经第一单模光纤(3)与第二耦合器的第四端口(2-4)相连，第一耦合器的第四端口(1-4)经第二单模光纤(4)与第二耦合器的第二端口(2-2)相连，第二耦合器的第一端口(2-1)经第三单模光纤(5)与第一耦合器的第二端口(1-2)相连，第二耦合器的第三端口(2-3)为整个装置的输出端，与光谱分析仪(7)相连。

2.根据权利要求1所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述抽运光源(6)由可调谐激光器(8)、第三耦合器(9)、掺铒光纤放大器(10)、环行器(11)组成，可调谐激光器(8)的输出端连接第三耦合器的第一输入端口(9-1)，第三耦合器的输出端口(9-3)与掺铒光纤放大器(10)输入端相连，掺铒光纤放大器(10)的输出端连接环行器的第一端口(11-1)，环行器的第三端口(11-3)与第三耦合器的第二输入端口(9-2)相连，环行器的第二端口(11-2)为抽运光源(6)的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)和第三单模光纤(5)用于产生斯托克斯信号。

4.根据权利要求1所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)和第三单模光纤(5)的型号相同。

5.根据权利要求1所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述第一单模光纤(3)、第二单模光纤(4)和第三单模光纤(5)中同时存在双向传输的抽运光和多阶布里渊斯托克斯光。

6.根据权利要求1所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述第一耦合器(1)、第二耦合器(2)的耦合比均为50∶50。

7.根据权利要求2所述的基于太极结构的环形腔多波长布里渊掺铒光纤激光器，其特征是，所述第三耦合器(9)的耦合比为90∶10～50∶50，小功率端口连接可调谐激光器(8)。

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