CN102157889A - 波长可调谐l波段光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长可调谐L波段光纤激光器，它具有调谐范围宽，结构简单，输出激光线宽窄，稳定性高等优点。它包括光源和激光器环形腔，光源将光线送入环形腔内，由耦合器输出部分光线，同时将另一部分光线送入传接在环形腔内的机械感生长周期光纤光栅滤波器；其中，机械感生长周期光纤光栅滤波器包括周期为P的压力槽模板，其与一对平滑底板相配合，在两平滑底板间设有待写制长周期光纤光栅的光纤和平衡光纤，机械感生长周期光纤光栅滤波器的波长调节在保持设定压力条件下，通过改变周期为P的压力槽模板周期实现，通过调节机械感生长周期光纤光栅滤波器谐振波长，调节环形腔内抑制波段，改变环腔增益最高点，实现波长可调谐激光器。

Description

波长可调谐L波段光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种波长可调谐激光器，特别是波长可调谐L波段光纤激光器，属于光纤通信，光纤传感领域。

背景技术

光纤激光器是当前信息化时代技术研究领域中最前沿的研究课题之一，随着激光二极管泵浦技术以及光纤材料和工艺研究的进展，各种类型的光纤激光器能够适合于不同的应用场合，其应用领域也从之前光纤通讯领域迅速地向其它更为广阔的激光应用、光纤传感及光纤陀螺等领域扩展。

可调谐光纤激光器由于可用带宽较宽、功率高、线宽窄、与光纤元件天然兼容等特点获得了广泛的应用。可调谐光纤激光器不仅成为高速大容量密集波分复用光纤通信系统的理想信号载体，而且成为光纤传感系统中理想的传感检测光源。可调谐光纤激光器虽然目前已获得了广泛的使用，但也存在诸多的问题有待进一步解决，特别是对输出波长的有效调谐以及波长锁定功能的实现等问题。在众多的调谐技术方法中，寻求调谐范围宽、稳定性高、准无啁啾而且复用性好的调谐滤波器是进一步提高光纤激光器输出波长调谐性能的关键。滤波器是一种波长选择器件，直接影响输出激光的品质。可调谐滤波器目前主要有光纤光栅、光纤环镜、光纤F-P滤波器、偏振控制器(腔内含偏振相关器件)等。国内多采用光纤光栅调谐方案，主要因为光纤光栅与光纤之间具有天然的兼容性，用它可实现全光纤型可调谐激光器，并已提出光纤光栅的机械调谐方案、热调谐和电磁调谐。其中机械调谐、电磁调谐虽简单易行，但由受光纤光栅本身应变特性的限制，很难获得大的调谐范围，在光纤光栅反射波长的调谐过程中，获得较大的波长调谐范围是人们追求的目标，而且还要考虑调谐过程的啁啾度以及中心波长的稳定性等因素，因为它们决定了输出激光的品质与稳定性。目前的研究主要是通过选择不同结构的等应变梁来实现较宽的波长调谐范围和调谐过程准无啁啾，然而光纤光栅的蠕变、老化等因素使其应用受到了限制，尤其是环境温度对波长调谐的影响，是人们致力解决的重点问题。除电磁调谐、热调谐外，还有利用压强、声波、化学等方法进行调谐的，不过这些方法都还不成熟且调谐范围很小。

长周期光纤光栅具有附加损耗小，无后向反射等特点，广泛被用作增益均衡器，光噪声滤波器等，是一种良好的传输型带阻滤波器。因此，将其串入环形腔中，通过改变LPFG的谐振边带位置，调整环形腔增益最高点，可以实现掺铒光纤激光器的波长可调谐。但是基于紫外光或CO₂激光器写制的LPFG设备成本高，且大范围的调谐需要引入高温仪器或复杂的应力结构。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种波长可调谐L波段光纤激光器，它利用应力光弹效应写制的长周期光纤光栅滤波器在光纤激光器环形腔中的使用使得设计的激光器具有调谐范围宽，结构简单，输出激光线宽窄，稳定性高等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种波长可调谐L波段光纤激光器，它包括光源和激光器环形腔，光源将光线送入环形腔内，由耦合器输出部分光线，同时将另一部分光线送入传接在环形腔内的机械感生长周期光纤光栅滤波器；其中，机械感生长周期光纤光栅滤波器包括周期为P的压力槽模板，其与一对平滑底板相配合，在两平滑底板间设有待写制光纤和平衡光纤；通过机械感生长周期光纤光栅滤波器的波长调节，改变谐振波长，进而影响激光器环腔中的增益最高点。

所述通过更换周期不同的压力槽模板对待写制光纤施加径向应力，写制谐振波长。

所述待写制光纤与压力槽模板之间的夹角通过调整，改变激光器环腔的谐振波长，进而影响激光器环腔中的增益最高点。

所述环形腔还包括波分复用器，它与光源连接，同时波分复用器还分别依次串接光纤隔离器、掺铒光纤、耦合器、机械感生长周期光纤光栅滤波器和偏振控制器。

所述耦合器中的自由端采用极小直径绕制，并涂敷光纤匹配液。

所述掺铒光纤采用高浓度500ppm的掺铒光纤，利用其增益特性控制激光器的边模抑制比和波长范围。

所述光源为980nm泵浦激光器，其中心波长为975.650nm，驱动电流为120mA，进行输出光功率监测及温度控制。

所述光纤隔离器的波段范围为1550±40nm，覆盖C和L波段。

所述压力槽模板占空比为50％，精度＜5μm。

所述待写制长周期光纤光栅的光纤与压力槽之间角度调整时，根据写制模板周期调整对长周期光纤光栅滤波器谐振波长变化之间的关系：

长周期光纤光栅中，在不同的谐振波长λ_m处，纤芯基模LP₀₁和m阶前向传输包层模发生耦合；耦合波长决定于光纤相位匹配方程

${\mathrm{\λ}}^m=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{c1,m})\mathrm{\Λ}$

其中

和

分别为在λ_m处的LP₀₁模和m次包层模LP_0m的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期，因此有效周期Λ的改变，必然会引起机械感生长周期光纤光栅滤波器谐振波长λ_m的变化。

由于长周期光纤光栅的周期可达数百微米，因此可以利用弹光效应，采用机械感生法写制。因此，本发明利用机械线加工技术制作周期性压力槽，通过螺旋微位移结构压迫标准弹簧对光纤施加径向应力，写制了谐振波长，峰值皆可调谐的长周期光纤光栅。通过调整待写制光纤与压力槽之间的夹角，改变MLPFG的谐振波长，进而影响激光器环腔中的增益最高点，实现了L波段可调谐掺铒光纤激光器。

本发明与现有技术比优点在于：

(1)利用应力光弹效应写制的长周期光纤光栅滤波器由采用机械线加工技术制作的周期性压力槽模板在待写制光纤上施加压力制作，长周期光纤光栅滤波器的谐振波长可以通过改变模板周期或者改变待写制光纤与压力槽板夹角调整有效周期实现，且长周期光纤光栅滤波器谐振波长的变化与压力槽板有效周期呈良好的线性关系，具有结构简单，波长调谐范围宽的特点；

(2)在写制长周期光纤光栅滤波器时，使用平衡光纤，使其与待写制光纤平行放置，保证长周期光纤光栅滤波器写制时的均匀性和稳定性，降低在长周期光纤光栅滤波器写制过程中应力不均匀引起的偏振现象，提高长周期光纤光栅滤波器的品质，最终实现良好的激光器输出；

(3)本发明利用长周期光纤光栅滤波器中心波长的变化调节光纤激光器环形腔内的增益最高点，进而实现输出激光器波长的改变。该方法有效的抑制了光纤激光器环形腔长周期光纤光栅滤波器所处波段的增益，使增益高点出现在未抑制的波段内。环腔增益调整不受外界因素的影响，提高了光纤激光器波长调谐的连续性和稳定性；

(4)本发明使用的泵浦980光源附有温度控制、输出功率实时检测和自校正功能，保证了光纤激光器输出的功率稳定性；

(5)本发明中的偏振控制器，降低了长周期光纤光栅滤波器写制过程中光纤偏振态对应力的依赖，通过偏振控制器的调整，可以实现激光器输出保持一致的偏振特性；

(6)本发明对90∶10耦合器自由端采用极小直径绕制，并涂敷光纤匹配液，降低了自由端的光反射，抑制外界光噪声的入射，提高光纤激光器输出的信噪比。

附图说明

图1波长可调谐激光器系统图；

图1a为机械感生长周期光纤光栅滤波器；

图2泵源输出谱；

图3待写制光纤与压力槽之间角度调整；

图4不同周期下的长周期光纤光栅透射谱；

图5模板有效周期与LPFG谐振波长的关系；

图6无机械感生长周期光纤光栅滤波器作用下激光输出谱；

图7不同光栅有效周期下光纤激光器输出谱；

图8激光器谐振波长与光栅有效周期之间的关系。

其中，1.980泵浦激光器，2.波分复用器，3.光纤隔离器，4.掺铒光纤，5.耦合器，6.机械感生长周期光纤光栅滤波器，7.压力槽模板，8.平滑底板，9.偏振控制器，10.自由端，11.待写制光纤，12.平衡光纤。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明波长可调谐L波段光纤激光器，其实质是通过机械感生长周期光纤光栅滤波器的谐振波长调节，改变光纤激光器环形腔中的增益高点，实现光纤激光器输出波长的可调谐。

波长可调谐激光器系统如图1所示。980泵浦激光器1发出的光经980/1550波分复用器2后，进入激光器环形腔，通过1550光纤隔离器3，抑制反射光对980泵浦激光器1的影响。然后通过掺铒光纤4，掺铒光纤4为环形腔中的增益光纤，可以将980泵浦激光器1发出的光跃迁到1550波段。通过掺铒光纤4后，进入90∶10耦合器5，该耦合器一方面将大部分的光输入至激光器环形腔中，使得激光在环形腔内振荡，一部分作为激光输出。接着进入环形腔内的光通过机械感生长周期光纤光栅滤波器6，抑制机械感生长周期光纤光栅滤波器6阻带内的光强增益，偏振控制器9的作用为降低机械感生长周期光纤光栅滤波器6写制过程中偏振态对应力的依赖。90∶10耦合器5的自由端10的处理，主要是为了减少进入激光器环腔内的噪声。经过信号在激光器环腔内的反复震荡，实现窄带激光的稳定输出。

90∶10耦合器5中的自由端10采用极小直径绕制，并涂敷光纤匹配液。

通过调节偏振控制器9控制机械感生长周期光纤光栅滤波器6写制过程中由于应力带来的偏振态的变化对激光器输出的影响。

掺铒光纤4采用高浓度500ppm的掺铒光纤，并选取适当的长度，利用其增益特性控制激光器的边模抑制比和波长范围。

980nm泵浦激光器1中心波长为975.650nm，驱动电流为120mA，且具有输出光功率监测及温度控制功能。

1550光纤隔离器3的波段范围为1550±40nm，覆盖C和L波段。

图1b中，机械感生长周期光纤光栅滤波器6由周期为P的压力槽模板7，平滑底板8，待写制长周期光纤光栅的光纤11，平衡光纤12组成的写制结构采用机械感生法写制，机械感生长周期光纤光栅滤波器6的波长调节在保持一定压力条件下，可以通过改变周期为P的压力槽模板7周期实现。将机械感生长周期光纤光栅滤波器6串入光纤激光器环形腔中，通过调节机械感生长周期光纤光栅滤波器6谐振波长，调节环形腔内抑制波段，改变环腔增益最高点，实现波长可调谐激光器。

机械感生长周期光纤光栅滤波器6在光纤激光器环腔内作为带阻滤波器，利用其谐振波长可调谐性，实现激光器环腔增益最高点的调谐。

机械感生长周期光纤光栅滤波器6的波长调节既可以通过更换周期不同的压力槽模板，也可以通过改变带写制光纤与压力槽模板之间的夹角来实现。

在机械感生长周期光纤光栅滤波器6的写制结构中，平衡光纤12是用来保持待写制光纤11的平衡状态，保证在机械感生长周期光纤光栅滤波器6时的无啁啾及稳定性。

周期为P的压力槽模板7采用机械线加工法写制，通过数控机床控制加工槽板的周期，占空比为50％，精度＜5μm。

如图2所示为980泵浦激光器1的输出光谱图。光纤激光器的激光输出源来自于泵浦激光器1的泵浦能量，因此980泵浦激光器1的稳定性是输出激光功率稳定的前提，980泵浦激光器1采用闭环反馈控制电路，并设有输出功率检测和自动温度控制功能。图3待写制光纤11与压力槽模板7之间角度调整示意图，在本发明中，机械感生长周期光纤光栅滤波器6的谐振波长调整是通过改变待写制光纤11与压力槽模板7之间的角度来实现的，这样一方面可以实现写制机械感生长周期光纤光栅滤波器6有效周期的连续调整，另外一方面可以减少写制模板数量。写制模板周期调整对机械感生长周期光纤光栅滤波器6谐振波长变化之间的关系依赖于以下原理：

长周期光纤光栅中，在不同的谐振波长λ_m处，纤芯基模LP₀₁和m阶前向传输包层模发生耦合。耦合波长决定于光纤相位匹配方程

${\mathrm{\λ}}^m=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{c1,m})\mathrm{\Λ}$

其中

和分别为在λ_m处的LP₀₁模和m次包层模LP_0m的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期。因此有效周期Λ的改变，必然会引起机械感生长周期光纤光栅滤波器6谐振波长λ_m的变化。

图4、图5分别为不同写制模板周期下的长周期光纤光栅透射谱以及模板有效周期与LPFG谐振波长的关系，可以看出机械感生长周期光纤光栅滤波器6谐振波长的变化与写制模板周期有着良好的线性关系，这决定了机械感生长周期光纤光栅滤波器6谐振波长调节的规律性和可控性。图6无机械感生长周期光纤光栅滤波器作用下激光输出谱，获得该激光器输出谱的条件是激光器环形腔内无机械感生长周期光纤光栅滤波器6的带阻滤波作用，其输出激光器波长取决于所选用的器件参数以及腔长等因素。图7、图8分别为不同光栅有效周期下光纤激光器输出谱以及激光器谐振波长与光栅有效周期之间的关系，可以看出，在机械感生长周期光纤光栅滤波器6的带阻滤波作用下，获得了激光器的可调谐输出，并找出了输出激光器波长与机械感生长周期光纤光栅滤波器6写制模版有效周期之间的关系。

本发明通过调整待写制光纤与周期性压力槽之间的夹角，改变长周期光纤光栅滤波器的写制周期，调谐长周期光纤光栅滤波器透射谱，进而影响环形腔增益最高点，光纤激光器波长可调谐范围可达42nm(1562.465nm～1604.280nm)，激光光谱3dB带宽小于0.02nm，20dB带宽均小于0.06nm，边模抑制比大于35dB。长时间观测，激光功率稳定性优于0.02dBm。结果表明，该光纤激光器具有易调谐，成本低，带宽较宽，线宽窄及性能稳定等特点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，它包括光源和激光器环形腔，光源将光线送入环形腔内，由耦合器输出部分光线，同时将另一部分光线送入传接在环形腔内的机械感生长周期光纤光栅滤波器；其中，机械感生长周期光纤光栅滤波器包括周期为P的压力槽模板，其与一对平滑底板相配合，在两平滑底板间设有待写制光纤和平衡光纤；通过机械感生长周期光纤光栅滤波器的波长调节，改变谐振波长，进而影响激光器环腔中的增益最高点。

2.如权利要求1所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述通过更换周期不同的压力槽模板对待写制光纤施加径向应力，写制谐振波长。

3.如权利要求1所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述待写制光纤与压力槽模板之间的夹角通过调整，改变激光器环腔的谐振波长，进而影响激光器环腔中的增益最高点。

4.如权利要求1所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述环形腔还包括波分复用器，它与光源连接，同时波分复用器还分别依次串接光纤隔离器、掺铒光纤、耦合器、机械感生长周期光纤光栅滤波器和偏振控制器。

5.如权利要求1或4所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述耦合器中的自由端采用极小直径绕制，并涂敷光纤匹配液。

6.如权利要求4所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述掺铒光纤采用高浓度500ppm的掺铒光纤，利用其增益特性控制激光器的边模抑制比和波长范围。

7.如权利要求1或4所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述光源为980nm泵浦激光器，其中心波长为975.650nm，驱动电流为120mA，进行输出光功率监测及温度控制。

8.如权利要求4所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述光纤隔离器的波段范围为1550±40nm，覆盖C和L波段。

9.如权利要求1所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述压力槽模板占空比为50％，精度＜5μm。

10.如权利要求3所述的波长可调谐L波段光纤激光器，其特征是，所述待写制长周期光纤光栅的光纤与压力槽之间角度调整时，根据写制模板周期调整对长周期光纤光栅滤波器谐振波长变化之间的关系：

长周期光纤光栅中，在不同的谐振波长λ_m处，纤芯基模LP₀₁和m阶前向传输包层模发生耦合；耦合波长决定于光纤相位匹配方程

${\mathrm{\λ}}^m=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{c1,m})\mathrm{\Λ}$

其中

和

分别为在λ_m处的LP₀₁模和m次包层模LP_0m的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期，因此有效周期Λ的改变，必然会引起机械感生长周期光纤光栅滤波器谐振波长λ_m的变化。

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