CN102306896A

CN102306896A - 基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器

Info

Publication number: CN102306896A
Application number: CN 201110238442
Authority: CN
Inventors: 蔡志平; 周敏; 罗正钱; 叶陈春; 许惠英; 刘哲; 王金章
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-01-04

Abstract

基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器，涉及一种激光器。第1偏振控制器、第1保偏光纤、第2偏振控制器和第2保偏光纤依次相连并通过1×2型50∶50的光耦合器的两个50％的输出端口串接成非对称的两级保偏光纤Sagnac环光梳状滤波器；三端口的光环形器、石墨烯多波长稳频器、波分复用器、一段稀土掺杂光纤和光耦合器依次串接构成一个闭合的光纤环形谐振腔；所述滤波器通过三端口的光环形器的第二端口接入光纤谐振腔中；光泵浦源输出的泵浦光通过波分复用器的泵浦输入端注入光纤环形谐振腔，光耦合器的输出端则用于输出腔内震荡产生的多波长激光。

Description

基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器。

背景技术

多波长光纤激光器因其自身的独特优点，如多波长输出、结构紧凑、低成本、好的光束质量、低插入损耗等而在诸如波分复用光网络、光测试仪器、光纤传感以及光子微波技术等领域拥有巨大的应用前景。多波长光纤激光器的关键指标在于输出功率的稳定性、输出波长数目的多少、各波长功率的均衡性以及波长间隔的可调性。其中，波长间隔的可调性主要取决于对各型多波长梳状滤波器调谐功能的设计。然而，目前可调谐的多波长光纤激光器的梳状滤波器均是等间隔同时地进行调谐，其输出激光光谱的各波长间隔也是同步地压缩或拉伸。一种常用的多波长梳状滤波器就是萨格纳克(Sagnac)干涉环，通常由一个50∶50光耦合器、一个偏振控制器和一段高折射率差光纤一一串接而成，其滤波波长间隔随高折射率差光纤快慢轴折射率差从和长度变化而变化。然而，在实际中一旦选定了高折射率光纤，其折射率差就很难改变，而改变其长度也只能定态地改变其滤波波长间隔，但十分缺乏灵活性且无法适时地进行调节。虽然到目前为止，人们对传统的萨格纳克(Sagnac)干涉环进行了许多改进来满足其对实时灵活的调谐功能的需求，但是始终停留在波长间隔同步调节(即同步地压缩或拉伸)的技术层面上。因此，研制具有更高灵活性的波长间隔调谐功能的多波长滤波器是目前急需探索的一个技术领域。

此外，对于稀土掺杂光纤而言，其均匀增益展宽特性导致很难在室温下实现多个波长同时激射。目前，以稀土掺杂光纤做增益介质的多波长光纤激光器都需要采用附加技术来抑制其自身的均匀增益展宽。例如，使用相位调制器或频移器、在谐振腔内引入非线性增益、将稀土光纤超低温制冷和开发特种稀土光纤等。其中，在腔内插入可引入非线性增益的多波长稳频器的技术是相对较为简捷和容易实现的，然而要提供足够能抑制均匀增益展宽的非线性增益，通常需要非常长的高非线性光纤(达数千公里)或昂贵的光子晶体光纤，如此将使系统成本大幅增加。因此，研制一种低成本并具有强非线性效应的多波长稳频器也是目前多波长稀土掺杂光纤激光器领域的一个研究热点。因其发现而于2010年被授予诺贝尔奖的新型纳米材料石墨烯已被证实具备极高的三阶非线性系数高达|χ⁽³⁾|～10^-7esu，比普通石英玻璃光纤大8个数量级。(E.Hendry，P.J.Hale，J.Moger，A.K.Savchenko，and S.A.Mikhailov，“Coherentnonlinear optical response of graphene，”Phys.Rev.Lett.vol.105，pp.97401-97404，2010)因此，利用石墨烯材料制成多波长稳定器并接入稀土掺杂光纤谐振腔中能引入极大的非线性增益来抑制稀土掺杂光纤的均匀增益展宽来实现稳定的多波长激光输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器。

本发明设有第1偏振控制器、第2偏振控制器、第1保偏光纤、第2保偏光纤、1×2型50∶50的光耦合器、三端口的光环形器、石墨烯多波长稳频器、一段稀土掺杂光纤、光泵浦源、波分复用器和光耦合器；

所述第1偏振控制器、第1保偏光纤、第2偏振控制器和第2保偏光纤依次相连并通过1×2型50∶50的光耦合器的两个50％的输出端口串接成一个环，即构成了一个非对称的两级保偏光纤Sagnac环光梳状滤波器；所述三端口的光环形器、石墨烯多波长稳频器、波分复用器、一段稀土掺杂光纤和光耦合器依次串接构成一个闭合的光纤环形谐振腔；所述非对称的两级保偏光纤Sagnac环光梳状滤波器通过三端口的光环形器的第二端口接入光纤谐振腔中；光泵浦源输出的泵浦光通过波分复用器的泵浦输入端注入光纤环形谐振腔，光耦合器的输出端则用于输出腔内震荡产生的多波长激光。

所述第1保偏光纤和第2保偏光纤为两段折射率差和长度各不相同的保偏光纤。

所述石墨烯多波长稳频器是通过将石墨烯材料附着于光纤端面(可采用聚合物改性石墨烯成膜法)构建的光纤兼容型器件。

本发明通过调节第1偏振控制器和第2偏振控制器，光纤激光器可以在其掺杂光纤的增益谱带宽内形成可自由变换的多组多波长激光输出，即每组可实现单波长、双波长和三波长三种激射状态间的转换。当输出为多组三波长激射的状态时，其每组中间的谱线可以自由地移动来改变其与另外两根谱线的间隔，实现了高度灵活的波长间隔调谐。相对于普通的可调谐多波长激光器，本发明所具备的这种激射状态可自由切换和波长间隔可灵活调谐的特性使其更能满足现代激光技术领域对多波长激光器的高效能和多用途性的需求。在实际中，选定不同的稀土掺杂光纤(实施实例中采用了最普遍的掺铒光纤)并配备相应的泵浦光源、光梳状滤波器、波分复用器和光耦合器就能极广的光谱范围内构建所需的可自由变换的多组多波长光纤激光器。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。在图1中，标记A为泵浦输入，B为多波长激光输出，C为非对称两级保偏光纤萨格纳克(Saganac)环梳状滤波器。

图2为本发明实施例中利用聚合物改性石墨烯成膜并贴附于光纤端面上制成光纤兼容型的多波长稳频器的示意图。在图2中，标记D为超声剥离，E为聚合改性，F为聚合物改性石墨烯多波长稳频器，G为镊取小片帖附于光纤连接头端面，H为烘干。

图3为本发明采用掺铒光纤来实现1528.2～1532.6nm范围内四组波长同时激射的实施例。在图3中，标记I为泵浦输入，J为聚合物改性石墨烯多波长稳频器，K为非对称两级保偏光纤萨格纳克(Saganac)环梳状滤波器，L为多组多波长激光输出。

图4为图3所示出的实施例4个激射波长(每组单个波长)的输出激光的光谱图。

图5为图3所示出的实施例8个激射波长(每组双波长)的输出激光的光谱图。

图6为图3所示出的实施例8个激射波长(每组双波长)的输出激光的光谱图。

图7为图3所示出的实施例12个激射波长(每组三波长)的输出激光的光谱图。

图8为图3所示出的实施例12个激射波长(每组三波长)的输出激光的光谱图。

图9为图3所示出的实施例12个激射波长(每组三波长)的输出激光的光谱图。

在图4～9中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为激光功率(dBm)。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有第1偏振控制器1、第2偏振控制器3、第1保偏光纤2、第2保偏光纤4、1×2型50∶50的光耦合器5、三端口的光环形器6、石墨烯多波长稳频器7、一段稀土掺杂光纤8、光泵浦源9、波分复用器10和光耦合器11。

所述第1偏振控制器1、第1保偏光纤2、第2偏振控制器3和第2保偏光纤4依次相连并通过1×2型50∶50的光耦合器5的两个50％的输出端口串接成一个环，即构成了一个非对称的两级保偏光纤Sagnac环光梳状滤波器；所述三端口的光环形器6、石墨烯多波长稳频器7、波分复用器10、一段稀土掺杂光纤8和光耦合器11依次串接构成一个闭合的光纤环形谐振腔；所述非对称的两级保偏光纤Sagnac环光梳状滤波器通过三端口的光环形器6的第二端口接入光纤谐振腔中；光泵浦源9输出的泵浦光通过波分复用器10的泵浦输入端注入光纤环形谐振腔，光耦合器11的输出端则用于输出腔内震荡产生的多波长激光。

所述第1保偏光纤2和第2保偏光纤4为两段折射率差和长度各不相同的保偏光纤。

所述石墨烯多波长稳频器7是通过将石墨烯材料附着于光纤端面(可采用聚合物改性石墨烯成膜法)构建的光纤兼容型器件。

图2给出利用聚合物改性石墨烯薄膜制作光纤兼容型的多波长稳频器的全过程。具体如下：

首先，通过超声剥离技术将具有多层结构的石墨12分割成单层或少层的石墨烯纳米薄片13，之后在薄片上嫁接上聚丙烯酸链14制成聚合物改性石墨烯纳米薄片15。以上的剥离聚合过程全部在水分散液中进行。再者，将上述聚合物改性石墨烯水分散液16注入平底圆盘器皿17，使其在器皿底部均匀地覆盖上薄薄的液层(约1mm厚)并置入烘箱18烘干(温度设置为60℃)。烘烤约50min，取出平底圆盘器皿，则在其底部形成一片厚度约30微米的圆盘状的聚合物改性石墨烯薄膜19。其后，在整片聚合物改性石墨烯薄膜上截取一小片(尺寸约1.5mm×1.5mm)待用。取一段仅有一端带有连接头的单模光纤20，将截取的小片聚合物改性石墨烯薄膜贴附于其带有接头的端面20a，其不带接头的一端为20b；另取一段同样的单模光纤21，其不带接头的一端为21a，而其带有接头的一端21b通过光纤法兰盘22与带有接头的端面20a连接。由此，则利用聚合物改性石墨烯成膜法制成了基于石墨烯材料的光纤兼容型多波长稳频器件(图2虚线框内所示)。

图3给出应用上述图2所示方法制成的光纤兼容型的多波长稳频器，并采用掺铒光纤作为增益介质的自由变换多组多波长光纤激光器的结构图，具体构建如下：

标记23和24为两段非对称的保偏光纤，其中，保偏光纤23长10m，折射率差为1×10^-4；保偏光纤24长5m，折射率差为4×10^-4。

标记25和26为两个偏振控制器。

标记27为一个1×2型50∶50光耦合器。

标记28为光环形器，其中标记28a、28b和28c分别为该光环形器的第一、第二和第三端口。

标记29为一个980/1550型的波分复用器，其中标记29a、29b和29c分别为该波分复用器的信号端、公共端和泵浦端。

标记30为另外一个偏振控制器。

标记31为一段3m的掺铒光纤。

标记32为1×2型90∶10光耦合器，其中标记32a、32b和32c分别为该90∶10光耦合器的90％输出端、输入端和10％输出端。

标记33为一台974nm波长半导体激光器。

标记34为一台光谱分析仪。

如图3中右半部分虚线框所示，两段非对称的保偏光纤23和24各自的一端通过偏振控制器25串接在一起，保偏光纤23的剩余一端接偏振控制器26的其中一端。保偏光纤24和偏振控制器26各自剩余未连接的端口分别接1×2型50∶50光耦合器27的两个50％的输出端口。1×2型50∶50光耦合器27的输入端口与光环形器28的第二脚28b相连，由此构成了非对称两级保偏光纤Sagnac环结构的光梳状滤波器。将图2中多波长稳频器件的20b接980/1550型的波分复用器29的信号端29a，其21a接光环形器28的第1脚28a。980/1550型的波分复用器29的公共端29b通过偏振控制器30接掺铒光纤31一端，而掺铒光纤31的另外一端则和1×2型90∶10光耦合器32的90％的输出端32a相连接。1×2型90∶10光耦合器32的输入端32b和光环形器28的第3脚28c相连接。由此构成了一个环形光纤谐振腔。泵浦源33输出接980/1550型的波分复用器29的泵浦输入端29c，而1×2型90∶10光耦合器32的10％的输出端32c为多波长调Q脉冲激光的输出端，通过接光谱仪34来测试其输出激光光谱。

如图4～9所示，当输入974nm泵浦光功率为100mW时，利用光谱仪测量该实施例的输出激光光谱，通过手动调节偏振控制器25和26，该系统的激光输出在四组单波长、四组双波长和四组三波长三个激射状态间进行切换。其中，图4为每组单个波长的情况，共4个波长激射，其波长间隔为1.09nm；图5和6为每组双波长的情况，共8个波长激射，其波长间隔均为0.48nm；图7～9均是12个波长激射，为每组三波长的三种典型情况，即分别每组中间的谱线居中、偏右和偏左。如果采用Δλ₁和Δλ₂来分别表示每组中左边两根谱线和右边两根谱线的间隔，则对于图7，有Δλ₁＝Δλ₂＝0.34nm；对于图8，有Δλ₁＝0.36nm，Δλ₂＝0.24nm；对于图9，有Δλ₁＝0.24nm，Δλ₂＝0.36nm。

Claims

1.基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器，其特征在于设有第1偏振控制器、第2偏振控制器、第1保偏光纤、第2保偏光纤、1×2型50∶50的光耦合器、三端口的光环形器、石墨烯多波长稳频器、一段稀土掺杂光纤、光泵浦源、波分复用器和光耦合器；

所述第1偏振控制器、第1保偏光纤、第2偏振控制器和第2保偏光纤依次相连并通过1×2型50∶50的光耦合器的两个50％的输出端口串接成一个环，即构成了一个非对称的两级保偏光纤萨格纳克环光梳状滤波器；所述三端口的光环形器、石墨烯多波长稳频器、波分复用器、一段稀土掺杂光纤和光耦合器依次串接构成一个闭合的光纤环形谐振腔；所述非对称的两级保偏光纤萨格纳克环光梳状滤波器通过三端口的光环形器的第二端口接入光纤谐振腔中；光泵浦源输出的泵浦光通过波分复用器的泵浦输入端注入光纤环形谐振腔，光耦合器的输出端则用于输出腔内震荡产生的多波长激光。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器，其特征在于所述第1保偏光纤和第2保偏光纤为两段折射率差和长度各不相同的保偏光纤。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯的自由变换多组多波长稀土掺杂光纤激光器，其特征在于所述石墨烯多波长稳频器是通过将石墨烯材料附着于光纤端面构建的光纤兼容型器件。