CN102610987A - 基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器，包括980nm泵浦光源、波分复用器、一段长度掺铒光纤、第一双包层光纤、第一单模光纤、第二双包层光纤、第二单模光纤、第一偏振控制器、偏振相关光隔离器、第二偏振控制器和9:1耦合器。980nm泵浦光源与波分复用器的一个输入端相连接，为激光器提供持续的能量。波分复用器依次与一段长度掺铒光纤、第一双包层光纤、第一单模光纤、第二双包层光纤、第二单模光纤、第一偏振控制器、偏振相关光隔离器、第二偏振控制器以及所述9:1耦合器构成一个光纤环路；本发明结构紧凑，易于与现有光纤系统集成，通过调节偏振控制器可以实现不同波长之间的开关转换以及不同输出波长数之间的转换。
Description
所属技术领域
本发明具体涉及一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器,属于激光技术领域。
背景技术
掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器（EDFA）的基础上发展起来的，由于掺Er3+离子光纤在1500nm波长处具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，具有潜在的应用价值，故发展最为迅速。在密集波分复用系统以及高精度光纤陀螺仪等方面已经获得广泛应用。
掺铒光纤激光器具有宽的增益曲线，并且工作在通信波段，所以用掺铒光纤激光器实现多波长输出就成为了研究热点。多波长掺铒光纤激光器的构建往往需要一个梳状滤波器作为多波长选频器件。目前广泛应用的主要有F-P（法布里-泊罗）标准具、取样光栅、多模光栅、保偏光纤光栅以及各种干涉型滤波器等。
另一方面由于掺铒光纤激光器的均匀展宽特性会引起模式竞争，导致激光输出的不稳定，所以必须引入一定的物理机制来抑制腔内的模式竞争。为了做到这一点，人们使用双芯掺铒光纤、椭圆掺铒光纤、声光移频器、正弦相位调制器等各种方法来实现常温下稳定的多波长激光输出。以上方法尽管能实现多波长掺铒光纤激光器，但是都较为复杂，有的需要对增益光纤特殊处理，有的需要特殊的设备。
发明内容
针对以上滤波方法中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器。使用双包层光纤的Mach-Zehnder干涉仪作为滤波器件，具有制作工艺简单、易于光纤系统集成等优点；同时直接利用单模光纤本身的三阶非线性效应结合腔内偏振态的控制，达到了多波长激光的稳定输出，通过调节腔内偏振态，还实现了波长可开关操作。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器，包括980nm泵浦光源、波分复用器、一段长度掺铒光纤、第一双包层光纤、第一单模光纤、第二双包层光纤、第二单模光纤、第一偏振控制器、偏振相关光隔离器、第二偏振控制器和9:1耦合器。其特征在于：所述980nm泵浦光源与波分复用器的一个输入端相连接，为激光器提供持续的能量。所述波分复用器依次与所述一段长度掺铒光纤、第一双包层光纤、第一单模光纤、第二双包层光纤、第二单模光纤、第一偏振控制器、偏振相关光隔离器、第二偏振控制器以及所述9:1耦合器构成一个光纤环路；所述第一双包层光纤与第二双包层光纤长度相等；所述偏振相关光隔离器通光方向为顺时针方向；所述9:1耦合器的10%输出端为激光器输出端口。
上述9:1耦合器的输出光波长由第一双包层光纤与第二双包层光纤的长度以及它们之间第一单模光纤的长度决定。
上述9:1耦合器的输出光波长数量以及开关状态通过调节第一偏振器与第二偏振器实现调谐。
本发明的工作原理：
为了获得较窄的线宽和较高的输出功率，激光器采用环形腔结构。波分复用器将980nm泵浦光耦合进掺铒光纤，掺铒光纤中铒离子吸收泵浦光光子能量，跃迁到较高的能级。当腔内增益大于损耗时，在受激辐射的作用下产生激光，一部分由9:1耦合器的10%输出端作为激光器输出光输出；剩下的光能量继续留在腔内循环。偏振相关隔离器用来保证激光单向循环，同时还起到起偏和检偏的作用。
为了实现多波长输出，我们使用了两段双包层光纤及其之间的一段单模光纤构成光纤Mach-Zehnder干涉仪作为多波长选频器件。第一双包层光纤作为光分束器，实现输入光波在纤芯和包层波导间的分束；第一单模光纤的纤芯与外包层分别为干涉仪的两个干涉臂，第二双包层光纤作为光合波器，实现纤芯和包层波导中传输光波的合波，从而就在单根光纤中构建了Mach-Zehnder干涉仪。
激光器通过非线性偏振旋转效应来实现对模式竞争的抑制。非线性偏振旋转的基本原理是强度相关可饱和吸收，即低强度光被吸收，而高强度光可以通过。但是当谐振腔内的非线性积累比较大时，如果光强大于某一临界值，激光腔的传输不是随着光强的增大而增大，而是随着光强的增大而减小，这里正是利用这种强度相关损耗来实现稳定多波长产生的。我们在激光腔内插入了一段较长的单模光纤，用来增大激光腔内非线性效应。由第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振相关光隔离器实现对非线性偏振旋转效应的控制，其最终的透射率是与谐振波长相关的。通过调节偏振控制器可以使某个波长的透射率增加，同时使其它波长的透射率减小，从而做到输出波长的可选择性。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
（1）使用双包层光纤构成的Mach-Zehnder干涉仪作为波长选频器件，实现了全光纤多波长激光器，结构上更加紧凑，易于与现有的光纤系统集成。
（2）利用非线性偏振旋转效应来抑制模式竞争，通过调节偏振控制器可以实现不同波长之间的开关转换以及不同输出波长数之间的转换。
附图说明
图１是本发明一个实施例的结构框图。
图2是图1示例在不同开关状态下的单波长输出。
图3是图1示例在不同开关状态下的双波长输出。
图4是图1示例在不同开关状态下的三波长输出。
具体实施方式
本发明所涉及的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器，包括980nm泵浦光源（1）、波分复用器（2）、一段长度掺铒光纤（3）、第一双包层光纤（4）、第一单模光纤（5）、第二双包层光纤（6）、第二单模光纤（7）、第一偏振控制器（8）、偏振相关光隔离器（9）、第二偏振控制器（10）和9:1耦合器（11）。所述980nm泵浦光源（1）与波分复用器（2）的一个输入端相连接，为激光器提供持续的能量。所述波分复用器（2）依次与所述一段长度掺铒光纤（3）、第一双包层光纤（4）、第一单模光纤（5）、第二双包层光纤（6）、第二单模光纤（7）、第一偏振控制器（8）、偏振相关光隔离器（9）、第二偏振控制器（10）以及所述9:1耦合器（11）构成一个光纤环路；所述第一双包层光纤（4）与第二双包层光纤（6）长度相等；所述偏振相关光隔离器（9）通光方向为顺时针方向；所述9:1耦合器（11）的10%输出端为激光器输出端口。
上述9:1耦合器（11）的输出光波长由第一双包层光纤（4）与第二双包层光纤（6）的长度以及它们之间第一单模光纤（5）的长度决定。
上述9:1耦合器（11）的输出光波长数量以及开关状态通过调节第一偏振器（8）与第二偏振器（10）实现调谐。
实施例二：
本实施例结合附图，通过验证实验进一步来描述本发明。
参见图1，波分复用器（2）将980nm泵浦光源（1）的泵浦光耦合进一段长度掺铒光纤（3），一段长度掺铒光纤（3）中铒离子吸收泵浦光光子能量，跃迁到较高的能级。当腔内增益大于损耗时，在受激辐射的作用下产生激光。第一偏振控制器（8）与第二偏振控制器（10）及其之间的单模光纤的长度决定了可以输出光谱的波长位置；偏振相关光隔离器（9）、第二单模光纤（7）、第一偏振控制器（8）以及第二偏振控制器（10）产生的非线性偏振旋转效应决定了最终输出光谱的波长数量和波长位置。一部分光由9:1耦合器（11）的10%输出端作为激光器输出光输出；剩余的光能量继续留在环形腔内循环。
参见图2，实验中使用的第二单模光纤（7）长约10km，980nm泵浦光源（1）功率固定在150mW，第一双包层光纤（4）与第二双包层光纤（6）之间的第一单模光纤（5）的长度取16cm。通过调节激光腔内的第一偏振控制器（8）与第二偏振控制器（10），曲线（12）、（13）、（14）、（15）、（16）分别为实现了五个单波长的可调谐输出，干涉谱的自由光谱范围约为4.6nm。实际测得的5个激光谐振波长分别为1546.2nm，1550.8nm，1556.4nm，1561.0nm和1565.6nm。这5个谐振波长与光纤Mach-Zehnder干涉仪的相干波长基本吻合。各输出波长的3dB带宽为0.3nm，功率变化小于0.5dB，边模抑制比大于30dB。
参见图3、图4，与图2中实验条件相同。继续仔细调节第一偏振控制器（8）与第二偏振控制器（10），当非线性偏振旋转效应诱导的传输随光强增大而减小时，光纤激光器工作在连续多波长状态，图3中曲线（17）、（18）与图4中曲线（19）所示分别为双波长的可调谐输出和三波长输出。环形激光腔内多波长的产生是非线性偏振旋转诱导的强度相关损耗对腔内模式竞争平衡的结果。在多波长输出时，各激光纵模的3dB带宽为0.3nm，峰值功率相差小于0.2dB，边模抑制比大于28dB。在验证多波长输出的稳定度方面，每隔5分钟记录一次输出光谱，两个小时内输出功率变化小于0.5dB，中心波长的漂移量小于0.3nm。
Claims (2)
1.一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器，包括980nm泵浦光源（1）、波分复用器（2）、一段长度掺铒光纤（3）、第一双包层光纤（4）、第一单模光纤（5）、第二双包层光纤（6）、第二单模光纤（7）、第一偏振控制器（8）、偏振相关光隔离器（9）、第二偏振控制器（10）和9:1耦合器（11），其特征在于：所述980nm泵浦光源（1）与波分复用器（2）的一个输入端相连接，为激光器提供持续的能量；所述波分复用器（2）依次与所述一段长度掺铒光纤（3）、第一双包层光纤（4）、第一单模光纤（5）、第二双包层光纤（6）、第二单模光纤（7）、第一偏振控制器（8）、偏振相关光隔离器（9）、第二偏振控制器（10）以及所述9:1耦合器（11）构成一个光纤环路；所述第一双包层光纤（4）与第二双包层光纤（6）长度相等；所述偏振相关光隔离器（9）通光方向为顺时针方向；所述9:1耦合器（11）的10%输出端为激光器输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的可开关多波长掺铒光纤激光器，其特征在于所述9:1耦合器（11）的输出光波长数量以及开关状态通过调节第一偏振器（8）与第二偏振器（10）实现调谐。
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