CN102832532B - 基于mems的多通道可调谐光纤激光器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机电系统MEMS的多通道可调谐光纤激光器及其控制方法。本发明在结构中摒弃了常见的多通道光纤激光器内部由多个独立激光器简单组合的笨拙方案，巧妙地采用多个光纤光学模块共享同一个体光学模块，实现仅利用一块MEMS处理器同时独立调谐多路激光输出的目的，并有利于本发明向集成化、小型化、高精度、多功能方向发展。本发明可同时输出多个波长通道的激光，每个通道的激光波长均可在光纤放大器发出的波段内连续可调，各通道之间独立开关控制；各通道的输出波长和输出功率均可同时独立进行本地或远程软件调谐。整个实验对环境的要求不高，操作简单，易于产品化。

Description

基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光器，具体涉及一种基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS的多通道可调谐光纤激光器及其控制方法。

背景技术

随着激光技术在通信、传感、生物医学、仪器测试、自动控制等领域的大力发展，人们对可调谐激光器的需求增长迅速。这类激光器不但可以代替多个固定波长激光器以节省成本，还在诸多新型激光系统中发挥着不可替代的作用。例如在光通信密集波分复用系统中，采用多通道多波长可调谐激光器将大大降低系统的运营成本和备份成本。此外，这类可调谐激光器还可实现全光波长变换、波长路由、光包交换以及基于波长的个人虚拟网络等功能，为网络带来前所未有的灵活性和动态性能。因此多波长调谐、多通道输出的高性能价格比的可调谐激光器成为人们的研究热点。

近年来，世界各著名公司和研究机构如美国IPG、英国SPI、加拿大Nortel Networks、Stanford大学,Bell实验室等积极开展可调谐光纤激光器的研发工作。2010年美国IPG公司因掌握核心技术，研发的各类光纤激光器在市场份额中占70%，英国SPI激光器公司和德国的IPHT公司也是重要光纤激光器供应商，随后美国相干、德国罗芬等激光器巨头也纷纷涌入。

目前，人们对多通道波长可调谐光纤激光器的研究主要集中在如何获得稳定、波长可连续调谐、波长间隔可控、输出波长数目足够多且各波长功率均衡的多波长激射。为实现以上要求，国内外研究者对多波长调谐技术进行了大量的研究，提出了诸多方法来实现，包括光纤布拉格光栅（高双折射光纤上写入布拉格光栅，取样布拉格光栅，少量模光纤光栅等）、光纤型法布里-玻罗腔、声光可调光学滤波器、高双折射萨格纳克（Sagnac）光纤环镜干涉仪和基于光波导的马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪等。

现有调谐技术存在的问题和不足之处在于：

（1）采用光纤布拉格光栅需要通过热效应或者外加应力来实现波长调谐，因此激光器易受环境因素的干扰，导致其封装成本很高，另外波长调节范围也有限；

（2）光纤型法布里-玻罗腔在实现单波长调谐过程中需要把法布里-玻罗F-P腔的自由光谱范围设为激光器的可调谐范围，否则易出现多纵模起振，这就需要另一个选频元件来选择其中的单纵模，然而，前者的F-P腔长必须做得很短，从而导致光学滤波效果差，影响激光器的性能，后者需要附加额外的选频元件，增加器件成本；

（3）光纤声光可调光学滤波器在声光转换过程中会产生微小频移，另外声光转换对偏振敏感也难以克服；

（4）基于Sagnac环形腔和Mach-Zehnder干涉仪等需要克服外界环境因素导致的波长漂移；

（5）电液晶调制器也是常用的调谐元件，不足之处表现为偏振相关性等方面。

发明内容

针对目前可调谐激光器在调谐性、灵活性、稳定性、调谐范围、多波长功率均衡性等方面的不足，本发明提出一种基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS的多通道波长宽带可调谐光纤激光器。该激光器的核心器件MEMS处理器是一种利用微精细加工的超大规模集成电路，即处理器的芯片上集成超过10万个元件数。通过在芯片上施加寻址电压，驱动对应元件（像素）特性发生变化，实现对光波的有效调制，从而达到在放大器的整个增益谱范围内任意调谐一个或者多个波长的目的。

本发明的一个目的在于提供一种基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器。

本发明的基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器包括：n个光纤光学模块和一个体光学模块；n个光纤光学模块中的每一个包括光纤放大器、光纤耦合器、光纤和双尾纤准直器，n个双尾纤准直器构成双尾纤准直器阵列；体光学模块包括第一透镜、光栅、第二透镜和MEMS处理器，MEMS处理器为设置有MEMS芯片的超大规模集成电路，MEMS芯片上集成有像素阵列，并与n个双尾纤准直器相对应地划分为n个工作区；其中，n个光纤光学模块中的每一个光纤放大器发出自发辐射谱，分别经光纤耦合器，一小部分的光作为激光输出，大部分的光通过光纤进入双尾纤准直器，入射光随后经过第一透镜聚焦至光栅上，在一级衍射方向上发生空间色散，该色散光通过第二透镜平行照射在MEMS芯片的相对应的工作区，且不同波长的光落在工作区的不同的像素的区域，通过分别对每个工作区的某区域的像素加载寻址电压，驱动对应的像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域的像素上的对应波长的光发生衍射，并调整MEMS处理器的偏转方向，确保衍射光分别沿原路返回耦合入与工作区相对应的准直器的另一个光纤中，经过光纤放大器的增益和多次循环之后输出高品质的单模激光，其中，n为自然数且n≥2。

本发明在结构中摒弃了常见的多通道光纤激光器内部由多个独立激光器简单组合的笨拙方案，巧妙地采用多个光纤光学模块共享同一个体光学模块，实现仅利用一块MEMS处理器同时独立调谐多路激光输出的目的。下面以其中的第m路激光通道为例说明本发明的工作原理，其中，m为自然数，且1≤m≤n。第m光纤放大器发出自发辐射谱，经第m光纤耦合器，一小部分的光作为激光输出，大部分的光通过第m光纤进入第m双尾纤准直器，入射光随后经过第一透镜聚焦至光栅上，在一级衍射方向上发生空间色散，该色散光通过第二透镜平行照射在MEMS芯片的第m工作区，且自发辐射谱中的不同波长的光落在第m工作区的不同的像素的区域。若控制第m路激光通道输出波长为λ_m，则对第m工作区的与λ_m相应的像素加载寻址电压，驱动对应的像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域的像素上的对应波长λ_m的光发生衍射，并调整MEMS处理器的偏转方向，确保衍射光沿原路返回耦合入与第m工作区相应的第m准直器的另一个光纤中，经过第m光纤放大器的增益和多次循环之后输出高品质的波长为λ_m的单模激光。多路激光通道的工作原理与单路激光通道的工作原理相同，利用MEMS处理器的多通道多波长独立调谐功能，结构设计中利用多个光纤光学模块共享同一个体光学模块，有利于本发明向集成化、小型化、高精度、多功能方向发展。整个实验对环境的要求不高，操作简单，易于产品化。

双尾纤准直器阵列与第一透镜以及第一透镜与光栅的中心的距离均为第一透镜的焦距；光栅的中心与第二透镜以及第二透镜与MEMS芯片之间的距离均为第二透镜的焦距。

进一步，n个光纤光学模块中的元件采用保偏元件，即n个光纤光学模块中的每一个包括保偏光纤放大器、保偏光纤耦合器、保偏光纤和保偏双尾纤准直器，n个保偏双尾纤准直器构成保偏双尾纤准直器阵列。采用保偏元件一方面确保线偏振激光的输出，另一方面明显提高整个系统的信号稳定性。

光栅的水平旋转角位于一级衍射光在近似闪耀条件下，衍射效率最大的位置上。

本发明的另一个目的在于提供一种基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器的控制方法。

本发明的基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器的控制方法，包括以下步骤：

1）n个光纤光学模块中的每一个光纤放大器发出自发辐射谱；

2）分别经光纤耦合器，一小部分的光作为激光输出，大部分的光通过光纤进入双尾纤准直器；

3）入射光随后经过第一透镜聚焦至光栅上，在一级衍射方向上发生空间色散，该色散光通过第二透镜平行照射在MEMS芯片的相对应的工作区，且不同波长的光落在工作区的不同的像素的区域；

4）通过分别对每个工作区的某区域的像素加载寻址电压，驱动对应的像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域的像素上的对应波长的光发生衍射，并调整MEMS处理器的偏转方向，确保衍射光分别沿原路返回耦合入与工作区相对应的准直器的另一个光纤中；

5）分别经过光纤放大器的增益，并重复步骤2）至4）的多次循环之后，输出高品质的单模激光，其中，n为自然数且n≥2。

本发明的主要特点是：

（1）可同时输出多个波长通道的激光，每个通道的激光波长均可在光纤放大器发出的波段内连续可调，各通道之间独立开关控制；

（2）各通道的输出波长和输出功率均可同时独立进行本地或远程软件调谐；

（3）可获得稳定而严格的线偏振激光输出；

（4）各波长通道的信号线宽50pm，边模抑制比SMSR均超过50dB；

（5）激光最大输出功率10mW，功率调谐精度0.02mW，波长调谐精度0.01nm，在长期连续工作情况下的波长稳定性优于0.02nm，功率稳定性优于0.02dBm。

本发明的有益效果：

（1）首次提出利用MEMS处理器作为光纤激光器的波长调谐元件，利用MEMS芯片的像素阵列对光束的高效率衍射来实现波长调谐过程，具有结构稳定可靠、调谐快速灵活、功能模块化、低驱动电压等诸多优势；

（2）利用先进的MEMS处理器，通过巧妙光学设计，可以实现无交叉串扰的多通道单波长或者单通道多波长的激光出射，并且激光输出具有多波长间隔任意可调，各波长功率独立可控，波长与通道开关不影响其他波长激射等特点；

（3）激光器采用全保偏设计，在保证输出激光具有良好线偏振特性的同时，大幅度提高了整机的长期工作稳定性；

（4）多通道光纤激光器在设计中摒弃了常见的多通道激光器内部由多个独立激光器简单组合的笨拙方案，巧妙地采用多个光纤模块共享同一个体光学模块，实现仅利用一块MEMS芯片调谐多通道激光的目的，并具备各通道之间独立开关控制等功能；

（5）相比较于科研和工程上常见的可调谐激光器，本发明有利于向集成化、小型化、高精度、多功能方向发展，整个实验对环境的要求不高，操作简单，易于产品化。

附图说明

图1为本发明的基于MEMS的多通道连续可调谐光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的保偏掺铒光纤放大器发出的C波段自发辐射谱与开环下MEMS处理器的选频谱；

图3本发明的基于MEMS的多通道连续可调谐光纤激光器的一个实施例在C波段内输出的可调谐激光信号的光强的曲线图；

图4本发明的基于MEMS的多通道连续可调谐光纤激光器的一个实施例的输出信号1小时内的波长稳定性和功率稳定性的散点图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。

在本实施例中，本发明的基于MEMS的多通道可调谐光纤激光器包括三个光纤光学模块和一个体光学模块。三个光纤光学模块中的每一个包括光纤放大器1、光纤耦合器2、光纤3和双尾纤准直器，三个双尾纤准直器构成双尾纤准直器阵列4；体光学模块包括第一透镜5、光栅6、第二透镜7和MEMS处理器8，MEMS处理器为设置有MEMS芯片的超大规模集成电路，MEMS芯片上集成有像素阵列，并与三个双尾纤准直器相对应地划分为三个工作区，如图1所示。

其中，三个光纤光学模块中的元件均采用保偏元件，即：保偏掺铒光纤放大器1、保偏光纤耦合器2、保偏光纤3和保偏双尾纤准直器阵列4。保偏掺铒光纤放大器1发出C波段自发辐射谱，波长范围：1530~1560nm，饱和输出功率：20dBm，输出偏振消光比：20dB。保偏光纤耦合器2的分光比为90:10。保偏光纤3采用熊猫型保偏光纤。第一透镜5和第二透镜7均采用红外增透双胶合透镜，第一透镜5的焦距为100mm，第二透镜7的焦距为75mm。光栅6采用1200线/mm的红外波段的闪耀刻划光栅。MEMS处理器8的设置为0.5英寸、1024×768个像素并镀红外增透膜。

下面以其中一路激光通道为例对本实施例的实施进行说明。

保偏掺铒光纤放大器1发出C波段自发辐射谱，通过保偏光纤耦合器2，其中10%的光作为激光输出，90%的光通过保偏光纤3和保偏双尾纤准直器阵列4进入体光学模块。实验中通过旋转保偏光纤3，确保光束在各光纤中的偏振方向一致。从准直器出射的光束随后经过第一透镜5聚焦至闪耀刻划光栅6上，在一级衍射方向上发生空间色散。调节保偏双尾纤准直器阵列4与第一透镜5以及第一透镜5与闪耀刻划光栅的中心6的距离，确保两器件之间的距离均为第一透镜5的焦距100mm。微调闪耀刻划光栅6的水平旋转角，使得一级衍射光在满足近似闪耀条件下，衍射效率最大。调节闪耀刻划光栅中心6与第二透镜7以及第二透镜7与MEMS处理器8之间的距离，确保相邻两器件之间距离均为第二透镜7的焦距75mm。该色散光通过第二透镜7平行照射到MEMS处理器8的MEMS芯片的与该路激光通道相对应的工作区。自发辐射谱中不同波长的光落在MEMS芯片的与该路通道相对应的工作区上不同的像素的区域。通过对某区域的像素加载寻址电压，驱动对应像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域像素上的对应的波长的光发生一级衍射。实验中，MEMS处理器固定于三维微动螺旋调节架上，通过微调处理器的偏转方向，一方面确保多通道衍射光全部无重叠均匀分布在MEMS芯片的有效的工作区，另一方面入射光经过MEMS芯片上对应驱动像素的调制后，微调MEMS处理器的倾角，使得在近似闪耀条件下，多路在相应的工作区发生一级衍射的光均近似沿原路返回双尾纤准直器阵列的相对应的准直器的光纤中，再次进入光纤光学模块，经过保偏掺铒光纤放大器1的增益和多次循环之后输出高品质的单模偏振激光。图2为本发明的一个实施例的保偏掺铒光纤放大器发出的C波段自发辐射谱与开环下MEMS处理器的选频谱，图中的虚线代表C波段（1530-1560nm）的自发辐射谱，实线代表开环下（即环形腔非闭合时）MEMS处理器的选频谱。图3为闭环下单通道激光输出信号，信号线宽50pm，边模抑制比超过50dB，其中，图3（a）为可调谐光纤激光器在粗调下的输出信号，信号可从1530nm调谐至1560nm，图3（b）为细调下的输出信号，调谐精度0.01nm。实验中，MEMS芯片上工作区的不同位置处的像素对应不同波长的光。通过给不同像素加载驱动电压，从而使该像素的区域所对应的波长发生衍射，并返回到像素所在的工作区所对应的准直器中，从而对应的通道输出此波长的单色激光，可以实现调谐激光输出波长的目的。在长期连续工作情况下的波长稳定性优于0.02nm，功率稳定性优于0.02dBm，如图4所示。多路激光通道的工作原理与单路激光通道的工作原理相同：利用MEMS处理器的多通道多波长独立调谐功能，结构设计中利用多个光纤光学模块共享同一个体光学模块，有利于本发明向集成化、小型化、高精度、多功能方向发展。整个实验对环境的要求不高，操作简单，易于产品化。

最后应说明的是：虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明使用的参数，结构及其控制方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (6)

1.一种多通道可调谐光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：n个光纤光学模块和一个体光学模块；n个光纤光学模块中的每一个包括光纤放大器（1）、光纤耦合器（2）、光纤（3）和双尾纤准直器，n个双尾纤准直器构成双尾纤准直器阵列（4）；体光学模块包括第一透镜（5）、光栅（6）、第二透镜（7）和MEMS处理器（8），MEMS处理器（8）为设置有MEMS芯片的超大规模集成电路，MEMS芯片上集成有像素阵列，并与n个双尾纤准直器相对应地划分为n个工作区；其中，n个光纤光学模块中的每一个光纤放大器（1）发出自发辐射谱，分别经光纤耦合器（2），一小部分的光作为激光输出，大部分的光通过光纤（3）进入双尾纤准直器，入射光随后经过第一透镜（5）聚焦至光栅（6）上，在一级衍射方向上发生空间色散，该色散光通过第二透镜（7）平行照射在MEMS芯片的相对应的工作区，且不同波长的光落在工作区的不同的像素的区域，通过分别对每个工作区的某区域的像素加载寻址电压，驱动对应的像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域的像素上的对应波长的光发生衍射，并调整MEMS处理器（8）的偏转方向，确保衍射光分别沿原路返回耦合入与工作区相对应的准直器的另一个光纤中，经过光纤放大器的增益和多次循环之后输出高品质的单模激光，其中，n为自然数且n≥2。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述双尾纤准直器阵列（4）与第一透镜（5）以及第一透镜（5）与光栅（6）的中心的距离均为第一透镜的焦距。

3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅（6）的中心与第二透镜（7）以及第二透镜（7）与MEMS芯片之间的距离均为第二透镜的焦距。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述n个光纤光学模块中的元件采用保偏元件，n个光纤光学模块中的每一个包括保偏光纤放大器、保偏光纤耦合器、保偏光纤和保偏双尾纤准直器，n个保偏双尾纤准直器构成保偏双尾纤准直器阵列。

5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅（6）的水平旋转角位于一级衍射光在近似闪耀条件下，衍射效率最大的位置上。

6.一种多通道可调谐光纤激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法，包括以下步骤：

1）n个光纤光学模块中的每一个光纤放大器发出自发辐射谱；

2）分别经光纤耦合器，一小部分的光作为激光输出，大部分的光通过光纤进入双尾纤准直器；

3）入射光随后经过第一透镜聚焦至光栅上，在一级衍射方向上发生空间色散，该色散光通过第二透镜平行照射在MEMS芯片的相对应的工作区，且不同波长的光落在工作区的不同的像素的区域；

4）通过分别对每个工作区的某区域的像素加载寻址电压，驱动对应的像素的特性发生变化，构成二维“闪耀”光栅，使得落在该区域的像素上的对应波长的光发生衍射，并调整MEMS处理器的偏转方向，确保衍射光分别沿原路返回耦合入与工作区相对应的准直器的另一个光纤中；

5）分别经过光纤放大器的增益，并重复步骤2）至4）的多次循环之后，输出高品质的单模激光，其中，n为自然数且n≥2。

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