CN102842845B - 一种混沌激光控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于多模光纤传感的混沌激光器控制领域，具体涉及一种多模光纤调制混沌激光的控制系统。本发明包括掺铒光纤激光器、环形器、单模-多模-单模光纤结构、光检测器以及环境控制装置，掺铒光纤激光器中产生的激光随环形器的一端进入单模-多模-单模光纤结构，由环形器的另一端导出进入掺铒光纤激光器谐振腔成为反馈光，并产生混沌激光，经掺铒光纤激光器中的波分复用器进入光检测器，其中环境控制装置安装在单模-多模-单模光纤结构中的多模光纤处控制多模光纤外部的环境。本发明具有可调节反馈光波长、光强等作用，操作方便，结构简单，不易受到电磁干扰，波长可调范围大等特点。

Description

一种混沌激光控制器

技术领域

本发明属于多模光纤传感的混沌激光器控制领域，具体涉及一种多模光纤调制混沌激光的控制系统。

背景技术

1975年，H·Haken证明了均匀展宽半径经典理论的单模Maxwell-Bloch激光方程与Lorenz方程在形式上是等价的，从此开辟了激光混沌研究的新领域。根据激光器输出稳定性的条件，可分为A、B、C三类。A类和B类激光器在外部扰动下出现输出不稳定性，C类激光器本身就可能出现输出不稳定性，可以说激光器输出的不稳定性是一个普遍现象，而混沌激光的产生是激光器不稳定性的一个特例。混沌激光作为激光器输出的一种特殊形式，指激光器的输出（光强、波长或位相）在时域上不再是稳态，而是类似噪声的随机变化，此时激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描述，但因对初始条件的极度敏感性使得输出随机变化。近年来，混沌激光的基础研究涉及非线性系统、混沌理论、遍历理论和随机有限元近似等多方面内容。随着混沌激光的基础理论与应用技术的不断被提出与完善，混沌激光的应用研究已涉及混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、激光相干长度的调控等方面。因而对于怎样获得波长可调谐的混沌激光的研究具有一定的必要性。

在光学领域里主要有三种产生混沌的模型，研究的较为广泛的光学混沌产生系统有环形腔激光器混沌产生法、光电延时反馈激光器混沌产生法以及外部反馈半导体激光器混沌产生法。2005年余重秀实验组在论文“基于掺铒光纤环形激光器波长调谐混沌的产生与同步”中分析掺铒光纤环形激光器中基于非线性原理高频光混沌产生和同步的基本模型，提出了波长可调谐混沌的实验方案，实验实现了波长可调谐光混沌的产生。然而该系统较为复杂，且是在混沌激光产生后再进行滤波调制，调制范围小。在这里我们将介绍一种光反馈模式下的混沌激光的产生系统。让DBR或DFB掺铒光纤激光器的输出光经过单模-多模-单模光纤结构后再反馈回该激光器，形成混沌激光输出系统。由于不同温度或应力下的多模光纤对光的滤波不一样，其输出光谱的凹陷处对应波长、位相及光强都会随着多模光纤的温度和应力的变化而发生改变。而多模光纤透射光谱的特性的变化使得作用于光纤激光器的反馈光的特性在发生同步的变化，反馈光的改变使掺铒光纤激光器产生的混沌激光的波长及光强等发生改变。因此，可以通过改变作用到多模光纤的温度、应力等来控制掺铒光纤激光器产生不同特性的混沌激光，成为混沌激光控制器。这种混沌控制器结构简单，操作方便，波长可控制范围大，且比较稳定不易受到外界环境的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、稳定性强、能够产生不同特性混沌激光的混沌激光控制器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括掺铒光纤激光器、环形器、单模-多模-单模光纤结构、光检测器以及环境控制装置，掺铒光纤激光器中产生的激光随环形器的一端进入单模-多模-单模光纤结构，由环形器的另一端导出进入掺铒光纤激光器谐振腔成为反馈光，并产生混沌激光，经掺铒光纤激光器中的波分复用器进入光检测器，其中环境控制装置安装在单模-多模-单模光纤结构中的多模光纤处控制多模光纤外部的环境。

环境控制装置为温控装置，可以控制多模光纤所处的温度环境从而改变多模光纤透射谱凹陷处的中心波长、光强。

环境控制装置还可以为PZT压电陶瓷，可以控制多模光纤所处的应力环境从而改变多模光纤透射谱凹陷处的中心波长、光强。

单模-多模-单模光纤结构中的多模光纤的长度为3cm至5cm，纤芯直径为105μm。

掺铒光纤激光器为DBR型掺铒光纤激光器。

掺铒光纤激光器还可以为DFB型掺铒光纤激光器。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明提出的利用多模光纤的透射谱来形成光反馈的方式与先前的利用反射镜进行光反馈的方式相比，具有可调节反馈光波长、光强等作用，即实现了对掺铒光纤激光器中混沌激光输出波长的控制。

（2）多模光纤是天然的滤波器，利用多模光纤的滤波特性来改变多模光纤的透射谱凹陷处的波长、光强等特性，具有操作方便，结构简单，不易受到电磁干扰等特点。

（3）多模光纤的透射光谱对温度和应力敏感，通过调节作用于多模光纤的温度或者应力来改变多模光纤的透射谱。透射谱的改变即改变了掺铒光纤激光器反馈光的特性，最终获得不同特性的混沌激光，这样得到的混沌激光具有波长可调范围大等优点。

附图说明

图1为混沌控制器结构示意图；

图2为混沌控制器结构示意图；

图3为DBR掺铒光纤激光器结构示意图；

图4为单模-多模-单模光纤结构示意图；

图5为多模光纤透射谱随温度漂移示意图；

图6为多模光纤透射谱随应力的漂移示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例，并参照附图，对本发明进行详细的说明。

实施方式一

图1是利用温控装置调节温度来控制激光器混沌激光输出的示意图。具体实施方法如下：

图1中选用的掺铒光纤激光器可以为DFB或DBR。在这里是以DBR型为例，其结构示意图如图3所示。DBR的谐振腔是由两个Bragg波长相同的光纤光栅熔接在一段掺铒光纤的两端构成，两个光栅作为腔镜，在中间接入一定长度的高掺Er³⁺光纤以提供光增益，泵浦光源经波分复用器(WDM)耦合进入谐振腔，在掺Er³⁺光纤中形成粒子数反转产生受激辐射光，经过第二个光纤布拉格光栅得到波长为1548nm左右的激光输出。

图1中选用的单模光纤3采用标准型单模光纤，选用的多模光纤4直径为125μm、芯径为105μm、长度为3cm至5cm左右。通过熔接的方式将多模光纤熔接到两段单模光纤之间。这种单模-多模-单模光纤结构示意图如图4所示。

如图1所示，光由泵浦光源1a发出经波分复用器1b耦合进入掺铒光纤激光器谐振腔1c，在谐振腔里产生激光并从环形器2的一端进入单模光纤3，随后导入多模光纤4，通过温控装置5调节作用于多模光纤的温度的大小，使多模光纤的透射光的波长及光强等变化。多模光纤的透射光由单模光纤3从环形器2的另一端以光反馈的形式进入掺铒光纤激光器的谐振腔1c最终产生混沌激光1d，产生的混沌激光1d经波分复用器1b输出，并用光检测器6进行检测。

实施方式二

如图2所示，是通过调节作用于多模光纤的应力来控制激光器混沌激光输出的结构示意图。具体实施方法与实施方式一相似，区别仅仅为此方案中是通过调节加载到PZT 5’的电压和频率等来改变作用到多模光纤上的应力，通过对应力大小的控制改变多模光纤的透射谱凹陷处的波长及光强等，最终达到调谐混沌激光输出的目的。

本发明对混沌激光输出的控制的原理为：光由980nm泵浦光源输出，经WDM后进入DBR掺铒光纤激光器，掺铒光纤激光器中Bragg光纤光栅构成激光器的腔镜，光源在掺铒光纤中形成粒子数反转产生受激辐射光。光纤激光器产生的激光经过环形器进入单模-多模-单模光纤结构，改变作用于多模光纤的温度或应力，使多模光纤的输出的透射光发生改变，从而使得反馈回DBR光纤激光器的光的特性发生变化。由于反馈光的存在可导致激光器产生混沌激光，并且不同的反馈光引起的混沌激光输出也会不一样，因此改变反馈光的波长、光强等参数则可得到不同波长的混沌激光的输出。并利用光检测器来检测输出的混沌激光的特性。因此在本发明的装置里调节温控装置或PZT则可以控制掺铒光纤激光器DBR的混沌激光的输出，使之成为一个混沌激光输出的控制器。

多模光纤透射谱漂移原理：基于多模干涉理论，不同多模光纤中干涉处的波长可由下式得出：

$\mathrm{\λ}=\frac{16n_{\mathrm{core}}{a}^{2}N}{(m-n)[2(m+n)-1]L_{\mathrm{MMF}}}(m>n)---\left(1\right)$

其中N是整数，m，n表示模式数，n_core、L、a分别是多模光纤纤芯折射率、多模光纤长度及芯径。而环境的改变通常会影响多模光纤的参数，从而使波长发生漂移。最常见的扰动因素有温度和应力等。首先，将（1）对T求偏导可得波长随温度变化：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂n_{\mathrm{core}}}{n_{\mathrm{core}}\∂T}\mathrm{\ΔT}+2\frac{\∂a}{a\∂T}\mathrm{\ΔT}-\frac{\∂L}{L\∂T}\mathrm{\ΔT}=(a+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$ (括号类型改变)

式中其中α和ξ分别为多模光纤材料的热膨胀系数和热光系数。因此理论上可推知温度可以使波长发生漂移。为了更具说服力我们引入了实验部分来验证这一结论的正确性。如附图5所示，为同一多模光纤在不同温度下时的透射谱，由图可以得知不同温度下多模光纤的透射谱的透射波长发生改变，而且随着温度的增加透射谱的波长表现为红移。因此，通过温控装置改变多模光纤的温度，则可以改变其透射谱的波长，从而调谐混沌激光波长及光强等的输出。

在温度不变时，应力引入的波长漂移同样可以得到，可表示为

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}={[\frac{1}{n_{\mathrm{core}}}\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{core}}+\frac{2}{a}\mathrm{\Δa}-\frac{1}{L}\mathrm{\ΔL}]}_T---\left(3\right)$

其中n_core是多模光纤纤芯折射率，L和a分别是多模光纤芯径和长度。在只有轴向压力ε的作用时，因此，(3)式可化为

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=-(1+2v+p_e)\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

P_e是光压系数，ν为光纤泊松比。从上式可知，在温度不变的前提下，给多模光纤结构纵向的应力，波长会发生变化。随着应力的增大，波长向短波长方向漂移，从而导致多模光纤结构透射谱跟着向短波长漂移，即发生“蓝移”现象。同样我们用实验验证了这一结论的正确性。如附图6所示，多模光纤的透射谱会随着应力的变化而发生改变，从图中可知，随着应力的增大多模光纤的透射谱出现了蓝移的现象。因此，通过PZT改变作用于多模光纤的应力，可使多模光纤的透射谱漂移，进而控制激光混沌激光的输出波长。

Claims (4)

1.一种混沌激光控制器，包括掺铒光纤激光器、环形器、单模-多模-单模光纤结构、光检测器以及环境控制装置，其特征在于：掺铒光纤激光器中产生的激光随环形器的一端进入单模-多模-单模光纤结构，由环形器的另一端导出进入掺铒光纤激光器谐振腔成为反馈光，并产生混沌激光，经掺铒光纤激光器中的波分复用器进入光检测器，其中环境控制装置安装在单模-多模-单模光纤结构中的多模光纤处控制多模光纤外部的环境；所述的环境控制装置可以为温控装置，可以控制多模光纤所处的温度环境从而改变多模光纤透射谱凹陷处的中心波长、光强；所述的环境控制装置还可以为PZT压电陶瓷，可以控制多模光纤所处的应力环境从而改变多模光纤透射谱凹陷处的中心波长、光强。

2.根据权利要求1所述的一种混沌激光控制器，其特征在于：所述单模-多模-单模光纤结构中的多模光纤的长度为3cm至5cm，纤芯直径为105μm。

3.根据权利要求1所述的一种混沌激光控制器，其特征在于：所述掺铒光纤激光器为DBR型掺铒光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的一种混沌激光控制器，其特征在于：所述掺铒光纤激光器为DFB型掺铒光纤激光器。

Images