CN103337774A - 一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，根据光纤布拉格光栅的中心波长随应变线性漂移的原理实现线性腔光纤激光器的可调谐输出，根据饱和吸收波段宽广的石墨烯的可饱和吸收作用实现线性腔光纤激光器的锁模输出。本发明具有全光纤结构、紧凑、稳定、宽带可调谐等特点，在光纤通讯、光纤传感等领域中具有广泛的应用，适用性广。

Description

一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及可调谐锁模光纤激光器，特别是提供了一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器。

背景技术

锁模光纤激光器由于能够产生高频率的超短脉冲，在光通信、光纤传感、探测诊断、生物医学、精密微加工、军事等众多领域有着广阔的前景。锁模技术主要可分为主动锁模、被动锁模以及混合锁模技术。

被动锁模能在激光腔内不使用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出，基本原理是利用非线性器件对输入光脉冲的响应强度相关的特性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉冲。可饱和吸收体锁模是最常用的一种被动锁模。早在20世纪70年代，可饱和吸收体就已用于被动锁模。可饱和吸收体主要包括半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管（SWNT）以及石墨烯。

石墨烯在2009年被发现可作为一种新型的可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质材料，是构建其它维度碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家Novoselov等首次通过机械剥离的方法从大块石墨上得到了这种纳米级的石墨烯薄片。

可调谐锁模光纤激光器是光纤通信系统、光纤传感系统升级扩容的关键器件，可调谐脉冲光源在实现光波分复用-时分复用系统中起着重要的作用。

目前为了实现可调谐锁模光纤激光器，采用的是主动锁模的方式，1999年，《光子学报》的文章“10GHz可调谐主动锁模光纤激光器”报道了解决主动锁模光纤激光器不稳定性的解决方法，由于主动锁模技术要求LiNbO₃调制器的调制频率与激光纵模间隔相当精确的匹配，但实际应用中很难实现，为此利用时钟提取电路、相位控制器和微波放大器从激光输出中提取频率适当的电信号，然后将其加到调制器上进行调制，由此，可见主动锁模采用的器件数量众多、繁杂，整个系统非常复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可调谐锁模光纤激光器，并且保证系统结构简单、工作稳定可靠且成本较低。

本发明的技术原理为：采用光纤布拉格光栅实现光纤激光器的可调谐输出，同时采用石墨烯实现光纤激光器的锁模输出。

由于光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长随着光纤光栅的应变发生线性变化，所以通过调节压电陶瓷的驱动电压时，可实现压电陶瓷伸缩的应变调节，继而实现胶粘固定在压电陶瓷上的光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长的调节，也就是通过改变光纤激光器的两个腔镜的反射波中心长，实现了输出激光的波长调谐。

石墨烯具有优异的可饱和吸收特性。当光强较弱的时候，价带电子能够通过吸收光子而跃迁到导带；但是随着光强的进一步增强，导带很容易填满，由于泡利不相容原理的作用，价带电子就不能进一步吸收光子，光子就可以无损耗地通过石墨烯，即高光强条件下，石墨烯具有较高的透射率。石墨烯材料饱和吸收波段非常宽，可覆盖从可见光到中红外（400nm-2500nm）波段，可作为可饱和吸收体实现宽带可调谐光纤激光的锁模输出。

本发明结合了光纤布拉格光栅波长可调谐的特点和石墨烯可饱和吸收体的宽带可饱和吸收特性，实现了结构紧凑、稳定可靠、成本低廉的可调谐锁模光纤激光器。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，包括通过单模光纤连接的泵浦源、波分复用器、掺杂增益光纤、偏振控制器、石墨烯锁模器、低反射率光纤布拉格光栅、高反射率光纤布拉格光栅以及压电陶瓷；

其中高反射光纤布拉格光栅通过单模光纤连接在光纤激光器的反射端，低反射光纤布拉格光栅通过单模光纤连接在光纤激光器的输出端，石墨烯锁模器通过单模光纤连接在掺杂增益光纤和偏振控制器之间；低反射率光纤布拉格光栅和高反射率光纤布拉格光栅固定在压电陶瓷上，并通过压电陶瓷的伸缩实现光纤布拉格光栅的波长调谐。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，低反射率光纤布拉格光栅和高反射率光纤布拉格光栅的材料和周期长度相同，且粘接在同一块压电陶瓷上。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，石墨烯锁模器包括光纤法兰盘、沉积有石墨烯薄膜的光纤端头和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头，沉积有石墨烯薄膜的光纤端头和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头通过光纤法兰盘同轴耦合连接为一体。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，低反射率光纤布拉格光栅对输出激光波长的反射率为70%～90%。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，高反射率光纤布拉格光栅对输出激光波长的反射率为95%以上。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，偏振控制器为偏振态可调的三环式偏振控制器。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，泵浦源为带尾纤的单模半导体激光器，中心波长为915nm或975nm。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，掺杂增益光纤为掺铒光纤或掺镱光纤。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，掺杂增益光纤对泵浦光能量的吸收率大于99.9%。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明为全光纤结构、紧凑、可靠性好、宽带可调谐，优势明显，在光纤通讯、光纤传感等领域中具有广泛的应用，适用性广。

2、本发明实现了可调谐锁模光纤激光的输出，可调谐范围取决于FBG中心波长的调谐范围，可以达到20nm以上的调谐输出，调谐波段宽。

3、本发明利用可调光纤光栅实现波长可调谐可确保不同波长对应的输出脉冲在同一重复频率。

4、本发明的低反射率光纤布拉格光栅和高反射率光纤布拉格光栅的中心波长和栅距参数相同，且粘接在同一块压电陶瓷进行波长调谐，保证了同一腔体两端腔镜反射波长的一致性，使得只有在该反射波长的光才能通过腔镜振荡输出，提高了腔镜对波长选频的特性，压缩了输出激光的线宽；同时环境温度变化时二者之间也不存在温度差，提高了激光输出的稳定性。

5、本发明的锁模器采用石墨烯制备，成本低廉，制作简单。

附图说明

图1是本发明基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器组成原理示意图；

图2是本发明石墨烯锁模器的组成原理图；

图3是本发明石墨烯锁模器的一种制备原理图；

图4是对应的石墨烯锁模器的透过率随入射功率的变化曲线；

图5是获得的石墨烯锁模光纤激光器的输出脉冲曲线；

图6是获得的石墨烯锁模光纤激光器的输出光谱曲线。

附图标记如下：

图中1—泵浦源；2—波分复用器；3—掺铒光纤；4—单模光纤；5—石墨烯锁模器；6—偏振控制器；7—低反射率光纤布拉格光栅；8—压电陶瓷；9—高反射率光纤布拉格光栅；10—沉积有石墨烯薄膜的FC型光纤端头；11—光纤法兰盘；12—普通FC型光纤端头；13—光功率计；14—光纤激光器；15—光纤环行器；16-石墨烯分散液。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于光纤布拉格光栅的可调谐石墨烯锁模光纤激光器由泵浦源1、波分复用器2、掺杂增益光纤3、单模光纤4、石墨烯锁模器5、偏振控制器6、低反射率光纤布拉格光栅7、高反射率光纤布拉格光栅9以及压电陶瓷8组成。

波分复用器2的泵源光端22与泵浦源1的尾纤相连接，波分复用器2的信号光端23与高反射率光纤布拉格光栅9相连接，波分复用器2的公共端21与掺杂增益光纤3相连接，掺杂增益光纤3的另一端与石墨烯锁模器5相连接，石墨烯锁模器5的另一端与偏振控制器6的一端相连接，偏振控制器6的另一端与低反射率的光纤布拉格光栅7相连接；高反射光纤布拉格光栅9通过单模光纤连接在光纤激光器的反射端，低反射光纤布拉格光栅7通过单模光纤连接在光纤激光器的输出端；

掺杂增益光纤3为掺铒光纤或掺镱光纤，分别对应的激光输出波长为1550nm和1064nm；泵浦源1采用915nm或975nm的单模半导体激光器，通过尾纤与波分复用器2以熔接的方式使得泵浦光进入谐振腔。

谐振腔镜分别为可实现信号光的高反射的光纤布拉格光栅9以及部分反射的光纤布拉格光栅7，光纤布拉格光栅9与光纤布拉格光栅7中心波长一致，光纤布拉格光栅9的反射率应选择在95%以上，光纤布拉格光栅7的反射率应选择在70%～90%之间。偏振控制器6为常规的偏振态可调的三环式偏振控制器。对于线性腔中的偏振态进行调节，可以优化锁模性能。

光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长的调节方法非常多，通过对光纤光栅的应力、温度调节，改变光纤光栅的周期，可以方便地对光纤激光器进行调谐，本发明中的可调光纤布拉格光栅采用应变调节的方法实现。

将光纤布拉格光栅7与光纤布拉格光栅9分别胶粘在不同压电陶瓷8上，当调节压电陶瓷8的驱动电压时，压电陶瓷8发生轴向伸缩，位于压电陶瓷8上方的光纤布拉格光栅7与光纤布拉格光栅9的反射谱的中心波长受到同样的应变因而会发生同样的变化。

作为一种优选的实施方式，低反射率光纤布拉格光栅7和高反射率光纤布拉格光栅9的制作材料、中心波长和栅距参数相同，仅仅是反射率不同，其输出中心波长和波长随应变的变化率均相同；将二者粘接在同一块压电陶瓷8上，通过压电陶瓷8的伸缩实现光纤激光的可调谐输出。此设计首先保证了同一腔体两端腔镜反射波长的一致性，使得只有在该反射波长的光才能通过腔镜振荡输出，提高了腔镜对波长选频的特性，压缩了输出激光的线宽；同时可以保证光纤布拉格光栅7与光纤布拉格光栅9处在同样的环境温度下，环境温度变化时二者也不存在温度差，不会因为所处温度不同而使得中心波长存在差异，由此提高了激光输出的稳定性。

本发明采用石墨烯锁模器5为可饱和吸收体，利用石墨烯薄膜的饱和吸收作用实现被动锁模输出。如图2所示，石墨烯锁模器5包括光纤法兰盘11、沉积有石墨烯薄膜的光纤端头10和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头12，两个光纤端头10、12通过光纤法兰盘11同轴耦合，连接为一体。

石墨烯锁模器中的石墨烯薄膜的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、光致沉积法等，本发明中的石墨烯锁模器中的石墨烯薄膜的制备方法可采用最常用的方法光致沉积法，如图3所示，将FC型光纤连接器光纤端头放置浸入石墨烯分散液16中，单模光纤的另一头通过环行器15与激光器14相接，开启光源，通过光的梯度力，分散在溶液当中的石墨烯即可热泳沉积在光纤端面上，光功率计13可以实时监测光纤端面反射率的变化，进而反映出光纤端面石墨烯的沉积情况，通过控制泵浦光源的功率以及沉积时间，可获得锁模性能优异的石墨烯锁模器。

为验证本发明的可行性，以图3所示沉积原理制备了石墨烯锁模器，选择入射功率为100mW，沉积时间为25min进行沉积后获得的石墨烯锁模器的透过率随入射功率的变化曲线见图4，可以看出当入射功率大于300mW时，透射功率表现出了明显的上升，可饱和吸收特性明显。在合适状态下获得的脉冲输出曲线及光谱曲线分别如图5、图6所示，可见脉冲波形输出稳定，由此验证了锁模状态的稳定性。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，包括通过单模光纤（4）连接的泵浦源（1）、波分复用器（2）、掺杂增益光纤（3）、石墨烯锁模器（5）、偏振控制器（6）、低反射率光纤布拉格光栅（7）和高反射率光纤布拉格光栅（9），所述的高反射光纤布拉格光栅（9）设置在光纤激光器的反射端，所述的低反射光纤布拉格光栅（7）设置在光纤激光器的输出端，所述的泵浦源（1）通过波分复用器（2）实现对光纤激光器的泵浦，所述的石墨烯锁模器（5）连接在掺杂增益光纤（3）和偏振控制器（6）之间；所述的低反射率光纤布拉格光栅（7）和高反射率光纤布拉格光栅（9）固定在压电陶瓷（8）上，并通过压电陶瓷（8）的伸缩实现光纤布拉格光栅的波长调谐。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的低反射率光纤布拉格光栅（7）和高反射率光纤布拉格光栅（9）的制作材料、中心波长和栅距参数相同，且粘接在同一块压电陶瓷（8）上。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述石墨烯锁模器（5）包括光纤法兰盘（11）、沉积有石墨烯薄膜的光纤端头（10）和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头（12），所述沉积有石墨烯薄膜的光纤端头（10）和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头（12）通过光纤法兰盘（11）同轴耦合连接为一体。

4.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的低反射率光纤布拉格光栅（7）对输出激光波长的反射率为70%-90%。

5.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的高反射率光纤布拉格光栅（9）对输出激光波长的反射率为95%以上。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的偏振控制器（6）为偏振态可调的三环式偏振控制器。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源（1）为带尾纤的单模半导体激光器，中心波长为915nm或975nm。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述的掺杂增益光纤（3）为掺铒光纤或掺镱光纤。

9.根据权利要求1或8所述的基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述掺杂增益光纤（3）对泵浦光能量的吸收率大于99.9%。

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