CN103545703B - 光控触发激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光控触发激光器，其包括可饱和吸收体、光放大器、光纤环行器、光纤光栅、泵浦模块，主要关键器件有光放大器和可饱和吸收体，其中光放大器被充分泵浦，为整个谐振腔提供增益；可饱和吸收体在谐振腔中提供主要损耗。初始状态下，腔内增益小于损耗，无法形成激光出射。给谐振腔注入单个触发开启光脉冲，实现光控触发激光开启。在激光开启状态下，给谐振腔注入单个触发关闭光脉冲，实现激光的关闭。触发光脉冲作用时间结束，激光器恢复至未触发开启的状态，腔内增益小于损耗，激光关闭状态继续保持，从而完全实现光控触发激光关闭。本发明的光控触发激光器，结构简单、紧凑，无需通过腔外接入光控光开关，因此整个架构更稳定。

Description

光控触发激光器
技术领域
本发明涉及到用光学的方法控制触发产生和关闭激光输出的技术，具体涉及可光控触发开启和关闭的激光器。
背景技术
集成电路经过几十年的发展，目前已经制备出各种高集成度、高频宽、高容量的集成芯片，并已在工业界得到了广泛的应用，但其进一步发展存在很多的技术瓶颈，针对于此，本质上具备超高速度、超高容量的全光网络、集成光路以及光计算等领域得到了一些初步的探讨和研究，目前利用全光学的技术已实现了分光、合束、合波、滤波、逻辑门等基本集成光学基本单元，对光源的全光控制是其中最重要的关键技术之一，但目前仍未能有很好的实现方案。
目前已有的实现控制激光器开启和关闭的技术，有几种非光学的方式，一是直接开启和关闭激光器的泵源，使得激光器增益介质的放大特性产生和消失，从来实现控制；二是通过电学或者机械控制的手段，调节激光器输出的耦合角度，使得激光器的输出功率可以在最大值和零之间实现有效切换（中国专利201110043634）；三是通过控制激光器谐振腔某一反射腔镜的角度或者反射率，实现有效控制激光谐振腔振荡的建立；四是在激光器谐振腔内插入损耗可控的器件，通过调节谐振腔内的损耗，实现控制激光器谐振条件的建立，从而实现控制激光的开启和关闭（中国专利：201010142103）。这几种技术均是在激光谐振腔内通过机械调节或者电学控制的办法，实现控制激光器的开启和关闭，这些技术的使用增加了激光器的复杂性和不稳定性，且开启和关闭速度一般均是毫秒量级，响应时间完全无法满足全光网络的应用需求。
相关领域，前沿研究中还有通过激光器加腔外光控开关的组合技术手段，实现激光器信号的通断，这是一种间接控制的技术方案，本质上，激光器一直保持连续输出状态，而通过级联的光控开关来控制激光器输出信号的传输通断（中国专利：201010135631，201210285905），这种组合技术方案能量浪费严重，特别是在光开关控制实现输出信号断开的时候，激光器一直保持连续输出，且激光器腔外组合器件的架构也造成了系统的不稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服在先技术的缺点，更好地满足全光控制激光器和全光网络的实际需求，本发明提供一种全光控制触发激光器，触发光脉冲波长与激光器输出波长完全无关，可实现由单个光脉冲完全触发激光器的开启和关闭状态。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
光控触发激光器，其包括触发关闭光源模块、触发开启光源模块、光纤耦合器、可饱和吸收体、第一光纤环行器、光纤光栅、光放大器、泵浦模块、第二光纤环行器和激光输出端；光纤耦合器、可饱和吸收体、第一光纤环行器、光放大器顺次连接闭合形成一个逆时针方向的谐振环路；光纤耦合器还分别与触发开启光源模块和第二光纤环行器的第二端口连接，第二光纤环行器第一与触发关闭光源模块连接；光纤光栅与第一光纤环行器连接，泵浦模块与光放大器连接，第二光纤环行器的第三端口作为激光输出端。
进一步地，触发开启光源模块的尾纤输出和光纤耦合器的第一端口相连，光纤耦合器的第四端口与可饱和吸收体的输入端口相连，可饱和吸收体的输出端口与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与光纤光栅相连，光纤环行器的第三端口与光放大器的输入端口相连，光放大器与泵浦模块相连，光放大器的输出端口与光纤耦合器的第二端口相连；光纤耦合器的第三端口与光纤环行器的第二端口相连，光纤环行器的第三端口作为整个激光器的输出，光纤环行器的第一端口与触发关闭光源模块的尾纤输出相连。
进一步地，所述可饱和吸收体采用通信波段的半导体可饱和吸收体、电吸收调制器或者泵浦不充分的半导体光放大器；当可饱和吸收体为电吸收调制器时，可饱和吸收体还与控制模块连接，可饱和吸收体的初始工作状态由所述控制模块调节，所述控制模块为电压输出控制器；当可饱和吸收体为半导体光放大器时，可饱和吸收体还与控制模块连接，可饱和吸收体的初始工作状态由所述控制模块调节，所述控制模块为电流驱动电路。
进一步地，所述触发关闭光源模块和触发开启光源模块是所述光控触发激光器的触发光源，触发关闭光源模块和触发开启光源模块的工作波长在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的范围内。
进一步地，所述光纤光栅为布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的综合范围内。可通过温度或应变施加在所述光纤光栅上，进行反射中心波长的调谐。
进一步地，所述光纤光栅由窄带滤波器替代，实现起振波长的有效选择。
进一步地，所述光放大器主要用于在激光器谐振腔中提供增益，在触发光脉冲导致的交叉增益饱和效应的作用下，实现增益被触发光脉冲调控；光放大器采用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的通信波段的半导体光放大器（SOA）；所述泵浦模块主要用于给光放大器提供泵浦，使光放大器能给谐振腔提供增益；泵浦模块和光放大器配套使用，若光放大器为掺饵光纤放大器（EDFA），对应的泵浦模块为980nm半导体二极管（LD）；若光放大器为半导体光放大器（SOA），对应的泵浦模块为电流驱动电路。
进一步地，在光放大器的增益谱和可饱和吸收体的吸收谱的综合作用范围内，通过不同工作波长的单个脉冲光能触发开启和关闭同一信道、同一波长的所述光控触发激光器。在所述光放大器的增益谱和可饱和吸收体的吸收谱的综合作用范围内，单个脉冲光能触发开启和关闭多个（如上百个）不同信道、不同波长的所述光控触发激光器。
与现有技术相比，本发明如有如下优点和技术效果：
（1）本发明的光控触发激光器，结构简单、紧凑，无需通过腔外接入光控光开关的技术方案实现激光器输出的通断，因此整个架构更稳定；
（2）本发明的光控触发激光器，所需的触发机制耗能极小，触发开启和关闭所需的光脉冲脉宽低至10ns，触发开启和关闭耗能低至0.1nJ量级。
（3）本发明的光控触发激光器，激光器开启和关闭响应速度快，可低至亚微秒量级，速度远远快于目前现有的腔内控制激光器开启和关闭的技术手段。
（4）本发明的光控触发激光器，可以很好的适用于全光网络中的种子源，其激光器状态的开启和关闭，均可由触发光脉冲实现调控，完全实现高速光控，操作简单且性能优良。
附图说明
图1为光控触发激光器开启的示意图；
图2为光控触发激光器关闭的示意图；
图3为光控触发激光器的结构示意图；
图4为光控触发激光器开启的实验结果图；
图5为光控触发激光器关闭的实验结果图；
图6为不同波长光脉冲触发单一信道光控触发激光器的实施方案示意图；
图7为单脉冲触发多信道光控触发激光器的实施方案示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
如图3，为本实施方式的光控触发激光器结构示意图，图中：0—触发关闭光源模块、1—触发开启光源模块、2—光纤耦合器、3—可饱和吸收体、4—控制模块、5—第一光纤环行器、6—光纤光栅、7—光放大器、8—泵浦模块、9—第二光纤环行器、10—激光输出端。
触发开启光源模块1的尾纤输出和光纤耦合器2的第一端口201相连，光纤耦合器2的第四端口204与可饱和吸收体3的输入端口301相连，可饱和吸收体3与控制模块4相连，可饱和吸收体3的输出端口302与第一光纤环行器5的第一端口501相连，第一光纤环行器5的第二端口502与光纤光栅6相连，第一光纤环行器5的第三端口503与光放大器7的输入端口701相连，光放大器7与泵浦模块8相连，光放大器7的输出端口702与光纤耦合器2的第二端口202相连，闭合形成一个逆时针方向的谐振环路；光纤耦合器2的第三端口203与第二光纤环行器9的第二端口902相连，第二光纤环行器9的第三端口903作为整个激光器的输出10，第二光纤环行器9的第一端口901与触发关闭光源模块0的尾纤输出相连。在光纤环形谐振腔内，接入光放大器和可饱和吸收体，其中光放大器7得到有效泵浦，提供增益；可饱和吸收体3给环形谐振腔提供主要损耗；触发关闭光源模块0注入脉冲光直接作用在光放大器7上，触发开启光源模块1注入脉冲光直接作用到可饱和吸收体3上，触发光脉冲可有效调控腔内增益介质提供的增益以及可饱和吸收体引入的损耗，最终实现光学触发控制激光器的开启和关闭。
上述的光控触发激光器中，触发开启光源模块的尾纤和光纤耦合器的第一端口相连，将触发开启光脉冲注入到环形谐振腔中，光纤耦合器的第四端口与可饱和吸收体的输入端相连，可饱和吸收体由一控制模块调节其初始工作状态，此可饱和吸收体的输出端口与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与光纤光栅相连，为激光谐振腔提供窄带反射腔镜，光纤环行器的第三端口与光放大器的输入端相连，此光放大器由一泵浦模块调节其初始工作状态，此光放大器的输出端口与光纤耦合器的第二端口相连，实现闭合形成一个逆时针方向的谐振环路；光纤耦合器的第三端口与另一个光纤环行器的第二端口相连，此光纤环行器的第三端口作为整个激光器的输出端，光纤环行器的第一端口与触发关闭光源模块的尾纤输出相连，可由此注入触发关闭光脉冲。
各构成部件的实施方式说明：
触发关闭光源模块0和触发开启光源模块1，是光控触发激光器的触发光源，要求其工作波长在光放大器的增益谱范围内，在本发明中，为了更好的应用于全光网络，可以采用光通信波段商用的FP-LD或者DFB-LD作为激光光源，此类光源通过电流的脉冲调制和幅度调节，即可简单的实现注入光脉冲的幅度和脉宽可调，可为后续实现触发调控激光器的开启和关闭状态提供触发光脉冲。
触发光源模块可为普通的脉冲激光光源，其工作波长在光放大器的增益谱范围内。
光纤耦合器2，主要用于耦合输出激光，本实例的光纤耦合器为2×2的光纤耦合器，中心波长处于光通信波段，分束比为10:90，其中两个90%的端口作为激光器谐振腔的构成部分，两个10%的端口分别作为激光器输出、触发输入端口。
所述的光纤环行器是一个三端口光纤环行器，工作波长处于在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的综合范围内，选择合适的分光比，其中两个端口作为激光器谐振腔的构成部分，另两个端口分别作为激光器输出、触发输入端口。第一光纤环行器5和第二光纤环行器9，为三端口光纤环行器，单向导通，也可采用接入光纤耦合器和隔离器的办法，起到光纤环行器的作用。
光纤光栅6，为布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长可选择定制在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的交叉范围内；反射率越高越有利于腔内形成激光谐振，光纤光栅的反射率可实现99.9%以上；反射带宽越窄，输出激光的线宽就越窄，光纤光栅的反射带宽可实现小于0.1nm，可以按照实际情况选择更合适的光纤光栅；另外可通过温度或应变施加在光纤光栅上，进行一定范围内的反射中心波长的调谐。
光放大器7，主要用于在激光器谐振腔中提供增益，在触发光脉冲导致的交叉增益饱和效应的作用下，实现增益被触发光脉冲调控。可以选用高增益系数的掺铒光纤搭建掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的通信波段的半导体光放大器（SOA）。
泵浦模块8，主要用于给光放大器7提供泵浦，使光放大器7能给谐振腔提供增益，因此泵浦模块8需要和光放大器7配套使用，若光放大器7选择为EDFA，那么对应的泵浦模块为980nm半导体二极管（LD）；若光放大器7选择为SOA，那么对应的泵浦模块为电流驱动电路。
本发明的基本原理如下：构建的单向环形谐振腔内，主要器件有光放大器和可饱和吸收体，其中光放大器被充分泵浦，为整个谐振腔提供增益；可饱和吸收体在谐振腔中提供主要损耗。初始状态下，光放大器提供的增益小于整个谐振腔内的损耗，此损耗主要是由于可饱和吸收体的吸收效应造成，因此初始状态下无法形成激光出射。
如图1所示，在此初始情况下，给单向环形谐振腔内注入单个触发光脉冲，此光脉冲只作用可饱和吸收体，设置触发光脉冲的脉宽，使其大于腔内建立初步激光振荡所需的时间；调节触发光脉冲的幅度至可以有效降低可饱和吸收体吸收饱和的功率，进而导致可饱和吸收体在腔内引入的损耗急剧减小，因此，腔内损耗减小，而增益不变，综合效果是腔内谐振光的增益大于损耗，从而获得净增益，在环形器内振荡形成激光出射。当谐振腔内建立振荡形成激光输出后，腔内形成稳定的光功率分布，可饱和吸收体器件上有环内形成的激光和注入脉冲光的共同叠加作用，这时候脉冲光作用时间结束，可饱和吸收体的饱和吸收效应只受很小影响，其损耗系数依旧保持较小的值，腔内激光建立振荡的状态并无变化，原有的状态得以保持，从而完全实现光控触发激光开启，在此处脉冲光只起到一个触发激光开启的作用。具体实验结果如图4所示，实验中采用114ns的单个光脉冲，完全实现激光器的有效开启。
如图2所示，在采用上述方式实现了激光开启的状态下，给单向环形谐振腔内反向注入一个触发光脉冲，此光脉冲只能作用光放大器，设置触发光脉冲的脉宽，使其大于腔内光放大器交叉增益饱和效应的响应时间；调节触发光脉冲的幅度至可以有效导致光放大器交叉增益饱和的功率，光放大器的交叉增益饱和效应导致腔内谐振激光的增益系数急剧变小，因此，腔内增益减小，而损耗不变，综合效果是腔内谐振光的增益小于损耗，从而实现激光的关闭；当激光关闭后，作用在光放大器上的腔内稳定的谐振光功率消失，进而导致可饱和吸收体的饱和吸收效应消失，其损耗系数恢复至最初的最大值。这时候脉冲光作用时间结束，光放大器所受到的交叉增益饱和效应消失，增益也恢复至最初的最大值，在此情况下，激光器完全恢复至未触发开启的状态，增益小于损耗，激光腔内无法形成谐振激光输出，从而完全实现光控触发激光关闭，在此处脉冲光只起到一个触发激光关闭的作用。具体实验结果如图5所示，实验中采用49ns的单个光脉冲，完全实现激光器的有效关闭。
在此方案中，触发脉冲光波长与激光器的输出激光波长无关。在作用范围内，一个固定波长的脉冲光可以触发开启和关闭上百个不同信道、不同波长的激光器；同时，不同工作波长的脉冲光也可以触发开启和关闭同一信道、同一波长的激光器。针对不同波长的激光器，脉冲光触发开启和关闭的极限脉宽和阈值峰值功率会略有区别。
触发脉冲光波长与激光器的输出激光波长无关。在作用范围内，不同工作波长的脉冲光也可以触发开启和关闭同一信道，如图6不同波长光脉冲触发单一信道光控触发激光器方案所示：其中，T11、T12、……、T1m为不同工作波长的触发开启光源模块，14为m路光开关，T01、T02、……、T0n为不同工作波长的触发关闭光源模块，15为n路光开关，L0为图3所示的光控触发激光器，其中L00为光控触发关闭端口，L01为光控触发开启端口，L02为激光输出端口，通过光开关（14、15），不同工作波长的脉冲光连接到L0的光控触发激光器上，可以选择不同波长的触发光脉冲，实现对激光器L0的开启和关闭。
触发脉冲光波长与激光器的输出激光波长无关。在作用范围内，一个固定波长的脉冲光可以触发开启和关闭上百个不同信道、不同波长的激光器。如图7单脉冲触发多信道光控触发激光器方案所示：其中，1为触发开启光源模块，12和13均为1×n路光耦合器，0为触发关闭光源模块，L1、L2、……、Ln为如图3所示的多信道光控触发激光器，其中L10、L20、……、Ln0为光控触发关闭端口，L11、L21、……、Ln1为光控触发开启端口，L12、L22、……、Ln2为激光输出端口，通过1×n路光耦合器12和1×n路光耦合器13，单个触发开启和关闭脉冲光连接到L1、L2、……、Ln的光控触发激光器上，实现对多信道光控触发激光器的开启和关闭。针对不同波长的光控触发激光器，脉冲光触发开启和关闭的极限脉宽和阈值峰值功率会略有区别。
以下进一步说明具体实施步骤:
1、按如图3所示的示意图以及上述的器件构建光控触发激光器。
2、通过调节泵浦模块8的能量，调节腔内光放大器7给环形谐振腔提供的增益（适当大），并保持此时泵浦模块8的驱动状态。
3、通过调节控制模块4的设置，调节可饱和吸收体3给环形腔提供的损耗，使得初始状态下，谐振腔内的损耗略大于增益，腔内无法实现谐振，并保持此时控制模块4的驱动状态。
4、初始状态下，并无谐振激光输出，激光器输出端口10功率为零。
5、设置触发开启光源模块1，给环形腔注入单个光脉冲做为触发开启光源（一般情况下，光脉冲脉宽可低至10ns量级，光脉冲幅度可低至1mW量级）。
6、触发开启过程如图4所示，此时激光器实现触发开启，激光器输出端口10有激光输出，输出功率可达几毫瓦量级，边模抑制比可达50dB以上，谐振激光波长由环形腔决定，与触发光脉冲波长无关。
7、在实现触发开启状态下，设置触发关闭光源模块0，给环形腔注入单个光脉冲做为触发关闭光源（一般情况下，光脉冲脉宽可低至10ns量级，光脉冲幅度可低至1mW量级）。
8、触发关闭过程如图5所示，此时激光器实现触发关闭，激光器输出端口10功率为零，谐振腔状态恢复到初始状态，即上述第4步。
如上即可较好的实现本发明并取得前述技术效果。

Claims (10)

1.光控触发激光器，其特征在于包括触发关闭光源模块（0）、触发开启光源模块（1）、光纤耦合器（2）、可饱和吸收体（3）、第一光纤环行器（5）、光纤光栅（6）、光放大器（7）、泵浦模块（8）、第二光纤环行器（9）和激光输出端（10）；光纤耦合器（2）、可饱和吸收体（3）、第一光纤环行器（5）、光放大器（7）顺次连接闭合形成一个逆时针方向的谐振环路；光纤耦合器（2）还分别与触发开启光源模块（1）和第二光纤环行器（9）的第二端口连接，第二光纤环行器（9）的第一端口与触发关闭光源模块（0）连接；光纤光栅（6）与第一光纤环行器（5）连接，泵浦模块（8）与光放大器（7）连接，第二光纤环行器（9）的第三端口作为激光输出端（10）。
2.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：触发开启光源模块（1）的尾纤输出和光纤耦合器（2）的第一端口（201）相连，光纤耦合器（2）的第四端口（204）与可饱和吸收体（3）的输入端口（301）相连，可饱和吸收体（3）的输出端口（302）与光纤环行器（5）的第一端口（501）相连，光纤环行器（5）的第二端口（502）与光纤光栅（6）相连，光纤环行器（5）的第三端口（503）与光放大器（7）的输入端口（701）相连，光放大器（7）与泵浦模块（8）相连，光放大器（7）的输出端口（702）与光纤耦合器（2）的第二端口（202）相连；光纤耦合器（2）的第三端口（203）与光纤环行器（9）的第二端口（902）相连，光纤环行器（9）的第三端口（903）作为整个激光器的输出（10），光纤环行器（9）的第一端口与触发关闭光源模块（0）的尾纤输出相连。
3.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体（3）采用通信波段的半导体可饱和吸收体、电吸收调制器或者泵浦不充分的半导体光放大器；当可饱和吸收体为电吸收调制器时，可饱和吸收体（3）还与控制模块（4）连接，可饱和吸收体（3）的初始工作状态由所述控制模块（4）调节，所述控制模块为电压输出控制器；当可饱和吸收体为半导体光放大器时，可饱和吸收体（3）还与控制模块（4）连接，可饱和吸收体（3）的初始工作状态由所述控制模块（4）调节，所述控制模块为电流驱动电路。
4.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：所述触发关闭光源模块（0）和触发开启光源模块（1）是所述光控触发激光器的触发光源，触发关闭光源模块（0）和触发开启光源模块（1）的工作波长在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的综合范围内。
5.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：所述光纤光栅（6）为布拉格短周期光纤光栅，其反射中心波长在光放大器增益谱和可饱和吸收体吸收谱的综合范围内。
6.根据权利要求5所述的光控触发激光器，其特征在于：通过温度或应变施加在所述光纤光栅（6）上，进行反射中心波长的调谐。
7.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：所述光纤光栅（6）由窄带滤波器替代。
8.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：所述光放大器（7）主要用于在激光器谐振腔中提供增益，在触发光脉冲导致的交叉增益饱和效应的作用下，实现增益被触发光脉冲调控；光放大器（7）采用掺铒光纤搭建的掺铒光纤放大器（EDFA），或者采用商用的通信波段的半导体光放大器（SOA）；所述泵浦模块（8）主要用于给光放大器（7）提供泵浦，使光放大器（7）能给谐振腔提供增益；泵浦模块（8）和光放大器（7）配套使用，若光放大器（7）为掺饵光纤放大器（EDFA），对应的泵浦模块（8）为980nm半导体二极管（LD）；若光放大器（7）为半导体光放大器（SOA），对应的泵浦模块为电流驱动电路。
9.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：在光放大器的增益谱和可饱和吸收体的吸收谱的综合作用范围内，通过不同工作波长的单个脉冲光能触发开启和关闭同一信道、同一波长的所述光控触发激光器。
10.根据权利要求1所述的光控触发激光器，其特征在于：在所述光放大器的增益谱和可饱和吸收体的吸收谱的综合作用范围内，单个脉冲光能触发开启和关闭多个不同信道、不同波长的所述光控触发激光器。
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