CN104064941A

CN104064941A - 一种可调谐多波长掺铒光纤激光器

Info

Publication number: CN104064941A
Application number: CN201410320494.1A
Authority: CN
Inventors: 田佳峻; 李苑; 全明冉; 姚勇; 肖君军
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明提供了一种可调谐多波长掺铒光纤激光器及其方法，其包括：可调谐泵浦光源、掺铒光纤、偏振控制器、光隔离器、可调谐梳状滤波器、非线性光纤环镜和输出耦合器。通过调节M-Z干涉滤波器的入射光偏振态，实现不同波长间隔的切换和波峰位置在单个波长间隔内的调谐；通过调节非线性光纤环镜的工作状态，实现波长数目和光谱范围的调节；通过调节泵浦功率，实现准确的波长数目的控制。本发明采用全光学器件构成，有很好兼容性、调谐方便、成本低，能实现室温下稳定的多波长输出，可满足波分复用系统/光时分复用通信技术对多波长激光光源的需求。

Description

一种可调谐多波长掺铒光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种多波长掺铒光纤激光器。

背景技术

多波长光纤激光器具有与光纤及光纤器件兼容、线宽窄、输出功率高、低强度噪音、稳定性优良、可同时为多个信道提供所需要的光源等优点，在光纤通信、光纤传感和高分辨率光学调试等领域有着重要的应用。尤其近年来随着光纤通信中密集波分复用(DWDM)技术的迅速发展，在要求得到多波长输出的同时还要求实现波长间隔和光谱位置等的调节功能。显然激光器仅实现多波长输出已经满足不了光通信、光传感等技术的需求。所以可调谐多波长掺铒光纤激光器作为重要的光源，其功能的完备性，更成为了研究的热点。

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波长选频器件。目前广泛应用的有F-P(法布里-泊罗)滤波器，取样光栅，Lyot双折射光纤滤波器以及各种干涉型滤波器等。比如Sagnac干涉仪型梳状滤波器(参见2009年10月7日公开的中国专利CN101551490A)，虽然实现了与波长无关的梳状滤波，但其并不具备在特定的波长下的光谱间隔可调谐的功能。并且其在结构上需要特制的光子晶体双折射光纤，这大大的增加的系统的成本和制作难度。此外在多波长激光器中常用的滤波器还有传统的M-Z干涉仪(参见2012年07月25日公开的中国专利CN102610987A)；双通道M-Z干涉仪(参见非专利文献Ai-Ping Luo,et al.Tunable andswitchable multiwavelength erbium-doped fiber ring laser based ona modified dual-pass Mach–Zehnder interferometer.Optics Letters,Vol.34,Issue14,pp.2135-2137(2009))；Lyot双折射光纤滤波器(参见2009年9月30日公开的中国专利CN101546886A)；F-P(法布里-泊罗)滤波器(参见2009年10月14日公开的中国专利CN101557071A)等。

上述的技术，虽然能够实现室温条件下多波长输出且具有一定的调谐功能，但这些方法的局限在于或者波长间隔难以改变；或者波长数目、光谱位置不能准确控制，并不能满足多种调谐功能的多波长激光器的需求。又如(参见非专利文献《多波长掺铒光纤激光器及宽带光源的理论和实验研究》，田佳峻，2010年，博士学位论文，哈尔滨工业大学以及2009年公开的中国专利CN101557071A)采用了F-P滤波器作为梳状滤波器，虽然可以实现了多波长激光光谱范围和波长数目的调节，但其不具备波长间隔的调谐功能，且所用F-P滤波器并不是由全光纤器件，成本高，兼容性比较差。

为此如要获得一种可调谐的的多波长掺铒光纤激光器。不仅需要一种可调谐的滤波器，而且还需要采取合理的方法来抑制掺铒光纤的均匀展宽特性所引起的模式竞争。如(非专利文献Daru Chen，et al.Channel-spacing-tunable multi-wavelength fiber ring laser withhybrid Raman and Erbium-doped fiber gains.Optics Express,Vol.15,Issue3,pp.930-935(2007))，虽然能够改变波长间隔，但需要在M-Z干涉仪的一臂引入光学相位延迟线，而且还需要控制设备，这使得结构十分复杂且成本很高。又有(非专利文献Ai-Ping Luo,et al.Tunable andswitchable multiwavelength erbium-doped fiber ring laser based ona modified dual-pass Mach–Zehnder interferometer.Optics Letters,Vol.34,Issue14,pp.2135-2137(2009))虽然实现了一定的可调谐特性，但其采用缠绕单模光纤的压电陶瓷作为相位调制器来抑制掺铒光纤的均匀展宽特性所导致的模式竞争，这种方法很容易受到外界电磁干扰，降低了系统的稳定性。

由此可知目前获得可调谐多波长激光器的相关技术已经很多，但是在如何获取“性能稳定”、“功能全面”的可调谐的多波长光纤激光器的问题上，还没有获得理想的解决方案。如果能将具有不同调谐功能的机制有效地结合起来，实现对多波长光纤激光器多方位调谐的功能，这对光通信技术的发展将能起到关键性的作用。

发明内容

本发明针对高速、大容量的光时分复用/波分复用通信技术对多波长激光光源的需求，并考虑现有技术的不足，提出了一种全光纤的多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器。

为了解决现有技术中问题，本发明采用以下技术方案：

一种可调谐多波长掺铒光纤激光器，包括：波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器1、非线性光纤环镜、光隔离器、偏振控制器2、梳状滤波器以及输出耦合器；上述器件顺时针依次连接构成了激光环形腔，且泵浦光源与波分复用器的输入端相接为所述多波长掺铒光纤激光器提供持续的能量，所述光隔离器通光方向为顺时针方向；所述梳状滤波器为双通道可调谐M-Z干涉滤波器，其包括:50:50的定向耦合器、非50:50的定向耦合器以及偏振控制器3，所述50:50的定向耦合器的两个输出端与所述非50:50的定向耦合器的两个输入端相连，构成了滤波器的两个干涉臂，并在其中一臂内接入所述偏振控制器3，所述非50:50的定向耦合器的输出端相互熔接；所述多波长掺铒光纤激光器实现的功能为：波长数目，波长间隔，波峰位置，以及光谱范围的调谐。

进一步地，所述输出耦合器为90:10的定向耦合器，其10％输出端为所述多波长掺铒光纤激光器的输出端，所述输出端与频谱分析仪相连。

进一步地，所述非线性光纤环镜的连接方式为：一定长度的单模光纤与50:50的2X2定向耦合器的同侧两输出端相连，并在所述单模光纤与所述定向耦合器的一输出端中插入一可调光纤双折射器件。

进一步地，所述可调光纤双折射器件为四分之一波长波片。

进一步地，所述多波长掺铒光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：输出波长数目在固定光谱区域内可调特性是通过调整不同泵浦功率能够精细地控制谐振腔内非线性光纤环镜引入的强度相关损耗的大小，从而实现在固定光谱区域内波长数目的控制。

输出波长间隔、波峰位置可调特性是通过调节偏振控制器2和偏振控制器3控制进入M-Z干涉滤波器的入射光和传输光的偏振态，能够使滤波器的工作状态在单通道和双通道之间进行切换，从而实现波长间隔的调整；通过进一步调节偏振控制器2改变入射光的偏振态，实现峰值位置在单个波长间隔内的调节。

输出光谱范围可调特性是通过调节偏振控制器1和波片改变非线性光线环镜引入的强度相关损耗效应的不同工作状态，实现光谱范围的控制。

本发明的有益效果是：本发明的可调谐多波长掺铒光纤激光器实现了波长输出数目、波峰位置，波长间隔、和光谱范围的控制的多波长光纤激光器。并且所述激光器由全光器件搭建而成，工艺简单、成本低廉、性能稳定、兼容性好。

附图说明

图1是本发明的掺铒光纤激光器的结构示意图；

图2(a)、(c)是本发明的激光器在调节M-Z干涉滤波器时得到的波长间隔可转换的两种状态下的多波长输出的光谱图；

图2(b)、(d)是本发明的激光器在调节M-Z干涉滤波器时实现波长尖峰在单波长间隔内移动的光谱图；

图3(a)～(c)是本发明的激光器在调节非线性光纤环镜时得到的波长数目变化的光谱图；

图3(d)～(f)是本发明的激光器在调节非线性光纤环镜时得到的光谱位置改变的光谱图；

图4(a)～(f)是本发明的激光器在调节泵浦功率时实现的，在光谱位置和波长间隔保持不变的条件下，波长数目精确调整的光谱图；

图5(a)、(b)是本发明的激光器在一小时内波长位置的漂移情况的光谱图；

图6(a)、(b)是本发明的激光器在两小时内峰值功率的波动情况的光谱图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图1所示，本发明的一种基于改进后的双通道M-Z干涉仪和非线性光纤环镜的多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器，包括1480nm泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器1(PC1)、非线性光纤环镜、光隔离器、偏振控制器2(PC2)、梳状滤波器，输出耦合器。所述1480nm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。所述波分复用器与所述的掺铒光纤(15m)、偏振控制器1(PC1)、非线性光纤环镜、光隔离器、偏振控制器2(PC2)、梳状滤波器，输出耦合器依次相连构成一个光纤环路。所述的偏振相关光隔离器通光方向为顺时针方向；所述梳状滤波器由一个3dB的光耦合器的两个输出臂和一个非3dB的光耦合器的两个输入臂相连，并在其中一臂加入偏振控制器3(PC3)，且非3dB耦合器的两输出臂相连，构成了所述改进后的双通道M-Z干涉仪；所述的非线性光纤环镜包括：一定长度的单模光纤(SMF)与50:50的定向耦合器的同侧两输出端相连，并在SMF与耦合器中插入可调光纤双折射器件。其中，所述可调光纤双折射器件是具有光学相位延迟的波片。所述输出耦合器为90:10的输出耦合器，其10％输出端为激光器的输出端口，输出端口与频谱分析仪相连。上述非3dB耦合器的选用的耦合率为30：70。上述非线性光纤环镜中的选用的单模光纤的长度为10KM。

本发明的工作原理如下：

为了获得较窄的线宽和较高输出功率，激光器采用环形腔结构。波分复用器将1480nm的泵浦光耦合进掺铒光纤中，掺铒光纤中的铒离子吸收能量跃迁到较高的能级。当腔内增益大于损耗的时候，在受激辐射放大的作用下产生激光。偏振控制器PC1能够调节进入非线性光纤环镜的光场的偏振态；非线性光纤环镜用来抑制掺铒光纤均匀展宽特性导致的模式竞争；偏振相关隔离器保证了激光的单向传播，同时还起到起偏和检偏的作用；偏振控制器PC2调节进入梳状滤波器的激光的偏振态；偏振控制器PC3用来调节梳状滤波器内部的光场的偏振态，通过改进后的双通道M-Z干涉仪滤波的梳状光谱经过输出耦合器10％的输出端作为激光的输出，并与频谱分析仪相连接；输出光耦合器90％的输出端接入波分复用器构成环形腔。

本发明的改进后的双通道M-Z干涉仪，其工作原理如下：

梳状滤波器输出端口的透射率为：

这里的δ＝2k(n_x-n_y)L，是由于光纤的双折射效应所产生的相位差(n_x，n_y是光纤中两个正交轴的折射率，L是梳状滤波器较短干涉臂的长度)，c₂是第二个光耦合器的耦合率，α是输入光的偏振角，θ是通过PC3的传输光的旋转角，是两个干涉臂的长度不同所引起的相位差。由公式(1)可以看出本梳状滤波器的透射率由α,θ，三个变量决定。如果第二光耦合器为3dB，即c₂＝0.5时，本梳状滤波器是一个不可调谐的双通道M-Z干涉仪，但当c₂≠0.5时，本梳状滤波器显现了它的多波长间隔可调谐性。

当θ调整调整到一个合适的值，通过调整PC3(改变α的大小)本装置实现了M-Z干涉仪在双通道和单通道之间的切换。比如，如果α固定在0.1π，当θ＝0.3π时，透射谱显示了双通道M-Z干涉仪的特性；当θ＝0.8π时，透射谱显示了单通道M-Z干涉仪的特性，从而实现了波长间隔的调整。除此之外，通过调节α，θ可以使峰值位置在单个自由光谱范围内的移动，从而实现了波峰位置的调整。

首先调整非线性光纤环镜使其工作在强度相关损耗状态，从而得到稳定的多波长激光输出。调整PC2在合适的位置，使得进入干涉仪的偏振光的偏振角α不变，然后通过调节新型M-Z干涉仪上臂上的PC3,改变了该臂上传输光的旋转角θ，从而实现了M-Z干涉仪在单通道和双通道两个工作状态之间的切换，参照图2，在相同的光谱范围内，图2(a)有13条多波长输出，且波长间隔为0.5nm；图2(c)有27条多波长输出，且波长间隔为0.25nm。所以本发明实现了多波长间隔在0.5nm和0.25nm之间的切换。图2(b)(d)分别为图2(a)(c)对应条件下的光谱放大图，其中红色的光谱是调节PC3后的输出多波长光谱。可见在波长间隔为0.5nm和0.25nm的条件下分别微调PC3，本发明实现了波峰位置在一个波长间隔范围内的调整。

在波长间隔为0.5nm的情况下，调节四分之一波片(QWP)和PC1使非线性光线环镜工作在以非均匀强度相关损耗为主导的状态下，可实现对波长数目的控制，如图3(a)～(c)所示。比如，在图3(a)中共有12条多波长输出，且波长间隔为0.5nm。继续调节QWP和PC1，图3(b)、(c)分别依次增加了第13,14条激光输出。因此，本发明又实现了波长数目的调整，且波长间隔保持不变。

进一步调整QWP和PC1增强NOLM的均匀的强度相关损耗强度，本发明又实现了光谱范围的调节,如图3(d)～(f)，光谱范围由图3(d)的1565.5-1570.5nm变化到图3(e)的1566-1571nm，最后又到图3(f)的1566.5-1572nm，可见在波长间隔不变的条件下，光谱依次向长波方向移动了一个波长间隔。

参照图4，在上述条件都不改变的的稳定情况下，通过调节泵浦功率，本发明实现了波长数目从5条到10条的精确调整。具体过程为：在光谱范围为1566-1574nm，波长间隔为0.5nm的前提下，当泵浦功率为18.6mw时，得到5条多波长输出如图4(a)；当泵浦功率增大到32.8mw时，在图4(a)第五条激光谱线的短波方向增长出了第六条激光波长如图4(b)；继续增大泵浦功率到51.5mw、65.9mw，在图4(b)的第六条激光谱线的短波方向增长出了第七、八条激光谱线如图4(c)和4(d)，当功率增大到87.2mw，在图(d)的长波方向增长出了第九条激光谱线。按照上述的增长规律，当泵浦功率一直增达到113.3mw时，多波长数量可达到10条如图4(f)所示。相反，当泵浦的功率从113.3mw的高功率向低功率调节时，多波长输出能够从相应的10条减少到5条。如果所用的泵浦功率足够大，则本发明能够得到更多的多波长输出，如果所用的泵浦在低功率时输出更加精准，本发明能够得到比5条更少的激光输出。在验证多波长输出的稳定度方面。每隔12分钟记录一次输出光谱。一个小时内所测得的光谱如图5(a)所示，每段时间测得的光谱几乎完全一致而且光谱的平坦性也很好；为了验证激光波长的漂移量，我们随机取了1567.8nm处的光谱，如图5(b)所示，中心波长的偏移量小于0.06nm。参见图6(a)，在3dB的带宽内我们获得了14条稳定的多波长激光振荡，同时为了测量本系统的功率的长周期波动情况，我们随机选取1568.3处的激光并对其功率值进行采样，采样周期为一分钟，时间为两个小时。所得结果如图6(b)所示，本发明的长周期的功率波动值小于0.35dB。由上可见本系统在常温下十分稳定。

综上所述，本发明结合了改进后的双通道M-Z干涉滤波器与非线性光纤环镜，实现了一种光谱范围，波长间隔，波峰位置，波长数目均可调谐的多波长掺铒光纤激光器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可调谐多波长掺铒光纤激光器，其特征在于，所述多波长掺铒光纤激光器包括：波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器1、非线性光纤环镜、光隔离器、偏振控制器2、梳状滤波器以及输出耦合器；上述器件顺时针依次连接构成了激光环形腔，且泵浦光源与波分复用器的输入端相接为所述多波长掺铒光纤激光器提供持续的能量，所述光隔离器通光方向为顺时针方向；所述梳状滤波器为双通道可调谐M-Z干涉滤波器，其包括:50:50的定向耦合器、非50:50的定向耦合器以及偏振控制器3，所述50:50的定向耦合器的两个输出端与所述非50:50的定向耦合器的两个输入端相连，构成了滤波器的两个干涉臂，并在其中一臂内接入所述偏振控制器3，所述非50:50的定向耦合器的输出端相互熔接；所述多波长掺铒光纤激光器实现的功能为：波长数目，波长间隔，波峰位置，以及光谱范围的调谐。

2.根据权利要求1所述的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于，所述非线性光纤环镜的连接方式为：一定长度的单模光纤与50:50的2X2定向耦合器的同侧两输出端相连，并在所述单模光纤与所述定向耦合器的一输出端中插入一可调光纤双折射器件。

3.根据权利要求1所述的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于，所述非线性光纤环镜的连接方式为：一定长度的单模光纤与50:50的2X2定向耦合器的同侧两输出端相连，并在所述单模光纤与所述定向耦合器的一输出端中插入一可调光纤双折射器件。

4.根据权利要求1所述的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于：所述多波长掺铒光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：输出波长数目在固定光谱区域内可调特性是通过调整不同泵浦功率能够精细地控制谐振腔内非线性光纤环镜引入的强度相关损耗的大小，从而实现在固定光谱区域内波长数目的控制。

5.根据权利要求1所述的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于：所述多波长掺铒光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：输出波长间隔、波峰位置可调特性是通过调节偏振控制器2和偏振控制器3控制进入M-Z干涉滤波器的入射光和传输光的偏振态，能够使滤波器的工作状态在单通道和双通道之间进行切换，从而实现波长间隔的调整；通过进一步调节偏振控制器2改变入射光的偏振态，实现峰值位置在单个波长间隔内的调节。

6.根据权利要求4所述的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于：所述多波长掺铒光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：输出光谱范围可调特性是通过调节偏振控制器1和波片改变非线性光线环镜引入的强度相关损耗效应的不同工作状态，实现光谱范围的控制。