CN104078827A - 一种具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器，可实现对波长间隔、激光谱线波长、激光谱线数目及激光谱线光谱范围的多种可调谐功能。所述激光器包括：梳状滤波器、环行器、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器和非线性光纤环镜。通过调节梳状滤波器的输入光的偏振状态，可获得三种不同波长间隔的梳状光谱输出；若进一步改变输入光的偏振状态，可对激光谱线波长进行调谐；调节非线性光纤环镜的工作状态可实现对激光谱线数目、激光谱线光谱范围的调谐；此外，通过调节泵浦功率的大小，能够精细地控制激光谱线数目。本发明具有成本低廉、调谐方便、重复性好、室温下稳定性好等优点。

Description

一种具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，涉及一种能对波长间隔、激光谱线波长、激光谱线光谱范围以及激光谱线数目进行调谐的多波长掺铒光纤激光器。

背景技术

由于波分复用技术在大量提高光传输效率的同时，又能降低通信技术的成本，所以该项技术被广泛运用在光通信领域中。而随着波分复用技术的进一步发展，为了提高波分复用的能力，传统的多波长光纤激光器已经无法满足人们的需求。因此，寻找一种结构简单、造价低廉、效率较高的可调谐的多波长光纤激光器势必成为人们关注的焦点。同时光纤传感技术的进步与发展，也不断地对可调谐的多波长光纤激光器提出了迫切的需求。

近年来，人们提出的可调谐多波长光纤激光器功能往往可控性差或者功能过于单一。如：2009年，中国专利号CN101546886A公开的一种8字形多波长光纤激光器，其采用由一段双折射光纤构成的李奥滤波器实现多波长梳状滤波。根据公式：Δλ＝λ²/(ΔnL)，若要切换波长间隔就得改变双折射光纤的长度L(其中，Δλ为波长间隔，λ为波长，Δn为光纤的双折射强度)，相当于重新构建了一次激光器谐振腔，使得装置操作不便、可控性差。2009年，中国专利号CN101483308A公开了一种利用高双折射光纤滤波器实现对波长间隔及波长移动的可调谐功能。但是，一方面要想改变波长间隔就必须更换不同长度的双折射光纤，使得装置操作不便、可控性差；另一方面波长的移动仅限于在自由光谱区内移动，使得调节范围受到极大的限制。2009年，中国专利号CN101557071A公开的多波长和锁模可转换的掺铒光纤激光器及其实现方法中采用环形腔结构，非专利文献(田佳峻，多波长掺铒光纤激光器及宽带光源的理论和实验研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，2010年)中采用线形腔结构。两者均采用非线性光纤环镜抑制模式竞争实现多波长输出，也可以实现波长数目的调控。但两者均使用F-P滤波器作为梳状滤波器，且该器件属于非全光纤的器件，集成度较差，成本较高，更重要的是其不具备波长间隔的调谐功能。2011年，中国专利号CN102208736A公开了一种基于压电陶瓷的布拉格光栅的多波长可调谐光纤激光器，实现了对波长数目的可控调节。2013年，中国专利号CN103337773A公开了一种双倍布里渊频移间隔的多波长光纤激光器，解决了波长间隔不利于做波分复用光源的问题。除此之外，基于M-Z干涉仪、非线性光纤环镜、调节泵浦功率等一系列装置改进的可调谐多波长光纤激光器也成为人们乐于研究的焦点。尽管这些激光器具有较稳定的激光输出，但是过于单一的调谐功能，依然满足不了业内的需求。实际应用中更需要的是一种具备多种调谐功能的多波长光纤激光器。2012年，中国专利号CN202260108U公开了一种级联双折射光纤Sagnac环的可调谐功能的多波长光纤激光器，实现了波长范围、波长间隔、波长线宽均可调谐的功能，但是改变波长间隔需要更换双折射光纤的问题依然没有得到解决。同时该发明还存在波长不能均匀分布且数目不可控的问题，故该发明虽提出了多种调谐功能，但其性能可靠性及稳定性无法得到保障。

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

本发明针对现有的多波长光纤激光器高成本、可控性差、功能单一、不便调谐等问题，将梳状滤波器引入的可调谐梳状滤波机制与非线性光纤环镜引入的强度相关损耗机制有效地结合起来，提供了一种对波长间隔、激光谱线数目、激光谱线光谱范围以及激光谱线波长具有良好调谐功能的多波长掺铒光纤激光器。

为了解决现有的技术中问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器，包括：梳状滤波器1、环行器2、泵浦光源3、波分复用器4、掺铒光纤5、第三偏振控制器6和非线性光纤环镜8；所述环行器将梳状滤波器接入波分复用器的公共端，波分复用器4的输入端与泵浦光源3相连接，波分复用器4的输出端依次接入掺铒光纤5、第三偏振控制器6、非线性光纤环镜8；其中，所述梳状滤波器1包括第一偏振控制器9、起偏器10、第一保偏光纤11、第二偏振控制器12、第二保偏光纤13，上述器件逆时针依次连接；环行器2的第一端口连接所述第二保偏光纤13、第三端口连接所述第一偏振控制器9；环行器2的第二端口与波分复用器3的公共端相连，梳状滤波器1内光的偏振状态可由第一偏振控制器9及第二偏振控制器12共同控制；所述光纤激光器实现的功能为：三种不同的波长间隔的切换、激光谱线数目、激光谱线光谱范围及激光谱线波长的调谐。

进一步地，所述非线性光纤环镜8包括定向耦合器7、单模光纤14和波片15，取定向耦合器7同一侧的两端，将其中一端依次接入单模光纤14和波片15，最后接入定向耦合器7该侧的另一端；而在定向耦合器7另一侧的两端中，一端与第三偏振控制器6相连，另一端作为系统输出。

进一步地，所述光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：通过所述调节梳状滤波器1的所述第一偏振控制器9及所述第二偏振控制器12，改变梳状滤波器1输出光的透射谱，从而分别实现三种不同波长间隔的输出，以及多波长激光谱线波长移动的调谐；通过调节所述第三偏振控制器6及所述波片15，改变非线性光纤环镜的工作状态，实现对多波长激光光谱范围、谱线数目的控制；通过对泵浦光源3功率的调节，控制非线性光纤环镜8引入的强度相关损耗的大小，从而实现对多波长激光谱线数目精细的控制。

进一步地，所述第一保偏光纤11的长度与所述第二保偏光纤13的长度比值为2:1。

本发明的有益效果是：本发明的具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器具有三种可变波长间隔、两种多波长激光谱线数目调节方法及光谱范围、激光谱线波长可变的多种调谐功能，并且在室温下具有稳定性好、调谐方便、重复性好等优点。

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是本发明的掺铒光纤激光器在调节梳状滤波器1工作状态时得到的三种不同波长间隔的光谱图；

图3是本发明的掺铒光纤激光器在调节梳状滤波器1时引起的激光谱线波长移动的光谱图；

图4是本发明的掺铒光纤激光器在调节非线性光纤环镜8时得到的光谱范围变化(对比图(a)、图(b))及波长数目变化的光谱图(对比图(a)、图(c))；

图5是本发明的掺铒光纤激光器在调节泵浦功率时引起的波长数目的变化的光谱图。

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，本发明的具有多种调谐功能的掺铒光纤激光器，其结构包括梳状滤波器1、环行器2、1480nm泵浦光源3、1480/1550nm波分复用器4、一段15m的掺铒光纤5、偏振控制器6、3dB耦合器7及非线性光纤环镜8。1480nm泵浦光源3与波分复用器4的输入端相连接，将光源引入到光路中；然后将波分复用器4的输出端接入15米长的掺铒光纤5，从而形成稳定的泵浦增益放大。偏振控制器6将掺铒光纤5与非线性光纤环镜8连接。其中，一部分激光能量由非线性光纤环镜8反射回谐振腔，进行激光增益反馈；另外一部分的激光能量由非线性光纤环镜8的输出端口输出。此外，利用环行器2将梳状滤波器1接入波分复用器4的公共端，目的是产生多波长；利用非线性光纤环镜8引入的强度相关损耗效应，可克服由掺铒光纤的非均匀特性引起的模式竞争。

梳状滤波器1是一种具有二阶保偏效应的李奥梳状滤波器，属于全光纤器件，成本低，系统兼容性好。该滤波器由第一偏振控制器9、起偏器10、第一保偏光纤11、第二偏振控制器12及第二保偏光纤13组成，利用环行器2可将上述器件依次相连。其中，第一保偏光纤11长度为8m，第二保偏光纤13长度为4m，两者保持2：1的比例关系。而且，由于环行器2自身具有单向性(即光线传输方向仅限于(1)→(2)，(2)→(3))，因此它能够保证梳状滤波器1环路的单向运行。同时，起偏器10起到了降低光路噪声以及保证光传输单向性的的作用。通过调节偏振控制器9和12，使得光路的偏振状态得到改变，最终影响光的输出特性。输出光的透射光谱受到入射光偏振态与保偏光纤长度的共同影响，其具体关系表达式为：

$\begin{array}{c}T=[\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\θ}\cos 6{\mathrm{\φ}}_2-\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\α}{\sin }^2\mathrm{\θ}\cos 2{\mathrm{\φ}}_2-\frac{1}{2}\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\cos 2{\mathrm{\φ}}_2]\×\sin 2\mathrm{\β}\\ +[{\cos }^2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\sin }^2\mathrm{\α}{\sin }^2\mathrm{\θ}]{\cos }^2\mathrm{\β}+[{\cos }^2\mathrm{\α}{\sin }^2\mathrm{\θ}+{\sin }^2\mathrm{\α}{\cos }^2\mathrm{\θ}]{\sin }^2\mathrm{\β}\\ +\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\cos 4{\mathrm{\φ}}_2\cos 2\mathrm{\β}\end{array}$

其中，φ₂＝πΔnL₂/λ，L₂是第二保偏光纤13的长度，Δn是保偏光纤中快轴与慢轴的折射率系数差，λ是光谱波长，α表示第一保偏光纤11的快轴与起偏器10的起偏方向的夹角，θ表示输入光偏振方向与第二保偏光纤13的快轴的夹角，β表示第二保偏光纤13的快轴与起偏器10的起偏方向的夹角。由上述输出透射谱表达式所示，表达式中存在三种不同相位差(2φ₂、4φ₂、6φ₂)的分量。于是通过调节偏振控制器9和12，可以获得三种不同的波长间隔。

此外，当波长间隔不变时，通过调节梳状滤波器1中第一偏振控制器9及第二偏振控制器12，会引起输出光谱中的多波长激光谱线波长在自由光谱区内的移动。

非线性光纤环镜8由3dB耦合器7、一段10km的单模光纤14和1/4波长的波片15组成，利用3dB耦合器7的同侧两端进行连接。

利用非线性光纤环镜的强度相关损耗效应(即输出光的透射率随输入功率增高而降低)来调节激光谱线数目及光谱范围。非线性光纤环镜引入的强度相关损耗效应中，包含两种不同类型的损耗：一种为强度相关的非均匀损耗；一种为强度无关的均匀损耗。其中，非均匀损耗特性能克服掺铒光纤中模式竞争，并因此决定了产生多波长激光谱线的具体数目。均匀损耗虽对克服模式竞争没有明显的作用，但它会影响谐振腔的总体损耗，进而决定增益谱的分布情况，并最终影响多波长激光谱线的光谱范围。

通过调节偏振控制器6和1/4波长的波片15的偏振状态共同影响非线性光纤环镜8的强度相关损耗效应。因为偏振控制器6控制着非线性光纤环镜8输入光的偏振态，而1/4波长的波片15决定着镜内自身的双折射强度。利用上述器件分别调整镜内、外光的偏振状态能够更好地控制非线性光纤环镜8的工作状态，利于整个系统的调谐。

再者，因为均匀损耗与功率无关，非均匀损耗与功率有关，所以通过调节泵浦功率的大小，可逐个增减波长的数目而不引起多波长激光光谱范围和波长间隔的改变。而且，在强度相关损耗效应的影响下，掺铒光纤的增益谱分布的形状的变化受泵浦功率的变化的影响较小，使得光谱的中心波长不会产生移动。同时，该步骤具有很好的重复性和简单的操作性，可准确控制波长数目的增减。

为了尽量减少由于连接光路产生的损耗，上述的各器件均采用光纤熔接机进行直接熔接。

依据上述实验原理，本发明的具体操作如下：

首先调整非线性光纤环镜8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。通过调节第一偏振控制器9和第二偏振控制器12，使得梳状滤波器1中输入光的偏振状态发生改变，从而实现了三种波长间隔的切换。参照附图2(图(b)为图(a)的局部放大)，当光谱处于第一种偏振状态时，波长间隔为0.52nm，如附图2中黑色实线所示；当光谱处于第二种偏振状态时，波长间隔增加到0.95nm，如附图2中虚线所示；当光谱处于第三种偏振状态时，波长间隔达到1.60nm，如附图2中点线所示。因此，本发明分别实现了0.52nm、0.95nm、1.60nm这三种波长间隔的转换。随上述操作过程，本发明还实现了在一个波长间隔内对激光谱线波长的调谐，参照附图3(图(b)为图(a)的局部放大)。通过进一步改变梳状滤波器1中偏振控制器9和偏振控制器12的转动角度，使得图3(b)虚线光谱相对于实线光谱产生了0.15nm的红移，该红移恰好发生在一个波长间隔0.95nm的范围内。参照附图4，在强度相关损耗条件下，非线性光纤环镜8对激光谱线光谱范围和谱线数目产生了调谐作用。由于波长间隔仅与梳状滤波器1相关，故在保持波长间隔为0.95nm的工作状态下(此时不再改变偏振控制器9和偏振控制器12的偏振状态)，通过调节偏振控制器6以及1/4波长波片15的转动角度，使非线性光纤环镜8的工作状态发生改变。在该调节过程中：一方面，激光谱线的光谱范围会随着非线性光纤环镜8工作状态的变化而改变，光谱范围由1563nm～1568nm(如附图4(a))移动到1560.5nm～1565.5nm(如附图4(b))，实现了三个波长间隔的偏移量。另一方面，激光谱线波长数目会因为环形镜工作状态的变化而产生增减，波长数目从7条(如附图4(a))增加到9条(如附图4(c))，产生了两条波长数目的变化量。

保持上述非线性光纤环镜和梳状滤波器工作状态不变，参照附图5，通过调节泵浦功率从89mW到269mW，使波长数目随泵浦功率的增加从7条(a)变化到11条(e)。在此调节过程中，波长间隔始终保持在0.52nm。当泵浦功率为89mW时，光谱波长数目为7条；随着泵浦功率增大到112mW，光谱最右端激发出第8条光谱线，标号为“1”(b)；而随着功率进一步增大到148mW时，在光谱最左端激发出第9条光谱线，标号为“2”(c)；按此法，光谱图中又增加第10条光谱线，标号为“3”(d)；直到功率达到269mW时，光谱线增加到11条。而当把泵浦功率由269mW减小到89mW时，依然能在上述功率值时得到相应的光谱线数目。经过多次实验操作，证实该调谐方法的重复性和稳定性均良好。因此，利用该方法可实现对多波长激光谱线数目更为精细的控制。

本发明可获得稳定的多波长输出，并具有对波长间隔、激光谱线数目、激光谱线波长的多方位调谐功能。同时该项发明巧妙地将具有二阶保偏效应的李奥梳状滤波器引入的可调谐梳状滤波机制与非线性光纤环镜引入的强度相关损耗机制有效结合，使整个过程仅仅依靠偏振控制器与具有相位延迟的波片来进行调谐。其简单的结构及便利的调节方式，很好地克服了以往的多波长激光器可控性差、功能单一、高成本、不便调谐等问题。

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 (4)

1.一种具有多种调谐功能的多波长掺铒光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括：梳状滤波器1、环行器2、泵浦光源3、波分复用器4、掺铒光纤5、第三偏振控制器6和非线性光纤环镜8；所述环行器2将梳状滤波器1接入波分复用器4的公共端，波分复用器4的输入端与泵浦光源3相连接，波分复用器4的输出端依次接入掺铒光纤5、第三偏振控制器6、非线性光纤环镜8；其中，所述梳状滤波器1包括第一偏振控制器9、起偏器10、第一保偏光纤11、第二偏振控制器12、第二保偏光纤13，上述器件逆时针依次连接；环行器2的第一端口连接所述第二保偏光纤13、第三端口连接所述第一偏振控制器9；环行器2的第二端口与波分复用器3的公共端相连，梳状滤波器1内光的偏振状态可由第一偏振控制器9及第二偏振控制器12共同控制；所述光纤激光器实现的功能为：三种不同的波长间隔的切换、激光谱线数目、激光谱线光谱范围及激光谱线波长的调谐。

2.根据权利要求1所述的多波长掺铒激光器，其特征在于：所述非线性光纤环镜8包括定向耦合器7、单模光纤14和波片15，取定向耦合器7同一侧的两端，将其中一端依次接入单模光纤14和波片15，最后接入定向耦合器7该侧的另一端；而在定向耦合器7另一侧的两端中，一端与第三偏振控制器6相连，另一端作为系统输出。

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：所述光纤激光器的实现所述功能的具体方法为：通过所述调节梳状滤器1的所述第一偏振控制器9及所述第二偏振控制器12，改变梳状滤波器1输出光的透射谱，从而分别实现三种不同波长间隔的输出，以及多波长激光谱线波长移动的调谐；通过调节所述第三偏振控制器6及所述波片15，改变非线性光纤环镜8的工作状态，实现对多波长激光光谱范围、谱线数目的控制；通过对泵浦光源3功率的调节，控制非线性光纤环镜8引入的强度相关损耗的大小，从而实现对多波长激光谱线数目精细的控制。

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：所述第一保偏光纤11的长度与所述第二保偏光纤13的长度比值为2:1。