CN105140764B

CN105140764B - 一种可调谐宽带ase光源

Info

Publication number: CN105140764B
Application number: CN201510560689.8A
Authority: CN
Inventors: 杨昌盛; 徐善辉; 杨中民; 冯洲明; 张勤远; 姜中宏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: CN105140764A

Abstract

本发明提供了一种可调谐宽带ASE光源，包括泵浦激光器、宽带反射器、第一个波分复用器、掺镱光纤、第二个波分复用器、光纤端帽、带宽平坦装置、光隔离器和温度控制器；第一个波分复用器的信号端与宽带反射器的输入端相连，第一个波分复用器的公共端与掺镱光纤的一端相连，掺镱光纤的另一端与第二个波分复用器的公共端相连，第二个波分复用器的信号端与带宽平坦装置的输入端相连，带宽平坦装置的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器输出端作为ASE光源输出端口。本发明能实现输出功率稳定、光谱平坦、带宽可调谐的宽带ASE光输出。可以获得3dB光谱宽度大于45nm、输出功率大于100mW、光谱平坦度良好的可调谐宽带ASE光输出。

Description

一种可调谐宽带ASE光源

技术领域

本发明涉及ASE光纤光源技术领域，具体涉及一种可调谐宽带ASE（AmplifiedSpontaneous Emission）光源。

背景技术

ASE光纤光源主要包括一段稀土离子掺杂光纤（有源光纤），一般在其纤芯掺有稀土三价离子，比如：铒离子（Er³⁺）、镱离子（Yb³⁺）、钕离子（Nd³⁺）等。在泵浦激光器的抽运下，利用稀土离子掺杂光纤放大自发辐射的工作原理而制成。对于光纤传感系统、光器件分析测量等一些应用场合，要求ASE光源不仅带宽宽（工作波段范围大），而且工作带宽可进行适度的调谐。虽然，目前使用的超宽带发光二极管（LED）和超辐射发光二极管（SLD）的工作带宽可以达到100nm左右，但两者的输出功率都较低，严重限制了它们的进一步应用。然而ASE光源通过一段稀土掺杂光纤可以提供较高的放大增益，可以得到较高功率的宽带辐射，并且易于与光纤系统兼容与耦合来实现全光纤化结构，具有实用性强、使用寿命长、光谱稳定性好等诸多优点。

在这些传统ASE光源中，一旦光路中的掺杂光纤类型、光纤使用长度、泵浦结构方式等因素确定，其输出ASE光谱也基本固定。因此，需要解决ASE光源工作带宽的可调谐、工作带宽的扩展（即超带宽）、光谱谱形的平坦化等问题。对于问题之一：改善ASE光源的光谱平坦度，一般1550nm波段ASE光源是在光路输出端接入增益平坦滤波器GFF，直接滤掉光谱中不对称或突出的波峰，用于改善光谱谱形的不平坦度[Opt. Eng. 50(12), 125004-1–5(2011)]。然而用于平坦1064nm波段ASE光谱的GFF，其商用化程度不高，导致刻写成本太大和工艺操作较难。对于问题之二：增加ASE光源的工作带宽，一般1550nm波段ASE光源是利用铒离子的二次吸收泵浦，将光路中初始产生的C波段（1525nm~1565nm）ASE光转移到L波段（1565nm~1605nm）上，然后将两个波段组合在一起形成C+L波段的ASE超宽带光源[Electron. Lett.36(15), 1263–1265 (2000)、专利公开号：CN 1466279 A]。然而，对于问题之三：实现ASE光源工作带宽的可调谐，研究报道很少。大多数的研究者仅仅是在业已产生的ASE光谱内插入双腔或多腔可调标准具[专利公开号：CN202712678 U]或者光学滤波器，直接对其输出光谱进行调谐或滤波，即实现的是一种选择性的可调谐窄带ASE光源，并非宽谱结果。显而易见，上述这些研究结果或者专利并未真正具有工作带宽可调谐的特征。

此外，ASE光源要实现工作带宽可调谐和光谱平坦的输出性能，合理地结构设计和光谱平坦化处理十分重要。一般稀土掺杂光纤的增益较高，采用单级结构和单纯地增加泵浦光功率来追求高功率ASE光输出，容易导致自激振荡，产生不了ASE光。再者，光路中不良连接接点、光纤端面也会产生光反射或光反馈，也容易形成自激振荡。因此，对光纤端面的光反射进行有效抑制，也是获得良好性能ASE光源的关键点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出功率稳定的、工作带宽可调谐的宽带ASE光源。基于放大自发辐射的工作原理，采用成熟商用光纤放大器较常用的单模纤芯泵浦结构，分别利用掺镱光纤的增益特性、带宽调谐装置的调谐特性、带宽平坦装置的平坦特性，在泵浦激光器提供泵浦（抽运）能量的条件下，Yb³⁺离子吸收泵浦光形成粒子数反转过程，继而产生放大自发辐射（ASE）光输出。调节掺镱光纤的工作温度（光纤中掺杂Yb³⁺离子的发射谱和吸收谱随温度而变化）可实现工作带宽的可调谐，再进一步通过带宽平坦装置对光谱的平坦作用，最终实现输出功率稳定、光谱平坦度好、带宽可调谐的宽带ASE光输出。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种可调谐宽带ASE光源，包括泵浦激光器、宽带反射器、第一个波分复用器、掺镱光纤、第二个波分复用器、光纤端帽、带宽平坦装置、光隔离器和温度控制器；第一个波分复用器的信号端与宽带反射器的输入端相连，第一个波分复用器的公共端与掺镱光纤的一端相连，掺镱光纤的另一端与第二个波分复用器的公共端相连，第二个波分复用器的信号端与带宽平坦装置的输入端相连，带宽平坦装置的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器输出端作为ASE光源输出端口，即前向ASE光输出；掺镱光纤设有温度控制器；带宽平坦装置由多段未泵浦掺镱光纤组成，每段未泵浦掺镱光纤均各自设有温度控制器；泵浦结构采用如下方式的一种：（a)泵浦激光器的输出尾纤与第一个波分复用器的泵浦端相连，与宽带反射器一起组成双程前向泵浦结构，第二个波分复用器的泵浦端与光纤端帽的输入端相连；（b）泵浦激光器的尾纤连接第二个波分复用器的泵浦端，与宽带反射器一起组成双程后向泵浦结构，第一个波分复用器的泵浦端与光纤端帽的输入端相连；（c）由上述两种方式（a）和（b）同时进行的双程双向泵浦结构。

为进一步实现本发明目的，上述掺镱光纤即YSF为单包层光纤，其芯层和包层玻璃组分为硅酸盐玻璃，其纤芯均匀掺杂镱离子（Yb³⁺），组成为92Si₂O₅-Al₂O₃-4GeO₂-3Yb₂O₃，其中Yb³⁺掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

上述YSF的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4～15μm，包层形状为圆形，包层直径为80～300μm，纤芯的数值孔径为0.06～0.20。

上述YSF作为ASE光源的工作物质，具有增益特性。其使用长度的选取与Yb³⁺掺杂浓度有关（掺杂浓度不同，所需的光纤长度就不同），但光纤的使用长度必须保证产生适宜性能的ASE光谱输出，一般YSF的使用长度为0.2～15米。

上述YSF绕成光纤圈，固定封装于一铝制光路盒中，置于带宽调谐装置（主要由一温度控制器构成，可以是热电制冷器TEC、电热丝或液氮等）上面，精密调节温度控制器的工作参数，对YSF的工作温度进行有效控制，其温度控制精度±0.1℃，从而改变Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱（900~1200nm波段）。

上述宽带反射器为一端口类型1×2的光耦合器，将其两个输出端连接在一起构成光纤反射环，所述光耦合器的分光比在30:70到50:50的范围之间；或者为第一个波分复用器信号端的光纤端面镀上宽带薄膜（可选）构成镀膜反射镜，所述宽带薄膜对1064nm波段信号光波长高反，其中心波长处的反射率大于80%。

上述宽带反射器对后向的ASE光起到反射，形成反馈作用，可以提高系统的转换效率和改善光谱的平坦度。

上述泵浦激光器为半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，其泵浦波长范围为800～1100nm，输出功率大于50mW，输出尾纤为单模光纤或多模光纤。

上述可调谐宽带ASE光源，其泵浦方式：泵浦激光器的尾纤连接第一个波分复用器的泵浦端，与宽带反射器一起组成双程前向泵浦结构；或者泵浦激光器的尾纤连接第二个波分复用器的泵浦端，与宽带反射器一起组成双程后向泵浦结构；或者由上述两种方式同时进行的双程双向泵浦结构。

上述带宽平坦装置为多个工作单元构成。将一段未泵浦的YSF（即不需要供给泵浦能量）绕成光纤圈，置于一温度控制器上面，即构成一个工作单元。n个工作单元（n≥2）串联构成多个工作单元（工作单元组）。每个工作单元中使用的YSF为同一类型光纤（相同掺杂浓度）或者不同类型光纤，或者使用的YSF为相同长度光纤或者不同长度光纤，其中每一段未泵浦YSF的使用长度为0.1～10米。

上述光纤端帽为一段无源光纤（与第二个波分复用器的泵浦端使用光纤类型相同）的一端端面研磨成8°斜角，镀上宽带增透膜，所述增透膜对1064nm波段ASE光的透射率大于95%。可以用于抑制光纤端面光反射，避免自激现象。

上述第二个波分复用器的泵浦端还能用作滤除残留泵浦光，提高系统的稳定性与可靠性。其与光纤端帽相连，光纤端帽亦用作滤除端口。

上述掺镱光纤、带宽调谐装置、泵浦激光器、第一个波分复用器（WDM）、带宽平坦装置、第二个波分复用器（WDM）、光隔离器等之间的连接方式：研磨抛光其相应光纤端面进行机械对接，或者通过光纤熔接机进行熔融连接。

本发明将掺镱光纤（YSF）作为ASE光的工作介质，用输出波长为800~1100nm范围的泵浦激光器作为泵浦源，提供抽运能量。在泵浦源的连续抽运下，YSF纤芯中的稀土发光离子Yb³⁺吸收泵浦光，并在其作用下从基态能级跃迁到高能级，随着泵浦功率增强，自发辐射粒子数逐渐增加并实现粒子数反转布居，随之单个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射，即产生900~1200nm范围（1064nm波段）的放大自发辐射（ASE）光输出。尤其是在ASE光产生过程中引入一个带宽调谐装置，通过调节和控制YSF的工作温度，而温度的变化引起光纤中掺杂Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱的改变，可以对输出ASE光谱带宽进行调谐；然后进一步连接一个带宽平坦装置，通过优化装置的工作参数（未泵浦YSF的类型、长度、工作单元个数等），即利用未泵浦YSF在850~1100nm波段内的再吸收作用，对不同波长吸收系数不一样，可以平坦ASE光谱谱形，最终可实现功率稳定的、带宽可调谐的宽带ASE光输出。

本发明提出了一种工作带宽可调谐、光谱平坦度良好的宽带ASE光源，与现有技术相比较，具有以下几个主要的优点：

本发明采用将YSF绕成光纤圈，固定封装于一铝制光路盒中，置于一精密温度控制器上面，可以任意调节与控制YSF工作温度在–100℃~150℃范围内变化，从而改变Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱。通过简单的温度调控方式，即实现ASE光源工作带宽的可调谐，操作简便，调节灵活。

本发明采用一小段长度未泵浦的YSF（即不需要供给泵浦能量）绕成光纤圈，置于一温度控制器上面，即构成带宽平坦装置的一个工作单元。仅仅利用YSF的再吸收作用，即可处理与平坦ASE光谱谱形，结构简单。避免接入高成本的1064nm波段增益平坦滤波器GFF。

本发明采用反射抑制和泵浦光滤除措施，即在第二个波分复用器的泵浦端相连光纤端帽，一方面用于抑制光纤端面光反射，避免自激；另一方面可以用作滤除残留泵浦光端口，提高系统的稳定性与可靠性。

⑷ 本发明采用宽带反射器对ASE光起到一定反馈，基于全光纤化的双程前向泵浦结构，比一般技术中单程泵浦结构要具有明显优势，不仅转换效率要高，而且输出ASE光谱的平坦度要好。

本发明实现具有达到100mW以上的输出功率，接近45nm（3dB光谱宽度）平坦带宽的ASE光源，其输出波长可以覆盖1000~1100nm波段，输出光谱与输出光功率效果稳定、可靠。

附图说明

图1是本发明所述不同宽带反射器结构示意图，其为光纤反射环类型。

图2是本发明所述不同宽带反射器结构示意图，其为镀膜反射镜类型。

图3是本发明所述光纤端帽结构示意图。

图4是本发明所述带宽平坦装置结构示意图。

图5是本发明所述光路装置结构示意图。

图6是本发明实施例中所输出的ASE光谱图。

图中：1—泵浦激光器，2—宽带反射器，3—第一个波分复用器（WDM），4—掺镱光纤（YSF），5—第二个波分复用器（WDM），6—光纤端帽，7—带宽平坦装置，8—光隔离器，9—未泵浦的YSF，10—温度控制器。

具体实施方式

下面结合具体的实施事例及附图，对本发明作进一步的说明阐释，但不限于该实施方式。

如图1和图2所示，为本实例所使用的宽带反射器2不同结构示意图。反射器结构为一端口类型1×2的光耦合器，将其两个输出端连接在一起构成光纤反射环（图2）；或者在波分复用器信号端的光纤一端镀上宽带反射薄膜，构成镀膜反射镜（图3）。

如图3所示，为本实例所使用的光纤端帽6结构示意图。光纤端帽6由无源光纤的一端端面研磨成8°斜角，镀上增透膜，用于抑制光纤端面的光反射，可以提高ASE输出功率的稳定性，避免产生自激振荡。

如图4所示，为本实例所使用的带宽平坦装置7结构示意图。n个工作单元（n≥2）串联构成多个工作单元（工作单元组），每个工作单元由一小段长度未泵浦的YSF弯成光纤圈，置于一温度控制器上面。其特点是：可以间接地控制YSF工作温度在–100℃~150℃范围内变化。光纤中Yb³⁺离子各能级的粒子数服从玻尔兹曼分布，其随温度的变化而变化，直接导致Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱随温度而改变，而对1000~1100nm波段光的吸收情况受温度影响明显，可以平坦ASE光谱，提高输出1064nm波段ASE光谱的带宽。

如图5所示，为本实例所述光路装置结构示意图，一种可调谐宽带ASE光源采用单段光纤和双程前向泵浦结构。由泵浦激光器1、宽带反射器2、第一个波分复用器（WDM）3、掺镱光纤（YSF）4、第二个波分复用器（WDM）5、光纤端帽6、带宽平坦装置7、光隔离器8、未泵浦掺镱光纤9、温度控制器10构成。本实施例中泵浦激光器1为半导体激光器，其泵浦波长为980nm，输出功率为660mW可调节，输出尾纤为单模光纤。半导体激光器1的输出尾纤与第一个波分复用器3的泵浦端熔接，为YSF提供泵浦抽运能量。本实施例中宽带反射器结构为光纤反射环类型，将一端口类型1×2和分光比50:50的光耦合器的两个输出端熔接在一起构成。将第一个波分复用器3的信号端与宽带反射器2的输入端熔接，第一个波分复用器3的公共端与掺镱光纤4的一端熔接，掺镱光纤4的另一端与第二个波分复用器5的公共端熔接，且将掺镱光纤4盘入光路盒中并置于一温度控制器10的上面，第二个波分复用器5的泵浦端与光纤端帽6熔接，第二个波分复用器5的信号端跟带宽平坦装置7的输入端熔接，带宽平坦装置7的输出端与光隔离器8输入端熔接，将光隔离器输出端作为ASE光源输出端。本实施例中掺镱光纤4纤芯成分主要为硅酸盐玻璃（组分：92Si₂O₅-Al₂O₃-4GeO₂-3Yb₂O₃），均匀掺杂Yb³⁺离子（掺杂浓度：1.0×10²⁰ions/cm³）。掺镱光纤4的纤芯直径为6μm，包层直径为125μm，纤芯数值孔径为0.16，其使用长度为7米。本实施例中带宽平坦装置7的温度控制器类型为热电制冷器TEC，其工作温度为70℃。仅使用两个工作单元串联构成一个工作单元组，其工作物质——未泵浦的掺镱光纤9与掺镱光纤4为同一类型光纤，未泵浦的掺镱光纤9的使用长度分别为2米和1米。本发明的特点在于，一方面带宽调谐装置（由掺镱光纤4绕成光纤圈，置于精密温度控制器10上面构成）通过温度变化，改变光纤中掺杂Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱，可以对输出ASE光谱带宽进行调谐。另一方面带宽平坦装置7（由未泵浦的掺镱光纤9和精密温度控制器10构成）对产生的ASE光进行再吸收，用于平坦输出ASE光谱谱形，改善输出1064nm波段ASE光谱的平坦度。

如图6所示，为本发明实施例中所输出的ASE光谱图。输出ASE光经过20dB光耦合器分光后，在小端口扫描光谱。图中3dB光谱宽度约为45nm，覆盖1035~1080nm波段，其输出功率约100mW，输出光功率稳定、光谱平坦度好。

本发明中的YSF不仅适用于一般芯径的单模单包层光纤，也适用于单模双包层光纤、大芯径双包层光纤等。并且ASE光源泵浦结构不仅适用于双程前向输出，也适用于双程后向输出，以及单程前向或后向输出。如上所述，能够较好的实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定其实施范围。

Claims

1.一种可调谐宽带ASE光源，其特征在于包括泵浦激光器（1）、宽带反射器（2）、第一个波分复用器（3）、掺镱光纤（4）、第二个波分复用器（5）、光纤端帽（6）、带宽平坦装置（7）、光隔离器（8）和温度控制器（10）；第一个波分复用器的信号端与宽带反射器的输入端相连，第一个波分复用器的公共端与掺镱光纤（4）的一端相连，掺镱光纤（4）的另一端与第二个波分复用器的公共端相连，第二个波分复用器的信号端与带宽平坦装置的输入端相连，带宽平坦装置的输出端与光隔离器输入端相连，光隔离器输出端作为ASE光源输出端口，即前向ASE光输出；掺镱光纤（4）置于温度控制器（10）中；带宽平坦装置（7）由多段未泵浦掺镱光纤（9）组成，每段未泵浦掺镱光纤（9）均各自设有温度控制器（10）；泵浦结构采用如下方式的一种：（a)泵浦激光器的输出尾纤与第一个波分复用器的泵浦端相连，与宽带反射器（2）一起组成双程前向泵浦结构，第二个波分复用器的泵浦端与光纤端帽的输入端相连；（b）泵浦激光器（1）的尾纤连接第二个波分复用器（5）的泵浦端，与宽带反射器（2）一起组成双程后向泵浦结构，第一个波分复用器的泵浦端与光纤端帽的输入端相连；（c）由上述两种方式（a）和（b）同时进行的双程双向泵浦结构；掺镱光纤（4）的芯层和包层玻璃组分为硅酸盐玻璃，纤芯均匀掺杂镱离子（Yb³⁺），组成为92Si₂O₅-Al₂O₃-4GeO₂-3Yb₂O₃，且Yb³⁺掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³；纤芯基质材料包括硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃或碲酸盐玻璃；所述带宽平坦装置（7）为多个工作单元构成，每一段未泵浦掺镱光纤绕成光纤圈，置于一个温度控制器（10）上面，即构成一个工作单元；n个工作单元串联构成一个工作单元组，n≥2；每个工作单元中使用的未泵浦掺镱光纤为同一类型光纤或者不同类型光纤，或者使用的未泵浦掺镱光纤为相同长度光纤或者不同长度光纤，其中每一段未泵浦掺镱光纤的使用长度为0.1～10米；任意调节与控制每段未泵浦掺镱光纤（9）工作温度在–100℃~150℃范围内变化，从而改变Yb³⁺离子的吸收谱和发射谱；实现具有达到100mW以上的输出功率， 3dB光谱宽度平坦带宽的ASE光源，其输出波长可以覆盖1000~1100nm波段。

2.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述掺镱光纤（4）的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4～15μm，包层形状为圆形，包层直径为80～300μm，纤芯的数值孔径为0.06～0.20，使用长度为0.2～15米。

3.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述掺镱光纤（4）绕成光纤圈，固定封装于一铝制光路盒中，置于精密温度控制器（10）上面；温度控制器（10）对掺镱光纤（4）的工作温度进行控制，温度控制精度为±0.1℃，从而调谐ASE光的工作带宽。

4.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述泵浦激光器（1）为半导体激光器、光纤激光器或者固态激光器，其泵浦波长范围为800～1100nm，输出功率大于50mW，输出尾纤为单模光纤或多模光纤。

5.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述光纤端帽（6）为一段无源单包层光纤，且该无源单包层光纤的一端端面研磨成8°斜角，镀上宽带增透膜，所述增透膜对1064nm波段ASE光的透射率大于95%。

6.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述第二个波分复用器（5）的泵浦端亦能用作滤除残留泵浦光的端口。

7.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于所述掺镱光纤（4）、泵浦激光器（1）、宽带反射器（2）、第一个波分复用器（3）、第二个波分复用器（5）、光纤端帽（6）、带宽平坦装置（7）、光隔离器（8）之间的连接方式为：研磨抛光其相应光纤端面进行机械对接，或者通过光纤熔接机进行熔融连接。

8.如权利要求1所述的可调谐宽带ASE光源，其特征在于宽带反射器为一端口类型1×2的光耦合器，将其两个输出端连接在一起构成光纤反射环，所述光耦合器的分光比为30:70~50:50；或者为第一个波分复用器信号端的光纤端面镀上宽带薄膜构成的镀膜反射镜，所述宽带薄膜对1064nm波段信号光波长高反，其中心波长处的反射率大于80%。