CN105703211A - 基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器，包括：激光器、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、F-P可调谐滤波器、第五耦合器和光谱仪；其中，波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器依次连接形成环形腔状结构，激光器连接波分复用器，光谱仪连接第五耦合器，第一耦合器和第二耦合器构成Mach-Zehnder滤波结构，第三耦合器和第四耦合器的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器。

Description

基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有输出功率高、高信噪比和使用寿命长等优势，在光纤通信、光纤传感和光谱分析等领域有广泛应用。目前，国内外针对可调谐光纤激光器领域已经开展了多年的研究，并取得了一定的研究成果；但是随着信号传输容量的扩大，要求传输的信道数目不断增加，因此实现波长稳定可调谐的光纤激光输出成为本领域的热点。

目前对于波长可调谐的光纤激光器研究已经取得很大进展，利用M-Z滤波、Sagnac结构、光子晶体光纤、级联光纤光栅、光纤非线性效应等技术手段均能够实现波长可调谐的激光输出。2012年，杨秀峰等人利用非线性偏振旋转效应，使光纤激光器在室温下产生稳定的多波长输出，得到了波长间隔为0.35nm、最多17个波长的稳定激光输出，并且实现了输出波长在4nm范围内的连续可调谐；同年，H.Ahmad等人将微观的M-Z干涉仪加入线性腔中，通过改变两个干涉臂的长度进而影响到简谐振荡的波长，从而实现从1496nm到1507nm共10个波长的可调谐激光的输出。2013年，周赢武等人采用热扩芯光纤制作了一种全光纤M-Z干涉滤波器，将该M-Z滤波器嵌入Sagnac滤波器中，构建了一种新型可调谐Sagnac干涉滤波器，实现了激光器的输出波长在1540.3～1581.2nm范围内可调，可输出的波长为18个；同年，杜勇等人利用一对自由谱宽略有不同的光纤布喇格光栅法布里-珀罗腔(FBG-FP)作为模式选择器件，设计了一种新颖的环形腔光纤激光器，在1552.2～1552.9nm范围内，获得了8个由固定的稳定激光输出；2015年，钟敬武等人设计了一种基于M-Z光纤干涉滤波器的可调谐多波长掺铥环形光纤激光器，利用Sagnac光纤反射镜实现反射式滤波，通过调整偏振控制器实现了2μm波段可调谐多波长输出，观测到了3个波长的可调谐激光。同年，曹晔等人设计出了一种基于Sagnac环和M-Z级联滤波的可调谐掺铒光纤激光器，通过电路驱动偏振控制器，实现了6个波长激光在2.2nm范围内整体连续可调谐。

因此，需要设计一种能够得到高稳定输出的可调谐激光输出的激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器，包括：激光器、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、F-P可调谐滤波器、第五耦合器和光谱仪；其中，波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器依次连接形成环形腔状结构，激光器连接波分复用器，光谱仪连接第五耦合器，第一耦合器和第二耦合器的输出端相对熔接，构成Mach-Zehnder滤波结构，第三耦合器和第四耦合器的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器。

优选地，所述激光器选自中心波长为976nm的半导体激光器进行泵浦，其工作阈值电流为26mA，长度为5m的增益光纤作为增益介质。

优选地，所述第五耦合器采用分光比为10:90的耦合器，其10％输出端口与所述光谱仪熔接。

优选地，所述光谱仪的分辨率为0.05nm。

优选地，所述第四耦合器和第五耦合器采用分光比为30：70的耦合器，

优选地，所述第四耦合器和第五耦合器的70％输出的一臂插入F-P可调谐滤波器。

优选地，所述F-P可调谐滤波器的调谐范围为1535～1565nm，分辨率为0.05nm。

优选地，所述第一耦合器和第二耦合器为3dB耦合器。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为根据本发明的基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器的结构示意图；

图2为M-Z滤波结构的结构示意图；

图3为M-Z滤波结构的透射谱图。其中图3(a)为1500-1600nm的波长范围内的透射谱图；图3(b)为1540-1560nm的波长范围内的透射谱图。

图4(a)为无F-P滤波器结构时光纤激光器所测得的振荡光谱图。

图4(b)为光纤激光器系统中插入F-P滤波器之后光谱仪所测得的连续可调谐的单波长激光输出。

图5为单波长1556.10nm输出时的激光光谱图。

图6(a)为1549.90nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

图6(b)1556.47nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

图6(c)1565.10nm波长和功率随时间的漂移量示意图。

具体实施方式

图1为根据本发明的基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器的结构示意图。本发明的基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器100的结构如图1所示，包括：激光器(LD)101、波分复用器(WDM)102、掺铒光纤(EDF)103、隔离器(ISO)104、第一耦合器(Coupler)105、第二耦合器106、第三耦合器107、第四耦合器108、F-P(Fabry-Perot)可调谐滤波器109、第五耦合器110和光谱仪111。激光器101优选中心波长为976nm的半导体激光器进行泵浦，其工作阈值电流为26mA，长度为5m的增益光纤作为增益介质。波分复用器102、掺铒光纤103、隔离器104、第一耦合器105、第二耦合器106、第三耦合器107、第四耦合器108、第五耦合器110依次连接形成环形腔状结构，激光器101连接波分复用器102，激光器101发出的泵浦光由波分复用器102进入可调谐光纤激光器。光谱仪111连接第五耦合器110用于光谱采集。优选地，第五耦合器110采用分光比为10:90的耦合器，其10％输出端口与光谱仪111熔接。优选地，光谱仪111的分辨率为0.05nm。

泵浦光由波分复用器102耦合进入掺铒光纤103，后受激辐射光在环形腔中进行振荡，经过光隔离器104后进入M-Z滤波结构进行滤波，由于M-Z滤波极容易受到外界环境的影响而产生跳变，因此在光路中插入F-P滤波器进行滤波，防止可调谐F-P滤波器滤除M-Z滤波结构的其他边峰。

第三耦合器108和第四耦合器110的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器109，实现波长的可调谐输出。优选地，第四耦合器108和第五耦合器110采用分光比为30：70的耦合器，其70％输出的一臂插入F-P滤波器，能够通过调节F-P实现单波长激光调谐输出。优选地，F-P可调谐滤波器的调谐范围为1535～1565nm，分辨率为0.05nm。

第一耦合器105和第二耦合器106构成M-Z滤波结构，如图2所示，优选地，M-Z滤波结构200通过将两个3dB耦合器的两个输出端口相熔接构成。功率为P₀的一束连续光从入射端口入射，经过第一耦合器105顺时针和逆时针方向传播，经过一次往返之后产生相位移动，然后进入第二耦合器106中进行相干结合，两束光的相依包括整个系统引入的所有相移。利用耦合器的传输矩阵，则顺时针和逆时针传输的光场振幅为：

$A_1=\sqrt{\mathrm{\ρ}}{A}_0;A_2=i\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{A}_0---\left(1\right)$

式中，ρ＝cos²(kl_c)为耦合比，l_c为耦合长度。则进入第二耦合器的光场为：

$A_3=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_1}{A}_0\exp ({\mathrm{i\β}}_1{L}_1+i\mathrm{\ρ}\mathrm{\γ}|A_0{|}^2{L}_1)---\left(2\right)$

$A_4=i\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}_1}{A}_0\exp ({\mathrm{i\β}}_2{L}_2+i(1-{\mathrm{\ρ}}_1\left)\mathrm{\γ}\right|A_0{|}^2{L}_2)---\left(3\right)$

式中，L₁，L₂分别是M-Z滤波结构两臂的长度，₁，₂是两臂的传输常数。在这里同时考虑了线性和非线性相移。利用第二耦合器的传输矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{A}_{01}\\ A_{02}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2}& i\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}_2}\\ i\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}_2}& \sqrt{{\mathrm{\ρ}}_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_3\\ A_4\end{array}\right]---\left(4\right)$

可以得到M-Z滤波结构输出端口的光场，M-Z滤波结构输出端的透射率为：

式中，线性相移的和非线性相移部分分别为：

对于由两个3dB耦合器构成的对称M-Z滤波结构，有此时的透射率为：

其中，β＝2π/λ，由于线性相移和频率有关，所以透射率取决于入射光波长，所以输出的波长间隔与臂长差的关系可写为：

Δλ＝λ²/nΔL(8)

其中，n是有效折射率，为传播的光波长。

由此可知，M-Z滤波结构的输出的波长间隔与臂长差成反比，而直接决定了输出可调谐波长的间隔，故臂长差对输出产生重大影响。

首先，测出M-Z干涉仪的透射谱如图3所示。图3(a)示出了在LD的泵浦功率为60mW时得出了稳定明显的干涉图样，范围覆盖整个掺铒光纤的ASE光谱，通过图3(b)可以看出，在1550nm处波长间隔Δλ约为1.67nm。当传输波长λ为1550nm，有效折射率n为1.45，利用公式(8)可得到臂长差约为1mm。

若此时先将M-Z滤波器与10/90的耦合器相连测出自激振荡时的光谱，如图4(a)所示，图4(a)为无F-P滤波器结构时光纤激光器所测得的振荡光谱。激光器的阈值约为32mW，在1561nm的附近有跳模现象发生，这是因为只有M-Z结构，系统很容易受外界环境的影响，导致偏振态改变，进而导致输出波长的跳变。实验过程中，当两干涉臂受外界影响较大时，输出波长变化较大，难以实现激光的稳定可调谐输出。

由于M-Z干涉结构极容易受到外界环境的影响而产生跳变，因此在光路中插入F-P滤波器进行滤波。为防止可调谐F-P滤波器滤除M-Z干涉的其他边峰，实验中分别采用分光比为10:90、20:80、30:70、50:50的耦合器进行实验对比分析，其中30：70分光比耦合器的调谐效果最佳，能够通过调节F-P实现单波长激光调谐输出。

在系统中插入F-P滤波器之后，固定好M-Z结构的位置，使其受到环境的影响降到最低。当泵浦光功率为60mW时，得到1547～1568nm内11个稳定输出的可调谐波长，最左端为1548.24nm，最右端为1565.10nm，每个调谐间距约为1.7nm。用光谱仪测得各个光谱如图4(b)所示。理论上，在两侧还可以得到波长输出，但是左侧限于F-P滤波器的滤波范围，再向左移时，就会在1561nm附近产生自激振荡的光；右端从图3(a)中可以看出1561nm刚好处于下降沿，功率比较低，而且1565nm是F-P滤波器的调谐极限因而很难形成单纵模激光输出。单个波长的光谱与图4(a)相比，其M-Z干涉的强度降低，即边模抑制比得到提高。实验中得到的每个波长的边模抑制比均大于55dB。其中，除了1548.2nm的激光的为55dB外其余10个模式的边模抑制比均大于60dB。图5显示的是1556.10nm的激光光谱，由图可以看出，3dB线宽约为0.037nm，小于0.1nm。

由于采用M-Z滤波结构容易发生跳摸，因此系统的波长和功率的稳定性就显得极为重要。如图6所示，图6为各波长和功率随时间的漂移量示意图。从两端和中间各选取一个波长分别为1549.90nm、1556.47nm、1565.10nm，如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，分别在30分钟内每分钟对输出波长、功率稳定性情况进行检测。从图中可以看出，波长的最大漂移量为0.06nm。1549.90nm的波长漂移量为60pm，功率漂移量为0.524dBm；1556.47nm的波长漂移量为70pm，功率漂移量为0.358dBm；1565.10nm的波长漂移量为80pm，功率漂移量为0.354dBm。每个波长的光均有良好的稳定性。

本发明的基于Mach-Zehnder(M-Z)滤波结构结合Fabry-Perot(F-P)滤波器的可调谐掺铒光纤激光器，通过理论分析和实验验证证明，调节F-P滤波器，在泵浦功率为60mW时，实现了1547nm～1568nm范围内单波长激光的稳定可调谐输出，波长调谐间隔小于1.7nm，每个输出波长的边模抑制比均大于55dB，线宽均小于0.1nm。实现了波长稳定，最终获得了波长可调谐的稳定激光输出。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种基于Mach-Zehnder滤波结构的可调谐光纤激光器，包括：激光器、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、F-P可调谐滤波器、第五耦合器和光谱仪；

其中，波分复用器、掺铒光纤、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器依次连接形成环形腔状结构，激光器连接波分复用器，光谱仪连接第五耦合器，

第一耦合器和第二耦合器的输出端相对熔接，构成Mach-Zehnder滤波结构，

第三耦合器和第四耦合器的输出端相对熔接，并在其中一臂插入F-P可调谐滤波器。

2.如权利要求1所述的可调谐光纤激光器，其中所述激光器选自中心波长为976nm的半导体激光器进行泵浦，其工作阈值电流为26mA，长度为5m的增益光纤作为增益介质。

3.如权利要求1所述的可调谐光纤激光器，其中所述第五耦合器采用分光比为10:90的耦合器，其10％输出端口与所述光谱仪熔接。

4.如权利要求1所述的可调谐光纤激光器，其中所述光谱仪的分辨率为0.05nm。

5.如权利要求1所述的可调谐光纤激光器，其中所述第四耦合器和第五耦合器采用分光比为30：70的耦合器，

6.如权利要求5所述的可调谐光纤激光器，其中所述第四耦合器和第五耦合器的70％输出的一臂插入F-P可调谐滤波器。

7.如权利要求6所述的可调谐光纤激光器，其中所述F-P可调谐滤波器的调谐范围为1535～1565nm，分辨率为0.05nm。

8.如权利要求1所述的可调谐光纤激光器，其中所述第一耦合器和第二耦合器为3dB耦合器。