CN105720468A - 基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法。本发明适用于多波长窄线宽光纤激光器领域，采用多个不同中心波长的光纤光栅选择多个不同波长的激光，利用微凹槽光纤实现瑞利增益累积，进行线宽压缩，实现多波长窄线宽激光输出。本发明可以应用于光通信、光传感等领域，具有结构稳定、成本低等优点。

Description

基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别涉及了一种基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法。
背景技术
随着高容量光纤通信网络的发展与成熟，波分复用技术已经成为长距离通信干线和光网络的主流技术。多波长光纤激光器作为波长路由网络中的重要光源得到广泛研究。同时多波长光纤激光器具有性能稳定、输出功率高、易与光纤通信系统兼容等优点，在光纤传感系统、光学测试、光谱学等方面具有广泛的前景。目前多波长光纤激光器的研究主要集中在高功率和窄线宽两方面，多波长窄线宽光纤激光器的研究被越来越重视。
现有形成窄线宽单纵模激光束的方法主要有短腔、饱和吸收体、环形腔等方法，但大多存在结构复杂、体积较大、成本高昂、线宽压缩效果不理想的缺陷，限制了多波长窄线宽激光束的应用。
理论已经证明，瑞利散射是一种有效的线宽压缩机制，如果能利用瑞利散射实现激光线宽压缩，多波长窄线宽激光器的结构将得到简化。通常情况下，布里渊散射和瑞利散射几乎同时存在，并且普通光纤对布里渊散射的增益系数比瑞利散射增益系数高几个数量级，而布里渊散射对线宽压缩具有负面影响，因此有效抑制布里渊散射，实现瑞利增益累积对形成多波长窄线宽激光束具有重要意义。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选择微凹槽光纤，所述微凹槽光纤由普通单模光纤经飞秒激光微加工制作而成，用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在普通单模光纤上形成多对微凹槽区。所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m，普通单模光纤上的多个微凹槽区可有效抑制布里渊散射，满足瑞利散射大量累积，实现激光线宽压缩效果。
基本原理为:光纤的数值孔径是一个有限的值，普通单模光纤允许多模声波的传导；由于光可以被非零角度的声波所散射，若角度足够小，则散射光仍然能在普通单模光纤当中传播；在普通单模光纤中，光场的横向梯度远大于纵向梯度，而横向声波对受激布里渊起着至关重要的作用，本发明的微凹槽光纤结构可以起到如下作用：1)扩大光纤中光的模场分布，减小光场的横向梯度，间接地抑制光纤中的横向声波；2)使光纤形成变截面结构，破坏横向声波的传导条件；3)分布于普通单模光纤上的多个微凹槽区可以避免受激布里渊增益的累积效应。
采用本发明微凹槽光纤构成激光器谐振腔，可避免采用布里渊增益原理的激光器因存在随机跳模现象而导致的单频运转不稳定问题，同时消除了对谐振腔长度的限制，使谐振腔可达到百米量级，有效实现瑞利增益累积，提高信号强度。
为了使光在微凹槽光纤中的传输损耗和对布里渊增益的抑制效果取得较佳的平衡，微凹槽光纤的参数设置为：单个凹槽区的轴向长度在1.8～2cm范围，相邻两个微凹槽区的轴向中心间隔4.5～6m，微凹槽区的最小直径和普通单模光纤的外径数值比为在24:25～18:25之间。
步骤(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器，一个980nm/1550nm波分复用器，一段长度2米至10米的掺铒光纤、一个三端口环形器、、一个中心波长为λ1的光纤光栅、一个可变光衰减器、一个偏振控制器、一个中心波长为λ2的光纤光栅、一个中心波长为λ3的光纤光栅、一个1*2耦合器。
步骤(3)将980nm泵浦激光器的端口与波分复用器的第1端口光纤连接，波分复用器的第2端口与掺铒光纤的一端光纤连接；掺铒光纤的另一端与三端口环形器的第1端口光纤连接，三端口环形器的第2端口与微凹槽光纤的一端光纤连接，微凹槽光纤的另一端光纤与中心波长为λ1的光纤光栅的一端光纤连接，中心波长为λ1的光纤光栅的另一端与可变光衰减器的一端光纤连接，可变光衰减器另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与中心波长为λ2的光纤光栅一端连接，中心波长为λ2的光纤光栅另一端与中心波长为λ3的光纤光栅一端光纤连接；三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器的输入端光纤连接，1*2端耦合器的第一输出端与波分复用器的第3端口光纤连接，1*2端耦合器的第2输出端作为窄线宽激光的输出端。
步骤(4)开启980nm泵浦激光器，输出的980nm激光通过波分复用器进入掺铒光纤，掺铒光纤吸收980nm激光，从而提供一个宽带光源；宽带光源通过三端口环形器的第2端口注入微凹槽光纤、中心波长为λ1的光纤光栅、可变光衰减器、偏振控制器、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅，三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器、波分复用器的第3端口形成完整的环形激光腔。中心波长为λ1的光纤光栅、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅是波长选择元件，微凹槽光纤与中心波长为λ1的光纤光栅、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅组成半开放腔，可变光衰减器和偏振控制器为微凹槽光纤提供一个非常微弱的种子光，可变光衰减器对种子光的强度进行控制，以免窄线宽的后向瑞利信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，微凹槽光纤对种子光起分布反馈和线宽压缩作用，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光震荡，从1*2端耦合器的第2输出端向外输出多波长窄线宽激光信号，通过在微凹槽光纤后串联或移除不同中心波长的光纤光栅控制输出波长的个数。
本发明适用于多波长窄线宽光纤激光器领域，采用多个不同中心波长的光纤光栅选择多个不同波长的激光，利用微凹槽光纤实现瑞利增益累积，进行线宽压缩，实现多波长窄线宽激光输出。
附图说明
图1a为本发明的结构示意图；
图1b为微凹槽光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例中输出多波长窄线宽激光的光谱图。
具体实施方式
如图1a和图1b所示，本实施例包括一个980nm泵浦激光器1、一个波分复用器2、一段掺铒光纤3、一个三端口环形器4、一段微凹槽光纤5、一个中心波长为1530.528nm的光纤光栅6、一个可变光衰减器7、一个偏振控制器8、中心波长为1541.132nm的光纤光栅9、中心波长为1550.527nm的光纤光栅10、一个1*2耦合器11；
具体实现多波长窄线宽激光输出的方法包括以下步骤：
(1)选择微凹槽光纤5，所述微凹槽光纤由普通单模光纤12经飞秒激光微加工制作而成，用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称微凹槽5-1，通过多次刻写操作，在普通单模光纤上形成多对微凹槽区。所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m，普通单模光纤上的多个微凹槽区可有效抑制布里渊散射，满足瑞利散射大量累积，实现激光线宽压缩效果。
单个微凹槽区的轴向长度为1.8～2cm，各个微凹槽区5-1是等间距设置，相邻两对微凹槽区的轴向中心之间间隔(见图1b中标记M所示范围)4.5～6m。微凹槽区5-1内的最小直径与普通单模光纤的外径之比值在24:25～18:25之间。
(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器1，一个980nm/1550nm波分复用器2，一段长度5米至12米的掺铒光纤3，一个三端口环形器4，一个中心波长为1530.528nm的光纤光栅6、一个可变光衰减器7、一个偏振控制器8、一个中心波长为1541.132nm的光纤光栅9、一个中心波长为1550.527nm的光纤光栅10、一个1*2耦合器11。
(3)将980nm泵浦激光器1的端口与波分复用器2的第1端口光纤连接，波分复用器2的第2端口与掺铒光纤3的一端光纤连接；掺铒光纤3的另一端与三端口环形器4的第1端口光纤连接，三端口环形器4的第2端口与微凹槽光纤5的一端光纤连接，微凹槽光纤5的另一端光纤与中心波长为1530.528nm的光纤光栅6的一端光纤连接，中心波长为1530.528nm的光纤光栅6的另一端与可变光衰减器7的一端光纤连接，可变光衰减器7另一端与偏振控制器8一端连接，偏振控制器8另一端与中心波长为1541.132nm的光纤光栅9一端光纤连接，中心波长为1541.132nm的光纤光栅9另一端与中心波长为1550.527nm的光纤光栅10一端光纤连接；三端口环形器4的第3端口与1*2端耦合器10的输入端光纤连接，1*2端耦合器10的第一输出端与波分复用器2的第3端口光纤连接，1*2端耦合器10的第2输出端作为超窄线宽激光的输出端。
(4)开启980nm泵浦激光器1，输出的980nm激光通过波分复用器2进入掺铒光纤3，掺铒光纤3吸收980nm激光，从而提供一个宽带光源；宽带光源通过三端口环形器4的第2端口注入微凹槽光纤5、中心波长为1530.528nm的光纤光栅6、可变光衰减器7、偏振控制器8和中心波长为1541.132nm的光纤光栅9，中心波长为1550.527nm的光纤光栅10，三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器11、波分复用器2的第3端口形成完整的环形激光腔。中心波长为1530.528nm的光纤光栅6、中心波长为1541.132nm的光纤光栅9和中心波长为1550.527nm的光纤光栅10是波长选择元件，微凹槽光纤5与中心波长为1530.528nm的光纤光栅6、中心波长为1541.132nm的光纤光栅9和中心波长为1550.527nm的光纤光栅10组成半开放腔，可变光衰减器7和偏振控制器8为微凹槽光纤5提供一个非常微弱的种子光，可变光衰减器7对种子光的强度进行控制，以免窄线宽的后向瑞利信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，微凹槽光纤对种子光起分布反馈和线宽压缩作用，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光震荡，从1*2端耦合器11的第2输出端向外输出多波长窄线宽激光信号，通过在微凹槽光纤5后串联或移除不同中心波长的光纤光栅控制输出波长的数目。图2为本发明实施例中输出多波长窄线宽激光的光谱图，输出激光的线宽小于10kHz。
本发明适用于多波长窄线宽光纤激光器领域，采用多个不同中心波长的光纤光栅作为波长选择器件，以掺铒光纤作为增益介质，利用微凹槽光纤实现瑞利增益累积，进行线宽压缩，实现多波长窄线宽激光输出。本发明可以应用于光通信、光传感等领域，具有结构稳定、成本低等优点。

Claims (2)

1.基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)制作微凹槽光纤，具体是用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在单模光纤上形成多对微凹槽区；所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m；
步骤(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器，一个980nm/1550nm波分复用器，一段长度2米至10米的掺铒光纤、一个三端口环形器、一个中心波长为λ1的光纤光栅、一个可变光衰减器、一个偏振控制器、一个中心波长为λ2的光纤光栅、一个中心波长为λ3的光纤光栅、一个1*2耦合器；
步骤(3)将泵浦激光器的端口与波分复用器的第1端口光纤连接，波分复用器的第2端口与掺铒光纤的一端光纤连接；掺铒光纤的另一端与三端口环形器的第1端口光纤连接，三端口环形器的第2端口与微凹槽光纤的一端光纤连接，微凹槽光纤的另一端光纤与中心波长为λ1的光纤光栅的一端光纤连接，中心波长为λ1的光纤光栅的另一端与可变光衰减器的一端光纤连接，可变光衰减器另一端与偏振控制器一端连接，偏振控制器的另一端与中心波长为λ2的光纤光栅一端连接，中心波长为λ2的光纤光栅另一端与中心波长为λ3的光纤光栅一端光纤连接；三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器的输入端光纤连接，1*2端耦合器的第一输出端与波分复用器的第3端口光纤连接，1*2端耦合器的第2输出端作为窄线宽激光的输出端；
步骤(4)开启泵浦激光器，输出的980nm激光通过波分复用器进入掺铒光纤，掺铒光纤吸收980nm激光，从而提供一个宽带光源；宽带光源通过三端口环形器的第2端口注入微凹槽光纤、中心波长为λ1的光纤光栅、可变光衰减器、偏振控制器、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅，三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器、波分复用器的第3端口形成完整的环形激光腔；中心波长为λ1的光纤光栅、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅是波长选择元件，微凹槽光纤与中心波长为λ1的光纤光栅、中心波长为λ2的光纤光栅和中心波长为λ3的光纤光栅组成半开放腔，可变光衰减器和偏振控制器为微凹槽光纤提供一个种子光，可变光衰减器对种子光的强度进行控制，以免窄线宽的后向瑞利信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，微凹槽光纤对种子光起分布反馈和线宽压缩作用，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光震荡，从1*2端耦合器的第2输出端向外输出多波长窄线宽激光信号，通过在微凹槽光纤后串联或移除不同中心波长的光纤光栅控制输出波长的个数。
2.根据权利要求1所述的基于微凹槽光纤的多波长窄线宽激光输出方法，其特征在于：步骤(1)中单个凹槽区的轴向长度为1.8～2cm，相邻两个微凹槽区的轴向中心间隔4.5～6m，微凹槽区的最小直径与单模光纤的外径数值比为24:25～18:25。
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