CN108183386A - 一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置 - Google Patents

一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置。泵浦光源经第一个单向隔离器连接到第一段掺铒光纤的一端，第一段掺铒光纤的另一端连接到啁啾光纤布拉格光栅的一端，啁啾光纤布拉格光栅的另一端连接到第二段掺铒光纤，第二段掺铒光纤的另一端连接到波分复用器，波分复用器另一侧的一个端口经第二个单向隔离器连接到光源输出端。本发明方法在光源内部对种子光进行滤波后再放大输出，可产生类高斯光谱的宽谱光输出，装置结构简单可靠，提高了掺铒光纤光源输出的光功率和输出效率。

Description

一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置
技术领域
本发明涉及ASE宽谱光源领域，尤其是涉及了一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置。
技术背景
掺铒光纤光源属于放大的自发辐射(ASE)，故又称为ASE光源。ASE光源具有较宽的频谱带宽、较高的功率，在通讯、光传感、生物医学和光谱分析等许多领域都有非常广泛而重要的应用。而掺铒光纤光源具有高的输出光功率、高的波长稳定性、较宽的输出光谱，极其适合用于诸如光纤陀螺仪(FOG)和光学相干层析(OCT)成像系统等应用。
掺铒光纤的活性离子是铒离子，当铒离子与石英光纤结合时，它们的每个能态被分裂为许多密切相关的能带，自发辐射的波长范围在1.53～1.57um，并且有1530nm和1558两个辐射峰，使掺铒光纤光源的输出光谱多为非平坦的矩形谱，在光程差较大(0.3～2mm)的情况下，其光谱的自相关函数值大于高斯谱的自相关函数值，对于光纤白光干涉的应用，例如光纤陀螺等，增加了寄生干涉的影响。
传统对掺铒光纤光源光谱形状的处理主要采用对铒光纤光源输出光进行光谱上的高斯滤波或者平坦化处理的方法。这种对输出光进行后处理的方法，很大程度的损失了输出光功率，降低了掺铒光纤光源的输出效率。因而本发明提出了一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，在光源内部对种子光进行滤波，直接得到类高斯的光谱形状输出，提高了掺铒光纤光源输出的光功率和输出效率。
发明内容
针对目前的掺铒光纤光源，对光谱形状的传统处理方法很大程度的损失了输出光功率，降低了掺铒光纤光源的输出效率。本发明提出了一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，在光源内部对种子光进行滤波，直接得到类高斯的光谱形状输出，提高了输出的光功率和输出效率。
本发明的技术方案是：
本发明包括泵浦光源、第一个单向隔离器、第一段掺铒光纤、啁啾光纤布拉格光栅、第二段掺铒光纤、波分复用器、第二个单向隔离器和光源输出端；泵浦光源经第一个单向隔离器连接到第一段掺铒光纤的一端，第一段掺铒光纤的另一端连接到啁啾光纤布拉格光栅的一端，啁啾光纤布拉格光栅的另一端连接到第二段掺铒光纤，第二段掺铒光纤的另一端连接到波分复用器，波分复用器另一侧的一个端口经第二个单向隔离器连接到光源输出端。其中通过两个单向隔离器用于光单向传输。
泵浦光源发出980nm窄带的泵浦光，泵浦光经第一段掺铒光纤作用，将其中一部分泵浦光能量消耗并产生宽带种子光，啁啾光纤布拉格光栅对第一段掺铒光纤产生的种子光进行滤波，滤波后的种子光和剩余的泵浦光经第二段掺铒光纤作用使得种子光消耗剩余的泵浦光中的一部分能量，继续放大而产生放大的自发辐射光(ASE)，放大的自发辐射光和剩余的泵浦光经波分复用器分为两路，一路为残余的泵浦光；另一路为放大的自发辐射光，放大的自发辐射光进入第二个单向隔离器后到达的光源输出端。
所述啁啾光纤布拉格光栅中滤除种子光中峰值波长附近的部分，使得滤波后种子光原峰值波长附近部分的光功率变为原来的1/10。峰值波长附近是指以峰值波长为中心的10nm光谱范围。
本发明将原有一段的掺铒光纤分为两段，两段掺铒光纤的长度之和与原有一段掺铒光纤的长度相等，并且在两段掺铒光纤之间增设啁啾光纤布拉格光栅，通过啁啾光纤布拉格光栅对第一段掺铒光纤产生的种子光进行滤波处理，后经第二段掺铒光纤的继续放大，使得输出直接能获得类高斯的光谱形状输出，并且提高了输出的光功率和输出效率。
所述的波分复用器为1:2波分复用器。
所述的泵浦光源发出的泵浦光的中心波长为980nm，第一段掺铒光纤产生的宽带种子光的峰值波长为1530nm。具体实施中，泵浦光源中心波长为980nm，光功率为100mW；波分复用器的类型为980/1550。啁啾光纤布拉格光栅中心波长为1532nm，3dB带宽为10nm，反射率为90％。第一段掺铒光纤的长度为1米，所述的第二段掺铒光纤的长度为10米。
本发明具有的有益效果是：
本发明光源装置，在光源内部对种子光进行滤波，直接得到类高斯的光谱形状输出，省去了高斯滤波处理过程或者高斯滤波器等设置，降低了在光源外部对光谱整形滤波带来的损耗，提高了掺铒光纤光源输出的光功率和输出效率。
附图说明
图1是本发明中基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源的结构框图。
图2是第一段掺铒光纤产生的未经整形滤波的种子光的光谱图。
图3是经过啁啾光纤布拉格光栅滤波后的种子光的光谱图。
图4是基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的第二段掺铒光纤光源的输出光谱图。
图5是采用传统前向泵浦结构的掺铒光纤光源的结构框图。
图6是采用传统前向泵浦结构的掺铒光纤光源未经滤波的输出光谱图。
图7是采用传统前向泵浦结构的掺铒光纤光源经过高斯滤波后的输出光谱图。
图中：1、泵浦光源，2、第一个单向隔离器，3、第一段掺铒光纤，4、啁啾光纤布拉格光栅5、第二段掺铒光纤，6、1:2波分复用器，7、第二个单向隔离器，8、光源输出端。9、泵浦光源，10、第一个单向隔离器，11、掺铒光纤，12、1:2波分复用器，13、第二个单向隔离器，14、高斯滤波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括泵浦光源1、第一个单向隔离器2、第一段掺铒光纤3、啁啾光纤布拉格光栅4、第二段掺铒光纤5、波分复用器6、第二个单向隔离器7和光源输出端8；泵浦光源1经第一个单向隔离器2连接到第一段掺铒光纤3的一端，第一段掺铒光纤3的另一端连接到啁啾光纤布拉格光栅4的一端，啁啾光纤布拉格光栅4的另一端连接到第二段掺铒光纤5，第二段掺铒光纤5的另一端连接到波分复用器6，波分复用器6另一侧的一个端口经第二个单向隔离器7连接到光源输出端8，波分复用器6另一侧还具有一个端口用于输出光。
泵浦光源1发出980nm窄带的泵浦光，泵浦光经第一段掺铒光纤3作用，将其中一部分泵浦光能量消耗并产生宽带种子光，啁啾光纤布拉格光栅4对第一段掺铒光纤3产生的种子光进行滤波，滤波后的种子光和剩余的泵浦光经第二段掺铒光纤5作用使得种子光消耗剩余的泵浦光中的一部分能量，继续放大而产生放大的自发辐射光ASE，放大的自发辐射光和剩余的泵浦光经波分复用器6分为两路，一路为残余的泵浦光；另一路为放大的自发辐射光，放大的自发辐射光进入第二个单向隔离器7后到达的光源输出端8。
本发明的实施例如下：
泵浦光源1选择波长为980nm的激光光源，泵浦光功率为100mW。第一段掺铒光纤3的长度为1米，第二段掺铒光纤5的长度为10米，掺铒光纤的在980nm波段的损耗为0.15dB/m，在1550nm波段的损耗为0.1dB/m，亚稳态寿命为10ms，光纤纤芯半径2.2，数值孔径为0.24，掺杂浓度为10×1024。啁啾光纤布拉格光栅5的中心波长为1532nm，3dB带宽为10nm，反射率为90％。波分复用器6的插入损耗为0.1dB，隔离度为30dB。单向隔离器的隔离度均为38dB，插入损耗为0.1dB。
利用Optisystem软件对图1的基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源进行仿真，得到第一段掺铒光纤3产生的未经整形滤波的种子光的光谱图如图2所示，在掺铒光纤长度为1米时，以1530nm的辐射为主，种子光的光功率为0.027mW。经过啁啾光纤布拉格光栅4滤波后的种子光的光谱图如图3所示，光谱能量在1532nm附近存在一个10nm宽的凹陷，经过啁啾光纤布拉格光栅4滤波后的种子光的光功率为0.018mW。基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源的输出光谱图如图4所示，输出的光谱形状为类高斯形，输出光功率为25.948mW，输出效率为25.9％。
对比例
采用传统前向泵浦结构的掺铒光纤光源的结构进行实施对比，如图5所示。泵浦光源9经第一个单向隔离器10连接到掺铒光纤11的输入端，掺铒光纤11的的输出端连接到波分复用器12一侧的输入端，波分复用器12另一侧的输出端经第二个单向隔离器13与高斯滤波器14，波分复用器12另一侧还具有一个端口用于输出光。
泵浦光源9选择波长为980nm的激光光源，泵浦光功率为100mW。掺铒光纤11长度为11米，掺铒光纤的在980nm波段的损耗为0.15dB/m，在1550nm波段的损耗为0.1dB/m，亚稳态寿命为10ms，光纤纤芯半径2.2，数值孔径为0.24，掺杂浓度为。波分复用器12的插入损耗为0.1dB，隔离度为30dB。单向隔离器的隔离度均为38dB，插入损耗为0.1dB。高斯滤波器14的中心波长为1558nm，3dB带宽为20nm。
利用Optisystem软件仿真得到，采用传统前向泵浦结构的掺铒光纤光源经第二个单向隔离器13而未经高斯滤波的输出光谱图如图6所示，光谱形状并未呈类高斯形状分布，输出光功率为17.962mW。经高斯滤波器14滤波后的输出光谱图如图7所示，光谱形状并呈类高斯形状分布，输出光功率为10.278mW，较滤波前损失了7.684mW，损失了42.8％。该传统方法的输出效率为10.3％。
由此对比，明显可见本发明光源系统在光源内部对种子光进行滤波，直接得到类高斯的光谱形状输出，提高了掺铒光纤光源输出的光功率和输出效率。
本发明提出的一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，泵浦光源的中心波长不仅限于980nm，泵浦功率不仅限于100mW，可以根据实际需求，进行数值仿真选取其它合适的中心波长和泵浦功率。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，其特征在于：包括泵浦光源(1)、第一个单向隔离器(2)、第一段掺铒光纤(3)、啁啾光纤布拉格光栅(4)、第二段掺铒光纤(5)、波分复用器(6)、第二个单向隔离器(7)和光源输出端(8)；泵浦光源(1)经第一个单向隔离器(2)连接到第一段掺铒光纤(3)的一端，第一段掺铒光纤(3)的另一端连接到啁啾光纤布拉格光栅(4)的一端，啁啾光纤布拉格光栅(4)的另一端连接到第二段掺铒光纤(5)，第二段掺铒光纤(5)的另一端连接到波分复用器(6)，波分复用器(6)另一侧的一个端口经第二个单向隔离器(7)连接到光源输出端(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，其特征在于：泵浦光源(1)发出泵浦光，泵浦光经第一段掺铒光纤(3)作用将其中一部分泵浦光能量消耗并产生宽带种子光，啁啾光纤布拉格光栅(4)对第一段掺铒光纤(3)产生的种子光进行滤波，滤波后的种子光和剩余的泵浦光经第二段掺铒光纤(5)作用使得种子光消耗剩余的泵浦光中的一部分能量，继续放大而产生放大的自发辐射光，放大的自发辐射光和剩余的泵浦光经波分复用器(6)分为两路，一路为残余的泵浦光；另一路为放大的自发辐射光，放大的自发辐射光进入第二个单向隔离器(7)后到达的光源输出端(8)。
3.根据权利要求2所述的一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，其特征在于：所述啁啾光纤布拉格光栅(4)中滤除种子光中峰值波长附近的部分，使得滤波后种子光原峰值波长附近部分的光功率变为原来的1/10，峰值波长附近是指以峰值波长为中心的10nm光谱范围。
4.根据权利要求2所述的一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，其特征在于：所述的波分复用器(6)为1:2波分复用器。
5.根据权利要求2所述的一种基于啁啾光纤布拉格光栅滤波的掺铒光纤光源装置，其特征在于：所述的泵浦光源(1)发出的泵浦光的中心波长为980nm，第一段掺铒光纤(3)产生的宽带种子光的峰值波长为1530nm。
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