CN109494555A - 基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，包括一线形腔结构的Sagnac环，具体为依次连接的泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环，光纤耦合器与光谱分析仪连接，所述Sagnac环包括第一臂和第二臂构成的环状结构，第一臂连接有PC偏振控制器，第一臂通过级联光栅与第二臂连接；第一臂与第二臂存在臂长差。本发明提出基于级联光栅结合Sagnac环结构实现可调光纤激光器的方法，利用级联光栅本身的干涉以及Sagnac环结构的的干涉的共同作用，可使输出干涉波形发生变化。得到单‑双波长及波长间隔均可调节的光纤激光器，在波分复用系统中具有重要应用。

Description

基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器应用技术领域，更具体地，涉及一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器。

背景技术

多波长光纤激光器在遥感设备、光通信系统、微波以及THz波信号的产生、光纤传感、密集波分复用系统等方面具有巨大的应用潜力，吸引了许多国内外研究学者的目光。其中，可调谐多波长光纤激光器以其波长可调谐的突出优点，成为了近年来的研究热点。迄今为止，已经报道了许多方法来实现多波长光纤激光器，如使用级联光纤布拉格光栅、相移光栅、采样光栅、饱和吸收体、光纤复合环滤波器结构、马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪结构、重叠光栅和啁啾光栅等方法。

2008年，Chen D等人提出了一种基于线形腔结合FBG对的单纵模双波长光纤激光器，其中FBG对的所有参数一致，通过调节施加于另一个光栅上的应力，使该光栅波长与FBG对的两个透射峰波长相匹配，得到了对应于FBG对中心波长的双波长激光输出，对输出波长间隔的调节需要改变FBG对之间的距离和反射率。2013年，Cao Y 等人在环形腔掺铒光纤激光器的Sagnac环中插入中心波长不同的FBG对，调节 PC，得到室温下可切换的双波长激光输出。2013年，Zou H 等人使用双通M-Z干涉仪结合Sagnac环作为滤波器，调节PC实现了单-双波长可调谐光纤激光器。2015年, Huang K Q等人基于DFB（Distributed feedback,DFB）激光注入法，调节DFB激光器的运行温度，实现了双波长间隔可调的光纤激光输出,在运行温度为25℃时得到了双波长激光同时振荡。2017年，Yan N等人使用光纤拉锥法制作了基于声光效应的M-Z干涉仪，在环形腔光纤激光器中通过调节RF的功率改变输出波长及波长间隔，实现了对双波长光纤激光器的快速调节。2018年，Ding Z等人使用Sagnac环结合两段以45℃角度熔接的保偏光纤，形成干涉环，调节PC，实现了波长可调谐。然而这些方法存在结构复杂、成本较高或双波长间隔不可调以及调谐困难等问题。

因此需要一种具有简单可调节且易于实验的可调光纤激光器技术方案。

针对现有技术的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出了一种简单的线形腔结构，包括级联光栅，Sagnac环以及PC相结合的结构。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，包括一线形腔结构的Sagnac环，具体为依次连接的泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环，光纤耦合器与光谱分析仪连接，其特征在于，所述Sagnac环包括第一臂（L1）和第二臂（L2）构成的环状结构，第一臂（L1）连接有PC偏振控制器，第一臂（L1）通过级联光栅与第二臂（L2）连接；第一臂（L1）与第二臂（L2）存在臂长差。

所述级联光栅为同一相位掩模板通过计算机控制扫描光束的起始位置，刻制间隔相同的三个光栅而成。

所述的级联光栅为使用244nm的氩离子激光器通过曝光均匀相位掩模板，刻制均匀光栅并切趾，栅区长度为5mm。

所述的三个光栅间隔2.15mm，通过计算机控制扫描光束移动2.15mm刻制而成。

所述第一臂L1与第二臂L2的臂长差为2mm。

本发明还提供了一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将标准单模光纤置于载氢罐中进行载氢，7*24小时后将光纤取出；

步骤二，使用244nm的氩离子激光器通过曝光均匀相位掩模板，刻制均匀光栅并切趾，栅区长度为5mm；

步骤三，通过计算机控制扫描光束移动2.15mm，使用同样方法再次开始刻制，同样的刻制出第三个光栅；

步骤四，将刻制好的级联光栅置于90℃的恒温箱内进行退火24h后取出；

步骤五，进行可调光纤激光器结构搭建，将泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环依次连接，光纤耦合器与光谱分析仪连接，控制Sagnac环的第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度，使第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度差为2mm，并将PC与第一臂连接。

本发明的有益效果是：

本发明的泵浦光通过泵浦掺铒光纤得到放大的自反辐射，自发辐射光进入Sagnac环结构中，经过级联光栅和PC调制，输出干涉光谱。其中一部分输出到光谱分析仪中，另一部分返回到谐振腔内继续放大掺铒光纤，增加谐振腔的增益。其中由于Sagnac环中的臂长差的存在，使得光程差发生变化，导致干涉光相位发生改变，从而导致输出的干涉光谱的疏密及波形发生变化，调节PC，改变腔内增益和损耗，使不同的波长得到不同的增益，抑制了掺铒光纤的模式竞争，从而使输出波长可调节。

本发明提出基于级联光栅结合Sagnac环结构实现可调光纤激光器的方法，利用级联光栅本身的干涉以及Sagnac环结构的的干涉的共同作用，可使输出干涉波形发生变化。得到单-双波长及波长间隔均可调节的光纤激光器，在波分复用系统中具有重要应用。

本发明提出了基于级联光栅结合Sagnac环结构的可调光纤激光器结构，利用级联光栅本身的干涉作用以及与Sagnac环共同作用形成的干涉来达到梳状滤波器的效果，调节PC，使波长可调节。本发明的可调光纤激光器结构简单，方便可调，且易于实现，在波分复用系统中具有重要的应用和意义。

术语解释：

本文中出现的英文缩写解释如下：

PC-偏振控制器，WDM-波分复用器，EDF-掺铒光纤，coupler-光耦合器，cascaded FBGs-级联光纤布拉格光栅，OSA-光谱分析仪，ASE-光源。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1示出了本发明基于级联光栅的可调光纤激光器结构示意图；

图2示出了级联光栅结合Sagnac环结构的可行性测试原理图；

图3为图1和图2中的cascaded FBGs结构示意图；

图4示出了刻制的级联光栅退火后的光栅光谱图；

图5a、图5b示出了通过调节PC得到的测试结构的输出干涉谱的光谱图；

图6示出了通过调节PC得到的单波长激光输出光谱图；

图7示出了调节PC得到的双波长激光输出光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

首先，对级联光栅结合Sagnac环结构的可行性进行测试，参见图2，使用ASE作为光源，连接到级联光栅和Sagnac环结构上，输出光谱连接到光谱仪，测试该结构的可行性，以及调节PC对输出光谱的影响。ASE光源采用Newport的宽带光源，波长范围为1520-1610nm。所述光谱仪采用日本YOKOGAWA公司的AQ6370D光谱分析仪，工作波长范围为600nm~1700nm，最小分辨精度为0.02nm。

参见图5a、图5b所示，在图2结构下，调节PC，得到了该结构的输出干涉光谱变化，由图可知，调节PC，干涉谱形状发生改变，不同波长具有了不同的优势。

图1示出了本发明基于级联光栅的可调光纤激光器结构示意图，如图1所示，采用以下步骤制备：

步骤一，将标准单模光纤（本实施例采用康宁SMF-28e）置于载氢罐中进行载氢，7*24小时后将光纤取出；

步骤二，使用244nm的氩离子激光器通过曝光均匀相位掩模板，刻制均匀光栅并切趾，如图3所示，栅区长度为Lg1+ L0+ Lg2+ L0+ Lg3=19.3mm；

步骤三，通过计算机控制扫描光束移动2.15mm，使用同样方法再次开始刻制，同样的刻制出第三个光栅；如图3所示出的，刻制后的三个光栅间隔L₀=2.15mm。

步骤四，将刻制好的级联光栅置于90℃的恒温箱内进行退火24h后取出；

步骤五，进行可调光纤激光器结构搭建，将泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环依次连接，光纤耦合器与光谱分析仪连接，控制Sagnac环的第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度，使第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度差为2mm，并将PC与第一臂（L1）连接。其中，980nm的泵浦光源LD，峰值波长为976nm；980/1550nm的WDM波分复用器；2×2的3dB光纤耦合器；6m的掺铒光纤EDF。

调节PC，通过光谱分析仪记录数据，得到单波长光纤激光输出光谱，如图6所示。继续调节PC，得到双波长激光输出光谱，如图7所示。

实验可知，通过调节PC，可改变光纤的双折射效应，使传输光的偏振态发生变化，抑制模式竞争，使得腔内的光波长的增益和损耗改变，从而使输出波长可调节。

具体为泵浦光通过泵浦掺铒光纤得到放大的自反辐射，自发辐射光进入Sagnac环结构中，经过级联光栅和PC调制，输出干涉光谱。其中一部分输出到光谱分析仪中，另一部分返回到谐振腔内继续放大掺铒光纤，增加谐振腔的增益。其中由于Sagnac环中的臂长差的存在，使得光程差发生变化，导致干涉光相位发生改变，从而导致输出的干涉光谱的疏密及波形发生变化，调节PC，改变腔内增益和损耗，使不同的波长得到不同的增益，抑制了掺铒光纤的模式竞争，从而使输出波长可调节。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，包括一线形腔结构的Sagnac环，具体为依次连接的泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环，光纤耦合器与光谱分析仪连接，其特征在于，所述Sagnac环包括第一臂（L1）和第二臂（L2）构成的环状结构，第一臂（L1）连接有PC偏振控制器，第一臂（L1）通过级联光栅与第二臂（L2）连接；第一臂（L1）与第二臂（L2）存在臂长差。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，其特征在于，所述级联光栅为同一相位掩模板通过计算机控制扫描光束的起始位置，刻制间隔相同的三个光栅而成。

3.根据权利要求2所述的一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，其特征在于，所述的级联光栅为使用244nm的氩离子激光器通过曝光均匀相位掩模板，刻制均匀光栅并切趾，栅区长度为5mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，其特征在于，所述的三个光栅间隔2.15mm，通过计算机控制扫描光束移动2.15mm刻制而成。

5.根据权利要求1所述的一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器，其特征在于，所述第一臂L1与第二臂L2的臂长差为2mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于级联光栅结合Sagnac环的可调光纤激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将标准单模光纤置于载氢罐中进行载氢，7*24小时后将光纤取出；

步骤二，使用244nm的氩离子激光器通过曝光均匀相位掩模板，刻制均匀光栅并切趾，栅区长度为5mm；

步骤三，通过计算机控制扫描光束移动2.15mm，使用同样方法再次开始刻制，同样的刻制出第三个光栅；

步骤四，将刻制好的级联光栅置于90℃的恒温箱内进行退火24h后取出；

步骤五，进行可调光纤激光器结构搭建，将泵浦光源、波分复用器WDM、掺铒光纤EDF、光纤耦合器、Sagnac环依次连接，光纤耦合器与光谱分析仪连接，控制Sagnac环的第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度，使第一臂（L1）与第二臂（L2）的长度差为2mm，并将PC与第一臂连接。