CN109698460A - 一种半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器 - Google Patents

一种半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半开腔多波长布里渊‑掺铒光纤随机激光器，泵浦源的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端与掺铒光纤连接；掺铒光纤一侧的波分复用器的输入端与单模光纤的一端连接，单模光纤的另一端与第一隔离器连接；掺铒光纤另一侧的波分复用器的信号输入端与环形器的B端口连接；环形器的A端口和C端口分别与第二隔离器的输出端和3‑dB耦合器的输入端口连接；3‑dB耦合器的另一输入端口与布里渊泵浦源的输出端连接，3‑dB耦合器的输出端口与第二隔离器的输入端连接，3‑dB耦合器的另一输出端口与光谱仪的输入端口连接。本发明中的布里渊信号光获得更大增益，能产生更高阶的布里渊斯托克斯光。

Description

一种半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器
技术领域
本发明涉及随机激光器，特别是涉及一种半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器。
背景技术
随机激光的概念最早由Ambartsumyan等于1966年提出。与传统激光器相比，随机激光器没有固定的光学谐振腔，其光反馈由无序介质中的多次散射效应实现，利用散射光的干涉效应产生特定频率的共振模式，实现随机激光输出。近几十年来，随机激光在光纤传感，物理光学成像，光谱测量，微波光子和生物医学等领域的潜在应用吸引了大量的研究兴趣。
随机激光没有固定的光学谐振腔，工作原理是光在无序介质中多次散射来实现反馈，散射光的干涉效应在特定频率下产生谐振模式，实现随机激光产生。随机激光器具有不要求严格的光学谐振腔，可以同时产生多个非相干激光模式等优点，但又有发射光谱对角度高依赖和高阈值功率等缺点。
近年来，随机光纤激光器由于其在光通信和光纤传感方面的巨大潜力，自2010年首次提出以来，受到了广泛关注。与传统具有固定腔长的光纤激光器不同，随机光纤激光器依靠光纤中的瑞利散射提供随机分布反馈，具有结构简单、无需定点反馈、非相干、相对强度噪声低等优点。随机光纤激光器的增益机制从受激拉曼散射发展到受激布里渊散射、稀土掺杂光纤的受激发射和上述混合增益。
光纤作为一种具有二维约束性能的波导被选择用来改善随机激光性能，Turitsyn等首次报道了一种基于瑞利散射随机分布反馈的随机光纤激光器，在全长83公里的传统光纤中利用分布拉曼增益放大，获得了稳定的随机激光信号输出。2011年，Vatnik等报道了基于拉曼增益和瑞利散射随机分布反馈产生级联随机激光，实验获得了波长在1.2μm的第二级斯托克斯随机信号。2013年，Zhang等提出了一种利用色散补偿光纤和单模光纤混合构成的半开放随机激光腔，从拉曼随机光纤激光器分别获得了一阶和二阶斯托克斯随机激光。然而，基于拉曼散射级联产生随机激光具有较高的阈值功率(第二阶斯托克斯线的阈值超过1W)，产生的斯托克斯线数量少(不超过3阶斯托克斯线)，和大波长间距(大约100nm)等明显的缺点。
受激布里渊散射(SBS)被广泛用于实现具有精确和稳定的波长间隔以及大量斯托克斯线级联的多波长光纤激光器。基于瑞利散射所形成的随机分布式反馈，通过将SBS增益与掺铒光纤放大器增益或受激拉曼散射增益相结合，已经报道了多波长布里渊-掺铒光纤/拉曼随机激光器。例如，Pang等报道了一种相干布里渊随机光纤激光器，以一段非均匀光纤中的瑞利散射作为随机分布反馈，传统单模光纤中布里渊散射作为增益，获得了稳定的单峰窄线宽布里渊随机激光输出。对于应用于密集波分复用系统的多波长光纤激光器，要求各信道输出功率尽可能多且平坦，研究人员已经做了一些努力来降低随机多波长激光峰值功率差异来提高波长个数和功率平坦，但依然不是很理想。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种半开腔多波长布里渊—掺铒光纤随机激光器，解决随机光纤激光器中布里渊信号光反馈弱，通过级联能产生的布里渊阶数少的问题。
技术方案：本发明所述的半开腔多波长布里渊—掺铒光纤随机激光器，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、第一隔离器、环形器、第二隔离器、3-dB耦合器、布里渊泵浦源、光谱仪；
所述掺铒光纤的两侧均设有泵浦源和波分复用器；泵浦源的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的输出端与掺铒光纤连接；掺铒光纤一侧的波分复用器的信号输入端与单模光纤的一端连接，单模光纤的另一端与第一隔离器连接；掺铒光纤另一侧的波分复用器的信号输入端与环形器的B端口连接；
环形器的A端口和C端口分别与第二隔离器的输出端和3-dB耦合器的第一输入端口连接；3-dB耦合器的第二输入端口与布里渊泵浦源的输出端连接，3-dB耦合器的第一输出端口与第二隔离器的输入端连接，3-dB耦合器的第二输出端口与光谱仪的输入端口连接。
所述单模光纤的长度为20km。
所述布里渊泵浦源是调谐范围为970nm至1680nm，输出功率范围为7.4dBm至12.4dBm的可调谐激光源。
所述掺铒光纤的长度为1.3米。
所述泵浦源为980nm的激光二极管。
发明原理：在光纤中，掺铒光纤放大的位置对改善光纤中分布反馈较弱的随机光纤激光器的性能至关重要。在双通端口加入掺铒光纤后，掺铒光纤增益可以为双通放大产生的斯托克斯光提供有效和充分的放大，大大改善了随机光纤激光器的性能。本发明提出在环形器的双通端口引入掺铒光纤线性增益，在保证布里渊泵浦光得到放大的同时，使得布里渊信号光得到双通放大，多次级联产生多阶布里渊波长。掺铒光纤采用双向泵浦方式，使得反向和前向布里渊信号光均能得到有效放大。当布里渊泵浦光功率超过受激布里渊散射阈值时，产生一阶布里渊斯托克斯光，瑞利散射则提供随机分布反馈。后向传播的一阶斯托克斯波将由掺铒光纤第一次放大，50％斯托克斯光从3-dB耦合器的输出端口输出。其他的通过左边开环，再次进入掺铒光纤放大后作为新的泵光重新进入单模光纤。随着这个过程的级联，可以产生高阶布里渊斯托克斯光。最后利用布里渊-掺铒混合增益在激光腔中实现了多阶斯托克斯光振荡，通过改变布里渊泵浦波长可以实现波长的可调性。在这种半开放腔设计中，可以实现一种可调谐的多波长布里渊-掺铒随机激光。
在环形器的双通端口引入掺铒光纤线性增益，布里渊泵浦光通过3-dB耦合器注入到左边开环后，到达环形器B端口先放大后再被注入到长单模光纤中。单模光纤中由于受激布里渊散射产生的后向斯托克斯信号，在掺铒光纤中先放大，再进入左边半开环，部分输出后，再次通过环形器B端口进入掺铒光纤进行放大，再产生下一级受激布里渊散射。
有益效果：(1)本发明的所有器件均采用全光纤耦合方式，不受外界因素干扰，可连续稳定工作；(2)在环形器的双通端口引入掺铒光纤线性增益，布里渊泵浦光得到放大的同时，使得布里渊信号光得到双通放大，多次级联产生多阶布里渊波长；掺铒光纤采用双向泵浦，为布里渊信号提供足够增益，并和方向无关；(3)本发明的布里渊信号光获得更大增益，能产生更高阶的布里渊斯托克斯光；(4)多阶布里渊斯托克斯光间的功率差更小，可以产生平坦的多阶布里渊波长。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是具有18阶布里渊斯托克斯光的随机激光输出光谱；
图3是不同980nm掺铒光纤泵浦功率下的输出光谱；
图4是可调谐随机激光输出光谱；
图5是随机激光输出光谱波长稳定性。
具体实施方式
如图1所示，半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器包括两个泵浦源1、两个波分复用器2、掺铒光纤3、单模光纤4、第一隔离器5、环形器6、第二隔离器7、3-dB耦合器8、布里渊泵浦源9、光谱仪10。该随机激光器具有半开放腔结构，由左边开环部分和右边直线部分，两部分通过环形器6连接，其中环形器6具有A、B、C三个端口。
掺铒光纤3的两侧均设有泵浦源1和波分复用器2；泵浦源1的输出端与波分复用器2的输入端相连，波分复用器2的输出端与掺铒光纤3连接；掺铒光纤3一侧的波分复用器2的信号输入端与长距离单模光纤4的一端连接，长距离单模光纤4的另一端与第一隔离器5连接；掺铒光纤3另一侧的波分复用器2的信号输入端与环形器6的B端口连接；环形器6的A端口和C端口分别与第二隔离器7的输出端和3-dB耦合器8的第一输入端口连接；3-dB耦合器8的第二输入端口与布里渊泵浦源9的输出端连接，3-dB耦合器8的第三输出端口与第二隔离器7的输入端连接，3-dB耦合器8的第二输出端口与光谱仪10的输入端口连接。
作为单侧反馈的左边开环由一个用于布里渊泵注入和激光输出的3-dB耦合器8组成。采用调谐范围为710nm(970至1680nm)，输出功率范围为7.4dBm至12.4dBm的可调谐激光源作为布里渊泵浦源9。右边直线部分主要是一卷20km的单模光纤4(SMF)，作为布里渊增益介质，具有随机分布的瑞利反馈，最右端带有一个隔离器，以避免菲涅耳反射，确保稳定的随机激光输出。环形器6连接左开环(通过A和C端口)和右直线部分(通过B端口)。布里渊泵浦通过3dB耦合器后，50％的功率通过环形器6的A端口注入B端口。为了补偿较低的布里渊增益，与通常的布里渊掺铒激光器一样，1.3米长的掺铒光纤3由两个980nm激光二极管(LD)双向泵送，每个二极管的最大输出功率为500毫瓦，通过两个波分复用器2(WDM)耦合到掺铒光纤3中。分辨率为0.02nm的光谱分析仪(OSA、AQ-6370D)监测来自3-dB耦合器8输出端口的输出。
工作原理为：布里渊泵浦源9通过3dB耦合器8后，50％的功率通过环形器6的A端口注入B端口。利用两个980nm的激光二极管双向泵浦，将布里渊泵浦光在掺铒光纤3中放大，并在20km的SMF中向前传播。当布里渊泵浦光功率超过受激布里渊散射阈值时，产生一阶布里渊斯托克斯光，瑞利散射则提供随机分布反馈。后向传播的一阶斯托克斯波将由掺铒光纤3第一次放大，50％斯托克斯光从3-dB耦合器8的输出端口输出。其他的通过左边开环，再次进入掺铒光纤3放大后作为新的泵光重新进入单模光纤4。随着这个过程的级联，可以产生高阶布里渊斯托克斯光。最后利用布里渊-掺铒混合增益在激光腔中实现了多阶斯托克斯光振荡，通过改变布里渊泵浦波长可以实现波长的可调性。在这种半开放腔设计中，实现了一种可调谐的多波长布里渊-掺铒随机激光。
在环形器6的双通端口引入掺铒光纤3线性增益，布里渊泵浦光通过3-dB耦合器8注入到左边开环后，到达环形器6的B端口先放大后再被注入到长单模光纤4中。单模光纤4中由于受激布里渊散射产生的后向斯托克斯信号，在掺铒光纤3中先放大，再进入左边半开环，部分输出后，再次通过环形器6的B端口进入掺铒光纤3进行放大，再产生下一级受激布里渊散射。掺铒光纤3采用双向泵浦方式，使得反向和前向布里渊信号光均能得到有效放大。
图2是具有18阶布里渊斯托克斯光的随机激光输出光谱，前12阶布里渊斯托克斯光功率差小于3dB。图3是不同980nm掺铒光纤泵浦功率下的输出光谱，980nm泵浦功率较小时，只能产生很少阶的布里渊斯托克斯光，随着980nm泵浦功率增大，产生的布里渊斯托克斯光阶数逐渐增多。图4是可调谐随机激光输出光谱，无自激发腔模的随机激光调谐范围为35nm(1554nm-1589nm)。图5是随机激光输出光谱波长稳定性，在60分钟内每五分钟记录一次前12阶斯托克斯光的波长，每阶斯托克斯光都几乎没有波长漂移。

Claims (5)

1.一种半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、单模光纤(4)、第一隔离器(5)、环形器(6)、第二隔离器(7)、3-dB耦合器(8)、布里渊泵浦源(9)、光谱仪(10)；所述掺铒光纤(3)的两侧均设有泵浦源(1)和波分复用器(2)；
泵浦源(1)的输出端与波分复用器(2)的输入端连接，波分复用器(2)的输出端与掺铒光纤(3)连接；掺铒光纤(3)一侧的波分复用器(2)的信号输入端与单模光纤(4)的一端连接，单模光纤(4)的另一端与第一隔离器(5)连接；掺铒光纤(3)另一侧的波分复用器(2)的信号输入端与环形器(6)的B端口连接；
环形器(6)的A端口和C端口分别与第二隔离器(7)的输出端和3-dB耦合器(8)的第一输入端口连接；3-dB耦合器(8)的第二输入端口与布里渊泵浦源(9)的输出端连接，3-dB耦合器(8)的第一输出端口与第二隔离器(7)的输入端连接，3-dB耦合器(8)的第二输出端口与光谱仪(10)的输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器，其特征在于：所述单模光纤(4)的长度为20km。
3.根据权利要求1所述的半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器，其特征在于：所述布里渊泵浦源(9)是调谐范围为970nm至1680nm，输出功率范围为7.4dBm至12.4dBm的可调谐激光源。
4.根据权利要求1所述的半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器，其特征在于：所述掺铒光纤(3)的长度为1.3米。
5.根据权利要求1所述的半开腔多波长布里渊-掺铒光纤随机激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为980nm的激光二极管。
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