CN110212398A - 一种基于多模干涉效应的宽可调谐的单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多模干涉效应的宽可调谐的单频光纤激光器，所述激光器包括：高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤、低反射率啁啾光纤光栅、泵浦源、光隔离器、光环形器、光纤标准具和SMS光纤结构装置；高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅依次连接，构成短线型谐振腔部分；光环形器、光纤标准具和SMS光纤结构装置形成环形腔，应力加载器固定在SMS光纤结构装置的上面，通过加载应力于SMS光纤结构装置来改变其透过波长和实现其可调谐滤波，最终实现功率稳定、宽调谐范围的单频光纤激光输出。该激光器结合复合腔的结构优势，具有全光纤化结构、波长调谐范围宽等优点，可广泛应用于光通信、传感、光谱学等领域。

Description

一种基于多模干涉效应的宽可调谐的单频光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于多模干涉效应的宽可调谐范围的单频光纤激光器。
背景技术
可调谐单频光纤激光器是一种非常重要的激光光源，在光通信、传感、光谱学等领域有着重要的应用价值。一般调谐的原理是通过某些器件改变透过波长来实现激光器输出波长的改变。目前常用的调谐器件如体光栅、双折射滤光片、电光晶体、法布里－珀罗(F-P)标准具等，通过在线型腔、环形腔或复合腔中插入这类调谐器件来实现可调谐单频激光输出。但是这些方式都存在打破全光纤化结构、体积较大且需要空间对准、成本高等缺点。此外，还会出现容易跳变为多纵模、调谐范围不连续、可靠性差等问题。因此，亟需一种低损耗、全光纤化、结构紧凑、易于和光纤耦合的可调谐方式，从而实现高可靠性、宽调谐范围的单频光纤激光输出。
相关专利有：(1)2015年，华南理工大学申请了相干光正交频分复用系统用的宽可调谐单频光纤激光光源，通过在线型谐振腔外的环形腔里面插入可调谐F-P滤波器，实现宽可调谐单频光纤激光器[公开号：CN 105428973 A]，但该专利所用的可调谐滤波器成本较高，且调谐带宽和精度受限于滤波器件本身。(2)2017年，福建海创光电有限公司申请了一种可调谐激光器，通过改变F-P标准具的角度，来实现透过波长的改变，实现操作快捷的可调谐激光器[公开号：CN 206611012 U]，但该专利并非光纤激光器，准直工作较为困难，且并非单频激光输出特性。(3)2018年，南京邮电大学申请了一种可调谐光纤激光器，通过在单模光纤和特种光纤之间熔接出单模光纤小球和特种光纤小球，形成花生结结构，实现选模和热可调谐全光纤激光器[公开号：CN 208045931 U]，但该专利并非单频激光输出特性，且操作起来较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，公开了一种基于多模干涉效应的宽可调谐单频光纤激光器。本发明采用复合腔结合自注入锁定结构。利用高、低反射率啁啾光纤光栅和厘米量级高增益光纤构成短线性谐振腔部分，光环形器、光纤标准具和SMS光纤结构装置形成环形腔，应力加载器固定在SMS光纤结构装置的上面。高增益光纤在泵浦源的抽运作用和光纤光栅的选频作用下，谐振腔首先实现宽光谱激光输出；一部分宽光谱激光进入环形腔中，一方面利用光纤标准具产生梳状谱型的激光，另一方面通过加载应力于SMS光纤结构装置，对多模光纤施加拉伸、压缩、弯曲、扭转等形变，通过改变多个横模之间的干涉，改变其透过波长和实现其可调谐滤波，选出单一波长激光；然后注入返回谐振腔中，抑制其它波长的振荡，并压窄线宽，形成单一纵模(单频)激光，最终实现功率稳定、宽调谐范围的单频光纤激光输出。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于多模干涉效应的宽可调谐单频光纤激光器，包括高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤、低反射率啁啾光纤光栅、泵浦源、光波分复用器、光耦合器、光隔离器、光环形器、光纤标准具、SMS光纤结构装置和应力加载器；其中，高增益光纤的一端与高反射率啁啾光纤光栅的一端连接，高增益光纤的另一端与低反射率啁啾光纤光栅的一端连接，三者构成短线型谐振腔部分；光波分复用器的泵浦端与泵浦源的尾纤连接，光波分复用器的公共端与低反射率啁啾光纤光栅的另一端连接，光波分复用器的信号端与光耦合器的输入端连接，光耦合器的大输出端口与光环形器的a端口连接，光环形器的b端口与光纤标准具输入端连接，光纤标准具输出端与SMS光纤结构装置的一端连接，SMS光纤结构装置的另一端与光环形器的c端口连接，应力加载器固定在SMS光纤结构装置的上面，光耦合器的小输出端口与光隔离器的输入端连接，最终谐振腔所产生的光纤激光经光隔离器的输出端口输出；其中由光环形器、光纤标准具和SMS光纤结构装置构成环形腔部分，以自注入锁定的形式与短线型谐振腔构成复合腔结构。
进一步的，所述高反射率啁啾光纤光栅对泵浦光波长的透射率大于80％，而对信号光波长的反射率大于80％，其反射谱3dB带宽为1～200nm；低反射率啁啾光纤光栅对信号光的反射率为5～75％，其反射谱3dB带宽为1～200nm。
进一步的，所述高增益光纤为高掺杂稀土发光离子的光纤，单位长度增益大于1dB/cm；其离子类型包括Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Dy3+的单掺、双掺和多掺。
进一步的，所述泵浦源是固体激光器、半导体激光器或者光纤激光器，其泵浦波长范围700～2000nm。
进一步的，所述光耦合器的小输出端口和大输出端口的分光比为1/99～50/50。
进一步的，所述光纤标准具的自由光谱范围为20～10000GHz，3dB透射带宽小于10GHz。
进一步的，所述光纤标准具为其中一个或者多个光纤标准具的级联形式。
进一步的，所述SMS光纤结构装置是通过在两单模光纤之间熔接一多模光纤所构成；多模光纤的纤芯直径为50～2000μm，包层直径为100～2500μm，长度为0.01～500cm。
进一步的，所述SMS光纤结构装置为一根或者多根多模光纤级联的形式。
进一步的，所述的应力加载器是固定在SMS光纤结构装置中的多模光纤上面，应力加载器为一个或者多个。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅依次连接，构成短线型谐振腔部分；光环形器、光纤标准具和SMS光纤结构装置形成环形腔，应力加载器固定在SMS光纤结构装置的上面。高增益光纤在泵浦源的抽运作用和光纤光栅的选频作用下，谐振腔首先实现宽光谱激光输出；一部分宽光谱激光进入环形腔中，一方面利用光纤标准具产生梳状谱型的激光，另一方面通过加载应力于SMS光纤结构装置，对多模光纤施加拉伸、压缩、弯曲、扭转等形变，通过改变多个横模之间的干涉，来改变其透过波长和实现其可调谐滤波，选出单一波长激光；然后注入返回谐振腔中，抑制其它波长的振荡，并压窄线宽，形成单一纵模(单频)激光，最终实现功率稳定、宽调谐范围的单频光纤激光输出。该激光器结合复合腔的结构优势，具有全光纤化结构、波长调谐范围宽等优点，可广泛应用于光通信、传感、光谱学等领域。
附图说明
图1为应力加载器对多模光纤施加应力产生拉伸形变的示意图；
图2为应力加载器对多模光纤施加应力产生压缩形变的示意图；
图3为应力加载器对多模光纤施加应力产生弯曲形变的示意图；
图4为应力加载器对多模光纤施加应力产生扭转形变的示意图；
图5为本发明的基于多模干涉效应的宽可调谐单频光纤激光器的原理示意图；
图中：1-高反射率啁啾光纤光栅、2-高增益光纤、3-低反射率啁啾光纤光栅、4-泵浦源、5-光波分复用器、6-光耦合器、7-光隔离器、8-光环形器、9-光纤标准具、10-SMS光纤结构装置、11-应力加载器。
具体实施方式
下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
本发明实施例中应力加载器对多模光纤施加应力产生形变有不同的方式。如图1～4所示，其施加应力的方向和多模光纤的长度方向一致，产生拉伸形变(图1)；或者其施加应力的方向和多模光纤的长度方向垂直，产生压缩形变(图2)；或者其施加应力使得多模光纤两端相互靠近，产生弯曲形变(图3)；或者其施加应力使得多模光纤旋转，产生扭转形变(图4)。
如图5所示，为本发明实施例中的基于多模干涉效应的宽可调谐单频光纤激光器原理示意图，包括高反射率啁啾光纤光栅1、高增益光纤2、低反射率啁啾光纤光栅3、泵浦源4、光波分复用器5、光耦合器6、光隔离器7、光环形器8、光纤标准具9、SMS光纤结构装置10和应力加载器11。其中，高增益光纤2的一端与高反射率啁啾光纤光栅1的一端连接，高增益光纤2的另一端与低反射率啁啾光纤光栅3的一端连接，三者一起构成短线型谐振腔部分；光波分复用器5的泵浦端与泵浦源4的尾纤连接，光波分复用器5的公共端与低反射率啁啾光纤光栅3的另一端连接，光波分复用器5的信号端与光耦合器6的输入端连接，光耦合器6的大输出端口与光环形器8的a端口连接，光环形器8的b端口与光纤标准具9输入端连接，光纤标准具9输出端与SMS光纤结构装置10的一端连接，SMS光纤结构装置10的另一端与光环形器8的c端口连接，应力加载器11固定在SMS光纤结构装置10的上面，光耦合器6的小输出端口与光隔离器7的输入端连接。最终谐振腔所产生的光纤激光经光隔离器7的输出端口输出。其中由光环形器8、光纤标准具9和SMS光纤结构装置10构成环形腔部分，以自注入锁定的形式与短线型谐振腔一起构成复合腔结构。
实施例1
本实施例的高反射率啁啾光纤光栅1的工作波长为1525～1565nm，其反射谱3dB带宽为40nm，其中心波长反射率为99.9％，对泵浦光的透射率为99.9％。本例的低反射率啁啾光纤光栅3的工作波长为1525～1565nm，其反射谱3dB带宽为40nm，其中心波长反射率为60％。高反射率啁啾光纤光栅1和低反射率啁啾光纤光栅3组成一个具有宽光谱范围选择及滤波作用的功能模块。本例使用的高增益光纤2为高掺杂Er3+光纤。其中，高反射率啁啾光纤光栅1的一端、高增益光纤2的两端和低反射率啁啾光纤光栅3的一端，三者之间研磨抛光各自端面后通过紧密对接耦合。本例使用的泵浦源4是980nm单模半导体激光器。本例使用光耦合器6的分光比为5/95。本例使用的光纤标准具9为光纤法布里-帕罗(F-P)标准具，其自由光谱范围为100GHz，3dB透射带宽为0.5GHz，工作波长范围为1520～1570nm。本例使用的SMS光纤结构装置10通过熔接级联三根纤芯直径为105μm、包层直径为125μm、5cm长的多模光纤，并在三根多模光纤上面分别各自粘贴一个PZT构成应力加载器11，三个PZT同步施加应力的方向和多模光纤的长度方向垂直，使多模光纤产生压缩形变。本例中使用的三个PZT的输入电压范围均为0～150V，其形变能力为3.5μm/100V。
本实施例采用1550nm波段作为例子，由泵浦源4产生的泵浦光通过光波分复用器5的泵浦端，从低反射率啁啾光纤光栅3输入，泵浦光不断抽运高增益光纤中的高掺杂稀土发光离子，使其达到粒子数反转状态，结合高、低反射率啁啾光纤光栅(腔镜)的作用，受激发射产生宽光谱输出。输出激光经过5：95的光耦合器6后，95％的输出依次经过光环形器的a端口、b端口，然后进入到光纤F-P标准具中，产生梳状谱型的激光输出，接着通过起滤波作用的SMS光纤结构装置，使得梳状激光中只透过单一波长的激光，再依次经过光环形器的c端口、a端口和光耦合器6返回到谐振腔中，通过增强单波长振荡，抑制其它波长振荡，并压窄线宽，形成单一纵模(单频)激光，并依次通过光波分复用器5、光耦合器6的5％输出端口和光隔离器7输出单频光纤激光。
然后，通过同步改变三个PZT的工作电压，使PZT产生压缩形变而对SMS光纤结构装置内的多模光纤施加压缩形变，使得多模光纤的透过波长发生变化，波长的变化范围在1520～1570nm内，例如1533.2nm、1545.2nm、1559.6nm、1562.0nm等等，接着通过注入方式返回到谐振腔中，抑制其它波长的振荡并压窄线宽，最终实现功率稳定、1525～1565nm之间(宽调谐范围)自由调谐的单频光纤激光输出。
实施例2
本实施例的高反射率啁啾光纤光栅1的工作波长为1850～2000nm，其反射谱3dB带宽为150nm，其中心波长反射率为99.9％，对泵浦光的透射率为99.9％。本例的低反射率啁啾光纤光栅3的工作波长为1850～2000nm，其反射谱3dB带宽为150nm，其中心波长反射率为60％。高反射率啁啾光纤光栅1和低反射率啁啾光纤光栅3组成一个具有宽光谱范围选择及滤波作用的功能模块。本例使用的高增益光纤2为高掺杂Tm3+光纤。其中，高反射率啁啾光纤光栅1的一端、高增益光纤2的两端和低反射率啁啾光纤光栅3的一端，三者之间研磨抛光各自端面后通过紧密对接耦合。本例使用的泵浦源4是793nm单模半导体激光器。本例使用光耦合器6的分光比为5/95。本例使用的光纤标准具9为光纤F-P标准具，其自由光谱范围为100GHz，3dB透射带宽为0.5GHz，工作波长范围为1850～2000nm。本例使用的SMS光纤结构装置10通过熔接级联的两根纤芯直径为105μm、包层直径为125μm、5cm长的多模光纤，并在两根多模光纤上面分别各自加载光纤位移台构成应力加载器11，两个光纤位移台同步施加应力使得多模光纤两端相互靠近，产生弯曲形变。本例使用的两个光纤位移台的可变长度均为20cm。
本实施例采用1950nm波段作为例子，由泵浦源产生的泵浦光通过光波分复用器的泵浦端，从低反射率啁啾光纤光栅输入，泵浦光不断抽运高增益光纤中的高掺杂稀土发光离子，使其达到粒子数反转，结合高、低反射率啁啾光纤光栅(腔镜)的作用，受激发射产生宽光谱输出。输出激光经过5:95的光耦合器后，95％的输出依次经过光环形器的a端口、b端口，然后进入到光纤F-P标准具中，产生梳状谱型的激光输出，接着通过起滤波作用的SMS光纤结构装置，使得梳状激光中只透过单一波长的激光，再依次经过光环形器的c端口、a端口和光耦合器返回到谐振腔中，通过增强单波长振荡，抑制其它波长振荡，并压窄线宽，产生单一纵模(单频)激光，并依次通过光波分复用器、光耦合器的5％输出端口和光隔离器输出单频光纤激光。
然后，通过同步移动两个光纤位移台的可动端，缩小光纤位移台的固定端与可动端的距离，缩小距离为0～1mm，对SMS光纤结构装置内的多模光纤施加弯曲形变，使得多模光纤的透过波长发生变化，波长的变化范围在1850～2000nm内，例如1860.5nm、1902.4nm、1950.1nm、1980.2nm等等，接着通过注入方式返回到谐振腔中，抑制其它波长的振荡并压窄线宽，最终实现功率稳定、1850～2000nm之间(宽调谐范围)自由调谐的单频光纤激光输出。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多模干涉效应的宽可调谐的单频光纤激光器，其特征在于，包括高反射率啁啾光纤光栅（1）、高增益光纤（2）、低反射率啁啾光纤光栅（3）、泵浦源（4）、光波分复用器（5）、光耦合器（6）、光隔离器（7）、光环形器（8）、光纤标准具（9）、SMS光纤结构装置（10）和应力加载器（11）；其中，高增益光纤（2）的一端与高反射率啁啾光纤光栅（1）的一端连接，高增益光纤（2）的另一端与低反射率啁啾光纤光栅（3）的一端连接，三者构成短线型谐振腔部分；光波分复用器（5）的泵浦端与泵浦源（4）的尾纤连接，光波分复用器（5）的公共端与低反射率啁啾光纤光栅（3）的另一端连接，光波分复用器（5）的信号端与光耦合器（6）的输入端连接，光耦合器（6）的大输出端口与光环形器（8）的a端口连接，光环形器（8）的b端口与光纤标准具（9）输入端连接，光纤标准具（9）输出端与SMS光纤结构装置（10）的一端连接，SMS光纤结构装置（10）的另一端与光环形器（8）的c端口连接，应力加载器（11）固定在SMS光纤结构装置（10）的上面，光耦合器（6）的小输出端口与光隔离器（7）的输入端连接，最终谐振腔所产生的光纤激光经光隔离器（7）的输出端口输出；其中由光环形器（8）、光纤标准具（9）和SMS光纤结构装置（10）构成环形腔部分，以自注入锁定的形式与短线型谐振腔构成复合腔结构。
2.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述高反射率啁啾光纤光栅（1）对泵浦光波长的透射率大于80%，而对信号光波长的反射率大于80%，且反射谱3dB带宽为1~200nm；低反射率啁啾光纤光栅（3）对信号光的反射率为5~75%，且反射谱3dB带宽为1~200nm。
3.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（2）为高掺杂稀土发光离子的光纤，单位长度增益大于1 dB/cm；其离子类型包括Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Dy3+的单掺、双掺和多掺。
4.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源（4）是固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，且泵浦波长范围700~2000nm。
5.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述光耦合器（6）的小输出端口和大输出端口的分光比为1/99~50/50。
6.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述光纤标准具（9）的自由光谱范围为20~10000GHz，3dB透射带宽小于10GHz。
7.如权利要求6所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述光纤标准具（9）为一个或者多个光纤标准具的级联形式。
8.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述SMS光纤结构装置（10）是通过在两根单模光纤之间熔接一根多模光纤所构成；多模光纤的纤芯直径为50~2000μm，包层直径为100~2500μm，长度为0.01~500cm。
9.如权利要求8所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述SMS光纤结构装置（10）为一根或多根多模光纤级联的形式。
10.如权利要求1所述的宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于：所述应力加载器（11）是固定在SMS光纤结构装置（10）的多模光纤的上面，应力加载器（11）为一个或者多个。
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