CN110416865A - 一种多芯多稀土掺杂超宽带光梳光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯多稀土掺杂超宽带光梳光源。本发明的光梳光源由输出梳状光源的单模光纤、波长分插复用器、多模泵浦分支、多模耦合器、多芯扇入合束器和多芯多稀土掺杂双包层光纤和多芯光纤光栅组成，其中掺杂的稀土离子发射谱覆盖O、E、S、C、L五个带。由多芯光纤纤芯中掺杂的相同稀土离子在泵浦时产生的发射谱，到达多芯光纤光栅刻写多个等间距窄带反射谱线，再次经过纤芯稀土离子放大，因谱线竞争而使光谱增益和信噪比进一步增强，得到一个超宽带高增益高信噪比和疏密间隔均匀的光梳光源。

Description

一种多芯多稀土掺杂超宽带光梳光源

(一)技术领域

本发明涉及中、短距离，大容量通信和光纤传感用的光纤光梳光源。

(二)背景技术

短距离，大容量通信传统上都是多模通信。对于汽车和机器控制的通信场合，其基本控制在50米以内。这种场合非常容易满足，例如采用塑料光纤和普通光源组成的通信系统，带宽在100MHz以内。

对于数据中心和船舶等略微扩展的场合，其基本控制在500米以内。这种场合也比较容易满足，例如材料梯度渐变型多模光纤，配合LED或VECSEL激光器，带宽在10GHz以内。

对于多数场景，通信距离在1000m到10km以内，带宽要求较高的情形，通常的通信系统较难满足要求。现有的单模光纤系统在这个长度范围内基本无需放大器支持。粗波分复用系统(CWDM，波长间距>10nm)作为一种低成本、技术成熟的通信技术，其在传统通信的领域一直在应用，但是也受制于成本下降的难度，相对多模光纤的价格还是昂贵很多。主要原因还是DFB激光器的价格昂贵。

多模的并行通信和波分复用系统近年来已经开始流行。例如8根多模光纤配合8个VECSEL激光器的并行通信模块；或是采用OM5多模光纤配合4个波长的VECSEL激光器搭建的中、短距离波分复用通信系统。但是其通信带宽还是很难突破粗波分复用系统(CWDM)的10km和100GHz的性能。

多芯光纤近年来已经研究多年，作为空分复用技术，其是单模通道，理论带宽可以达到1000THz*N芯的性能。例如最新报道22芯光纤可以实现2.15Pbit/s的信号，这个带宽对未来的通信系统扩容带来了极大的想象空间。

多芯掺杂光纤作为一种新的特种光纤，其在光纤通信和光纤传感领域的研究已经越来越多了。

专利201610862707.2公开了一种基于光源阵列的梳状谱信号产生装置，包括：光源阵列、波分复用器、电光调制器、光纤光栅滤波器、光电探测器和微波功分器；光源阵列产生不同波长的多束激光；波分复用器对不同波长的多束激光进行光合路；电光调制器对光合路后的激光进行相位调制，生成光载波；光纤光栅滤波器对光载波进行滤波，并将滤波后的光载波通过长距离光纤传输至光电探测器；光电探测器对滤波后的光载波进行光电转换，生成微波信号；微波功分器将微波信号进行功分，功分后的一路信号反馈至电光调制器形成正反馈环路，功分后的另一路信号作为产生的梳状谱信号。该专利描述了光源阵列配合器件产生梳状光源，但是其并非在多芯光纤中产生，没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利200510060672.2公开了的光纤拉曼放大受激布里渊散射梳状光源，包括半导体激光器，第一光隔离器，单模光纤，泵浦－信号光纤波分复用器，泵浦光纤激光器和第二光隔离器，半导体激光器的输出端与第一个隔离器的输入端相连，第一个隔离器的输出端与单模光纤的输入端相连，单模光纤的输出端与泵浦－信号光纤波分复用器的一端相连，泵浦－信号光纤波分复用器的另一端分二路，分别与泵浦光纤激光器和与第二光隔离器相连。该梳状光源结构简单，耦合效率高，利用光纤中的非线性级联的受激布里渊散射效应，所产生的梳状光源频移约为11GHz，间隔均匀稳定。该专利描述了采用泵浦激光在常规光纤里利用非线性效应产生梳状光源，但是其并非在多芯光纤中产生，没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利201510261359.9公开了一种产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，包括：宽谱段光源，其用于发出连续光谱的光；准直装置，其对准宽谱段光源设置，用于准直耦合进宽谱段光源发出的光；法布里佩罗标准具，其对准准直装置设置，以使从准直装置平行入射的光发生等倾干涉，并滤出满足透射条件的多个等频率间隔的不同波长的窄带光；聚焦镜，其对准法布里佩罗标准具设置，以将窄带光汇聚至聚焦镜的出射小孔，形成光谱成分为窄带的梳状光。其采用FP标准具从宽谱光源里选出满足条件的多个等间隔的窄带光。这种光梳是利用FP标准具的滤波原理得到，并非在多芯光纤中产生，没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利201711486193.6公开了一种用于分布式拉曼测温系统的光纤多波长脉冲光源，包括：梳状多波长光源，包括顺次连接的宽谱光源、第一带通滤波器和标准具；第一级放大器，包括顺次连接的第一波分复用器、第一掺饵光纤，以及980泵浦；第二级放大器，包括顺次连接的第二波分复用器、第一隔离器和半导体光放大器，该第二级放大器还包括同步时钟驱动；第一整形器，包括顺次连接的第二隔离器和第二带通滤波器；第三级放大器，包括依次连接的第三波分复用器和第二掺饵光纤；第二整形器，包括第三隔离器和第三带通滤波器。这种光梳是利用带通滤波器和FP标准具的滤波原理得到，并非在多芯光纤中产生，没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利201410320494.1提供了一种可调谐多波长掺铒光纤激光器及其方法，其包括：可调谐泵浦光源、掺铒光纤、偏振控制器、光隔离器、可调谐梳状滤波器、非线性光纤环镜和输出耦合器。通过调节M-Z干涉滤波器的入射光偏振态，实现不同波长间隔的切换和波峰位置在单个波长间隔内的调谐；通过调节非线性光纤环镜的工作状态，实现波长数目和光谱范围的调节；通过调节泵浦功率，实现准确的波长数目的控制。这种光梳是利用可调谐梳状滤波器在掺铒光纤的发射谱中选频选出来的，但是并非在多芯光纤中产生，也没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利201310728225.4公开了一种气体共轭干涉式滤波器，它包括带尾纤的前准直器和后准直器，以及气体标准具；所述前准直器、气体标准具和后准直器依次共轴设置；所述气体标准具由沿光轴平行设置的吸收气室和参考气室构成，针对待测气体，吸收气室内充有相应的吸收气体，参考气室内充有相应的非吸收气体；宽带光源发出的光经前准直器准直后进入气体标准具，通过设置吸收气室和参考气室的参数差，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱。这种方法并非在多芯光纤中产生，也没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源。

专利201010229561.0公开了一种多级联光纤光栅滤波器，主要由输入光纤、输出光纤和多级联光纤光栅组成，输入光纤的第一端接入信号光源，输入光纤的第二端与多级联光纤光栅的首端相连接，多级联光纤光栅的尾端与输出光纤的第一端相连接，输出光纤的第二端输出信号光源，多级联光纤光栅主要由多个中心周期不同的光纤光栅组首尾串联连接构成，光纤光栅组主要由多个中心周期相同的单元光栅首尾串联连接构成，实现了超宽带可调谐的梳状滤波。该专利主要是多个光栅级联，在一根单模光纤中逐次反射不同的光谱构成梳状光源，并非在多芯光纤中产生，也没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源

专利201810228793.0提供了一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法，涉及光纤传感器技术领域。所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层。所述多个纤芯外包裹着所述包层。所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。该专利主要提供多芯光纤中写光纤光栅的方法，没有揭示利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源的方法。

专利201780023050.3公开了制作具有改善的纹波特性的FBG的MCF等。MCF主要由石英玻璃组成，并包括共同包层和多个导光结构。每个导光结构包括芯部、第一包层和第二包层。第二包层的折射率高于第一包层的折射率，并且低于芯部的折射率和共同包层的折射率。由第一包层和第二包层构成的内包层区域的至少一部分包含感光材料，感光材料具有响应于具有特定波长的光的照射而改变掺杂有感光材料的玻璃区域的折射率的感光性。该专利主要提供多芯光纤中写光纤光栅的方法，没有揭示利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源的方法。

实用新型专利201520912559.1公开了一种多芯光纤激光器，包括多芯N×1光纤泵浦耦合器，所述多芯N×1光纤泵浦耦合器的输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接有多芯高反光纤光栅、多芯有源光纤和多芯低反光纤光栅，由N×1光纤泵浦耦合器1耦合进入多芯光纤中的泵浦光经多芯高反光纤光栅注入多芯有源光纤中，在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅的作用下在每个纤芯中形成激光激射，最终透过多芯低反光纤光栅输出。本实用新型只在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅分别与多芯有源光纤熔接时需要纤芯完全对准，多芯N×1光纤泵浦耦合器与多芯高反光纤光栅熔接时无需纤芯对准，降低了多芯光纤激光器的制作难度，提高了多芯光纤激光器系统的稳定性。该专利描述的方法是熔接多芯的反射光栅，这些光栅波长相同，形成的是窄线宽的激光输出，没有光梳的多频率。没有描述掺杂稀土情况，也没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源的方法。

实用新型专利201420270129.X涉及一种高功率多芯光纤激光器，由种子源、模式匹配器、放大器、光纤传输系统组成，所述的种子源由(N+1)x1耦合器与参杂光纤、两个光纤光栅组成，(N+1)x1耦合器的输出端依次连接一光纤光栅、参杂光纤、另一光纤光栅，所述的模式匹配器由种子源的输出光纤与多芯光纤组成，所述的放大器由多芯(N+1)x1耦合器与多芯参杂光纤组成，模式匹配器的多芯光纤与多芯(N+1)x1耦合器输入端相连，多芯(N+1)x1耦合器的输出端与多芯参杂光纤相连，多芯参杂光纤输出端切平或拉锥切平与端帽熔接成光纤传输系统输出激光。该专利描述的方法是多个激光器熔接多芯的耦合器，最后所有的多个激光器通过这个多芯的耦合器输出全部高能量的激光。该专利主要是能量转换，没有描述利用掺杂稀土光纤的谱线竞争机制产生梳状光源的方法。

综上所述，为了产生一种梳状光谱，前人利用了FP标准具，吸收气体标准具，级联的光纤光栅等方案，但是在多芯光纤中利用多种稀土掺杂，利用稀土增益的谱线竞争机制得到一个超宽带的梳状光谱还是研究空白。

(三)发明内容

中短距离光纤通信基本采用单模光纤，主要利用单模光纤的超大带宽和超低损耗。目前市场上的单模光纤基本上是无水峰的光纤，其单模低损耗窗口从1260nm一直扩展到1650nm，其中通信带宽超过1000THz。通信光源主要采用DFB激光器，每个波长必须使用一枚激光器。但是在测试和粗波分复用，可以采用梳状光源。本发明主要是揭示如何采用多芯光纤构建一个超宽带的梳状光源。

本发明的多芯掺杂稀土光纤制造方面，首先采用MCVD工艺制备将掺杂稀土光纤，完成后测试预制棒折射率和稀土离子浓度。预制棒外径进行打磨加工，以达到设计的纤芯的间距。将多种不同稀土掺杂预制棒进行堆叠后，放进纯石英套管(折射率为1.4571)内，间隙处填充石英玻璃丝。将做好的预制棒安装在拉丝塔上进行拉丝，涂覆材料改成低折射率涂料(折射率小于1.40)，采用光固化工艺，制得双包层多稀土掺杂多芯光纤。这些稀土元素包括Yb³⁺，Nd³⁺，Er³⁺，Tm³⁺，Dy³⁺,Pr³⁺,Bi³⁺等。每根多芯掺杂稀土光纤预制棒只掺杂一种主发射离子。

多个泵浦源包括976nm多模泵浦，830nm多模泵浦，1240nm多模泵浦，1017nm多模泵浦等。用合束器将多个泵浦激光能量合束到一根多芯掺杂稀土双包层光纤，多模泵浦激光器价格便宜，功率较大，因此采用此方案有利于综合降低光源成本。此光纤与双包层掺杂稀土多芯光纤进行熔接，熔接处后涂覆低折射率涂料。此时，能量经过包层界面多次反射被多个纤芯吸收。由于采用本设计的纤芯间距较小且密集，光纤纤芯和泵浦的能量耦合截面非常大，故泵浦效率较普通单个纤芯的双包层光纤的吸收系数更大，这样有利于稀土发射谱的展宽。普通的双包层光纤通常需要将石英包层加工成非对称形状以便加大泵浦吸收，但是本发明因为采用密集纤芯的排列设计，本身就可以实现泵浦的强烈吸收，因此，无需采用石英包层的机械打磨加工。采用本发明的设计也降低了制作难度与成本。

多芯掺杂稀土双包层光纤远离泵浦端采用飞秒激光器逐个纤芯写入布拉格光栅。写光栅的飞秒激光器的脉冲非常短，但是峰值功率非常高，总能量较小。飞秒激光器这个特性使得其可以无需剥除光纤涂层情况下进行直接光栅刻写。采用光学聚焦方法，将飞秒激光器的脉冲聚焦在每个纤芯上，可以实现对每个纤芯的光栅刻写。飞秒激光器的波长是800nm，脉冲宽度为20～60fs，重复频率为1～10KHz。将多芯掺杂稀土双包层光纤安装在带电驱动导轨上，导轨上安装有三轴微调制架。逐步调节光纤位置，对准聚焦纤芯。采用扇入耦合器做为泵浦激光输入端，通过分插复用器后在单模输出光纤上接光谱仪，可以做到在线监控刻写波长和反射率。先进行尝试写入光栅，根据监控反射波长信息再进入调整。每个纤芯刻写的光栅波长是经过设计好的等间隔波长，反射率大于97％，反射谱的3dB带宽小于0.1nm。多芯光纤光栅设计必须与分插复用器的波长匹配，这样才能实现光梳的输出。

采用这种方法，多芯掺杂稀土双包层光纤每一个纤芯的稀土离子在泵浦光作用下产生自发辐射，经过写在每个纤芯尾端的布拉格光栅反射回来一个窄谱，再次经过受激辐射放大后反向输出。由于谱线竞争，会使得反射回来谱线的强度和信噪比都大大增强。同时，为防止光纤末端的端面反射，我们将光纤末端做一个8°斜切处理。而且，我们将光纤末端贴在涂有黑色散热的热沉上，使得多余的泵浦能量转化为热量通过热沉带走，可以增加光源寿命，光纤不易被破坏。

多芯掺杂稀土双包层光纤的纤芯掺杂的可以是相同稀土元素，其自发辐射光谱相同，但是每个纤芯刻写的光栅波长是等差的，因此，最终反射回来的谱线也是等差的。这样，我们会得到疏密相同的梳状光谱。

从多芯多稀土掺杂双包层光纤每一个纤芯反射回来的光经过扇入耦合器连接的每一个分支从输入端取出。这样，N个纤芯的光谱经过N芯的扇入耦合器前面连接的N个分支取出。N个分支再连接一个波长分插复用器，从单根单模光纤中输出梳状光谱。本发明设计的多芯光纤需要考虑串扰的问题，测试的串扰值为-50dB/100m，主要是防止受激放大时的波长竞争导致增益平坦性和信噪比等劣化。通过本发明可以在一根多芯掺杂稀土双包层光纤中产生梳状光谱。

多芯光纤可以设计成7芯到37芯之间的任意值，其中掺杂的稀土离子发射谱覆盖O、E、S、C、L五个带。不同多芯多稀土掺杂双包层光纤在泵浦时产生覆盖O、E、S、C、L的发射谱，到达多芯光纤光栅形成反射多个窄带等距梳状光谱，再次经过纤芯稀土离子放大，因谱线竞争而使光谱增益和信噪比进一步增强，最终可得到超宽带高增益高信噪比和疏密间隔均匀的光梳光源。

光梳光源是光纤通信、光纤传感和测量上的一个重要工具。其波长等间隔，大信噪比和高增益特性使得这种光源应用广泛。本发明的梳状光源由输出的单模光纤、波长分插复用器、多模泵浦分支、多模耦合器、多芯扇入合束器和多芯多稀土掺杂双包层光纤和多芯光纤光栅组成，其中掺杂的稀土离子发射谱覆盖O、E、S、C、L五个带。本发明揭示的方法产生这种光源集成度高，稳定性好，非常适合于通信和传感应用。

(四)附图说明

图1是22芯掺杂稀土双包层光纤示意图；

图2是32芯掺杂稀土双包层光纤示意图；

图3是在多芯光纤中产生梳状光源的方案示意图。1是输出梳状光源单模光纤；2是多个谱线的分插复用器；3是多模泵浦分支；4是多模耦合器；5是多芯扇入合束器；6是多芯光纤，下面是切开的剖面示意图；7是多芯光纤光栅，每个纤芯上写入一个设定波长的光栅；

图4是O带的光梳光谱,从1310nm开始有7根谱线；

图5是C带的光梳光谱；从1530nm开始有32根谱线；

图6是L带的光梳光谱；从1565nm开始有22根谱线。

(五)具体实施方式

以下进一步详细说明的实施例。

在7芯掺杂镨离子双包层光纤中，在7个纤芯分别刻写7个波长的光栅，这些波长分别是1310nm，1312nm，1314nm，1316nm，1318nm，1320nm，1322nm；在多模耦合器的泵浦分支上连接1017nm多模泵浦，最后在分插复用器后的单模光纤上得到图4所示的7阶梳状光谱。

在32芯掺杂铒离子双包层光纤中，在32个纤芯分别刻写32个波长的光栅，这些波长分别是1530nm，1530.938nm，1531.875nm，……，1556.25nm，1557.188nm，1558.125nm，1559.063nm，1560nm；在多模耦合器的泵浦分支上连接976nm多模泵浦，最后在分插复用器后的单模光纤上得到图5所示的32阶梳状光谱。

在22芯掺杂铒离子双包层光纤中，在22个纤芯分别刻写22个波长的光栅，这些波长分别是1565nm，1566.364nm，1567.728nm……，1592.28nm，1593.644nm，1595.008nm；在多模耦合器的泵浦分支上连接976nm多模泵浦，最后在分插复用器后的单模光纤上得到图6所示的22阶梳状光谱。

以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物所限。

Claims (6)

1.一种多芯多稀土掺杂超宽带光梳光源，由输出梳状光源的单模光纤、波长分插复用器、多模泵浦分支、多模耦合器、多芯扇入合束器和多芯多稀土掺杂双包层光纤和多芯光纤光栅组成，其中掺杂的稀土离子发射谱覆盖O、E、S、C、L五个带。

2.如权利要求1所述的多芯多稀土掺杂双包层光纤，其特征在于：每根多芯掺杂稀土光纤预制棒只掺杂一种主发射离子，这些主发射离子可以是Yb³⁺，Nd³⁺，Er³⁺，Tm³⁺，Dy³⁺,Pr³⁺,Bi³⁺等。

3.按权利要求1所述的多芯多稀土掺杂双包层光纤，其特征在于：在光纤尾端每个纤芯上用飞秒激光器写入等波长间隔的光栅。

4.按权利要求1所述的多芯光纤光栅，其特征在于：多芯光纤光栅设计必须与分插复用器的波长匹配。

5.按权利要求1所述的多芯多稀土掺杂双包层光纤，其特征在于：多芯光纤可以设计成7芯到37芯之间的任意值。

6.按权利要求1所述的超宽带光梳光源，其特征在于：该光源的谱线范围由主发射离子确定，梳齿的位置与个数由多芯光纤光栅确定。