CN113872028A - 一种可任意级联扩展的n环形腔超快全光纤激光器 - Google Patents

一种可任意级联扩展的n环形腔超快全光纤激光器 Download PDF

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姚勇
吴乾超
陈丽芳
雷陵春
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Abstract

本发明提供了一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器，包括多个环形腔、多个级联装置、多个泵浦光源，单个所述泵浦光源与对应的单个所述环形腔相连，相邻的两个所述环形腔通过单个所述级联装置相连；所述环形腔包括波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、光耦合器、偏振控制器、可饱和吸收体，泵浦光源与所述波分复用器相连，波分复用器分别与掺铒光纤、可饱和吸收体相连，掺铒光纤分别与单模光纤、级联装置相连，可饱和吸收体与偏振控制器相连，偏振控制器与光耦合器相连，光耦合器分别与单模光纤、级联装置相连。本发明的有益效果是：1.实现多个结构相同的单位环形腔之间的级联；2.能实现同时输出相同或不同类型的光脉冲。

Description

一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器。
背景技术
现有锁模光纤激光器的谐振腔结构主要有线性腔，单个环形腔，8字形腔以及改良后的9字形腔。以上谐振腔结构往往只能有单一的脉冲输出。
目前，基于线性腔，单个环形腔，8字形腔以及9字形腔的锁模光纤激光器往往只有一个输出端口，难以满足多通道通信、双通道激光雷达探测等多通道激光应用的功能要求。目前为实现多通道激光应用，主要有两种方法：使用耦合器等分光元件或多台激光器，但以上方法都有很大弊端。首先，使用耦合器等分光元件不但降低了激光脉冲输出能量，而且多个激光输出性质几乎相同。这难以满足同步通信和传感、不同波段的激光雷达以及其他非互易双通道激光应用的需求。其次，若同时使用多个激光器，缺点也是显而易见：多个激光器不仅增加了生产成本，而且由于激光仪器体积大，影响了实际使用的灵活性。
发明内容
本发明提供了一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器，包括多个环形腔、多个级联装置、多个泵浦光源，单个所述泵浦光源与对应的单个所述环形腔相连，相邻的两个所述环形腔通过单个所述级联装置相连；所述环形腔包括波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、光耦合器、偏振控制器、可饱和吸收体，所述泵浦光源与所述波分复用器相连，所述波分复用器分别与所述掺铒光纤、所述可饱和吸收体相连，所述掺铒光纤分别与所述单模光纤、所述级联装置相连，所述可饱和吸收体与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器与所述光耦合器相连，所述光耦合器分别与所述单模光纤、所述级联装置相连。
作为本发明的进一步改进，所述级联装置包括两个光纤环形器，其中一个所述光纤环形器分别与所述单模光纤、前一级所述环形腔的所述掺铒光纤、下一级所述环形腔的所述波分复用器相连，另一个所述光纤环形器分别与所述单模光纤、前一级所述环形腔的所述光耦合器、下一级所述环形腔的所述可饱和吸收体相连。
作为本发明的进一步改进，所述光纤环形器上分别设有第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口，其中一个所述光纤环形器上的所述第一输出端口与前一级所述环形腔的所述掺铒光纤相连，所述第二输出端口与所述单模光纤相连，所述第三输出端口与所述下一级所述环形腔的所述波分复用器相连；另一个所述光纤环形器的第一输出端口与下一级所述环形腔的所述可饱和吸收体相连，第二输出端口与所述单模光纤相连，第三输出端口与前一级所述环形腔的所述光耦合器相连。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦光源其中心波长为976nm。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦光源采用两台高稳定性的半导体激光器LD获得。
作为本发明的进一步改进，所述光耦合器耦合比为9:1。
作为本发明的进一步改进，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器。
本发明的有益效果是：1.实现多个结构相同的单位环形腔之间的级联；2.能实现同时输出相同或不同类型的光脉冲，解决了现有激光器输出脉冲端口单一的问题；3.可以方便地与超快光纤激光器集成，降低生产成本，提高超快光纤激光器的抗干扰能力和使用寿命；4.提高输出脉冲的峰值功率和稳定性。
附图说明
图1是本发明基于光纤环形器的级联原理图；
图2是本发明基于光纤环行器的级联N环形腔飞秒孤子全光纤激光器的原理图。
具体实施方式
本发明公开了一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器，具体包括：
首先，理论上利用光纤环形器，该激光器可实现任意数量环形谐振腔的级联。这使得激光器结构更为紧凑，功能更加丰富。其次级联激光器的各单位腔可独立工作。通过灵活调节每个谐振腔的参数，可以在每一个级联的环形腔输出端获得不同的超快脉冲激光输出。最后，该激光器可饱和吸收体采取的是GIMF-SIMF-GIMF全光纤结构，具有成本低，制备简单，易于集成等优点。
如图1所示，基于光环形器的级联原理示意图(三个环形腔相连)：
LD1/LD2/LD3：976nm泵浦光源；
EDF1/EDF2/EDF3：掺铒光纤；
PC1/PC2/PC3：偏振控制器；
SA1/SA2/SA3：可饱和吸收体；
OC1/OC2/OC3：光耦合器；
CIR1/CIR2/CIR3/CIR4：光纤环形器，每个光纤环形器上分别设有第一输出端口1、第二输出端口2、第三输出端口3；
Cavity 1/Cavity 2/Cavity 3：第一环形腔；第二环形腔；第三环形腔。
如图2所示，基于环行器的级联N环腔飞秒孤子全光纤激光器的原理图(N个环形腔相连)：
LD n：976nm泵浦光源；
EDF n：掺铒光纤；
PC n：偏振控制器；
SA n：可饱和吸收体；
OC n：输出光耦合器；
CIR n：光纤环形器；每个光纤环形器上分别设有第一输出端口1、第二输出端口2、第三输出端口3；
Cavity n：谐振腔n,n是整数,n＝2,3,4,…,n
工作原理：
通过共用光纤环形器实现N环形腔级联的原理如图1所示。基本级联单元是环形腔光纤激光器，例如图1中的环形腔1(Cavity 1:C1)。环形腔C1包括一段掺铒光纤(EDF1)、单模光纤(SMF)、1个光耦合器(OC1，耦合比：9:1)、1个偏振控制器1(PC1)、1个可饱和吸收体(SA1)、1个波分复用器(WDM1)。Cavity 1采用两台高稳定性的半导体激光器(LD)作为泵浦光源，其中心波长为976nm。LD1泵浦光通过980nm/1550nm波分复用器(WDM)耦合进入环形腔其他级联环形腔。环形腔2(Cavity 2)和环形腔3(Cavity 3)与Cavity 1类似。
图1所示通过环形器实现N个环形腔级联的原理说明如下：基本单元环形腔之间的级联是通过共用两个光纤环形器和一段单模光纤来实现。如图1所示，Cavity 1中一段环路分别连接到第一个光纤环行器(CIR1)的第一输出端口1和第二个光纤环行器(CIR2)的第三输出端口3。Cavity 2分别连接到CIR1的第三输出端口3和CIR2的第一输出端口1。单模光纤分别用于连接CIR1的第二输出端口2和CIR2的第二输出端口2。该单模光纤SMF由Cavity 1和Cavity 2共用。光纤环形器有两个主要功能：第一，光纤环行器可以将单环形腔激光器级联形成N环腔光纤激光器，有利于激光器整体结构的紧凑化；第二，利用级联环腔的单向传输特性，保证了每个级联环形腔的独立工作和单向传输。
N环形腔(N为整数，N＝2，3，4，…，N)级联飞秒孤子光纤激光器的结构如图2所示。作为级联单元的环形腔n(Cavity n)通过共用单模光纤和光纤环形器级联。原则上，N环形腔级联飞秒孤子光纤激光器可以灵活地级联任意数量的环形腔，即N可以取无穷大的整数值。由于光纤环形器具有单向传播特性，激光在此环形腔中的传播方向为顺时针方向。每个腔的孤子输出是独立的。通过灵活调节单位环形腔的参数，可以在对应输出端口获得不同的孤子，以满足不同的应用和要求。
本发明公开的N环形腔级联超快全光纤激光器巧妙利用具有单向传输特性的环形器，实现多个结构相同的单位环形腔之间的级联。因为环形器并不改变激光输出特性，所以各单位环形腔独立运转、互不影响，故该激光器稳定性高，输出的孤子脉冲稳定性和重复性较好。通过调节单位谐振腔的参数可以得到不同或者相同类型的光脉冲，可以满足不同应用的多通道输出需求。例如，多通道通信、双通道激光雷达探测、同步通信和传感以及其他非互易双通道激光应用。
总而言之，利用光纤环形器设计的N环形腔(N为整数，N＝2，3，4，…，N)级联飞秒孤子光纤激光器具有以下创新点：(1)理论上能实现任意数量的单位环形腔级联，使得激光器集成化、小型化以及多功能化；(2)各单位环形谐振腔相互独立且互不干扰，分别调整两个谐振腔的参数，能实现同时输出相同或不同类型的光脉冲，解决了现有激光器输出脉冲端口单一的问题；(3)采用GIMF-SIMF-GIMF结构作为级联N环形腔(N为整数，N＝2,3,4，…，N)超快光纤激光器的SA，这种全光纤结构SA可以方便地与超快光纤激光器集成，降低生产成本，提高超快光纤激光器的抗干扰能力和使用寿命；(4)可选择不同的可饱和吸收体(SA)(如GIMF-SIMF-GIMF可饱和吸收体，二维材料可饱和吸收体、及半导体可饱和吸收体等)对单位环形腔分别进行脉冲宽度的调控，优化每个谐振腔(环形腔)，提高输出脉冲的峰值功率和稳定性。
本发明的有益效果：1.实现多个结构相同的单位环形腔之间的级联；2.能实现同时输出相同或不同类型的光脉冲，解决了现有激光器输出脉冲端口单一的问题；3.可以方便地与超快光纤激光器集成，降低生产成本，提高超快光纤激光器的抗干扰能力和使用寿命；4.提高输出脉冲的峰值功率和稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可任意级联扩展的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：包括多个环形腔、多个级联装置、多个泵浦光源，单个所述泵浦光源与对应的单个所述环形腔相连，相邻的两个所述环形腔通过单个所述级联装置相连；所述环形腔包括波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、光耦合器、偏振控制器、可饱和吸收体，所述泵浦光源与所述波分复用器相连，所述波分复用器分别与所述掺铒光纤、所述可饱和吸收体相连，所述掺铒光纤分别与所述单模光纤、所述级联装置相连，所述可饱和吸收体与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器与所述光耦合器相连，所述光耦合器分别与所述单模光纤、所述级联装置相连。
2.根据权利要求1所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述级联装置包括两个光纤环形器，其中一个所述光纤环形器分别与所述单模光纤、前一级所述环形腔的所述掺铒光纤、下一级所述环形腔的所述波分复用器相连，另一个所述光纤环形器分别与所述单模光纤、前一级所述环形腔的所述光耦合器、下一级所述环形腔的所述可饱和吸收体相连。
3.根据权利要求2所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述光纤环形器上分别设有第一输出端口(1)、第二输出端口(2)、第三输出端口(3)，其中一个所述光纤环形器上的所述第一输出端口(1)与前一级所述环形腔的所述掺铒光纤相连，所述第二输出端口(2)与所述单模光纤相连，所述第三输出端口(3)与所述下一级所述环形腔的所述波分复用器相连；另一个所述光纤环形器的第一输出端口(1)与下一级所述环形腔的所述可饱和吸收体相连，第二输出端口(2)与所述单模光纤相连，第三输出端口(3)与前一级所述环形腔的所述光耦合器相连。
4.根据权利要求1所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光源其中心波长为976nm。
5.根据权利要求4所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光源采用两台高稳定性的半导体激光器LD获得。
6.根据权利要求1所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述光耦合器耦合比为9:1。
7.根据权利要求1所述的N环形腔超快全光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器。
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