CN114188808A - 一种锥形sms结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法，锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器中锥形SMS结构与输出耦合器熔接，输出耦合器与波分复用器熔接；波分复用器与掺铒增益光纤熔接，掺铒增益光纤与偏振无关隔离器熔接，偏振无关隔离器与第一偏振控制器熔接，第一偏振控制器与锥形SMS结构熔接。本发明的光纤激光器具有全光纤结构、易于集成化、损伤阈值高、且能实现稳定谐波锁模并产生高重复频率的优点。本发明的激光器通过调节泵浦功率和锥形SMS结构中GIMF中激光的偏振态，实现了高重复频率的谐波锁模。

Description

一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法。

背景技术

目前，被动锁模光纤激光器由于其具优越的性能，使它在未来的远距离光纤通信，激光武器，光纤传感等方面有重要的意义。对于被动锁模光纤激光器主要有三种方法可以増加重复频率：减小腔长，加入附加腔结构，谐波锁模。对于被动锁模光纤激光器，锁模脉冲的重复频率与腔长成反比关系。腔长在很大程度上受到光纤器件的物理尺寸和泵浦功率的限制，利用超短环形腔产生的最谐波锁模只能达到几十MHz。加入附加腔，可通过控制附加腔的长度实现频率可调谐。但是存在的附加腔长必须要与谐振腔的腔长严格匹配，并且腔内光场稳定性较差。

在1.55μm波段被动锁模光纤激光器利用谐波锁模产生高重复频率是一个主要途径。目前要实现谐波锁模需要在激光器的腔中加入高非线性材料可饱和吸收体或者是光子晶体光纤增加非线性。然而高非线性材料可饱和吸收体制造过程繁杂且易受环境温度湿度影响会使得锁模不稳定，光子晶体光纤造价昂贵且难以熔接进激光器，会引入较大的插入损耗，使激光器的制造过程造价昂贵和复杂。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有实现谐波锁模的光纤激光器高非线性材料可饱和吸收体制造过程复杂易受环境影响使得锁模不稳定，光子晶体光纤插入损耗大难以熔接进激光器且制造成本高。

(2)高次谐波的产生需要光纤激光器中具有较强的非线性性质，增强激光器腔内非线性往往需要加入高非线性材料，对应制造过程复杂易受环境影响使得锁模不稳定；加入光子晶体光纤，对应插入损耗大且制造成本高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

目前，想要在激光器腔内获取高非线性环境，需要加入高非线性材料或者是加入光子晶体光纤。而高非线性材料可饱和吸收体制造过程复杂易受环境影响使得锁模不稳定，光子晶体光纤插入损耗大难以熔接进激光器且制造成本高。

解决以上问题及缺陷的意义为：

锥形结构光纤的引入相对于高非线性材料而言不会受到环境温度湿度的影响。锥形结构光纤的引入相对于光子晶体光纤而言可以减小插入损耗，并且降低激光器制造成本。锥形结构的引入能适当增加激光器的非线性，从而能产生谐波锁模并产生高重复频率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法。本发明中锥形光纤结构的引入能适当增加激光器的非线性，从而能产生高次谐波，锥形结构光纤相比于高非线性材料可饱和吸收体而言，不会受到环境的温度湿度影响，锁模稳定性增加。而相对加入光子晶体光纤的插入损耗大和制造成本高而言，锥形SMS结构是在GIMF中间拉锥制备的，造价便宜且插入损耗小，并可以引入适当的非线性实现谐波锁模从而产生高重复频率。

本发明是这样实现的，一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器设置有锥形SMS结构；

锥形SMS结构与输出耦合器熔接，输出耦合器与波分复用器熔接；

波分复用器与掺铒增益光纤熔接，掺铒增益光纤与偏振无关隔离器熔接，偏振无关隔离器与第一偏振控制器熔接，第一偏振控制器与锥形SMS结构熔接。

进一步，所述锥形SMS结构中依次熔接输入端SMF、锥形GIMF、第二偏振控制器和输出端SMF。

进一步，所述第二偏振控制器中缠绕着锥形GIMF组成。

进一步，所述泵浦源为光纤激光器，提供用于激发激光的基础光源，波分复用器将泵浦光和信号光整合到一根光纤中。

进一步，所述掺铒增益光纤长度为单模掺铒光纤，单模掺铒光纤中的增益物质为受到泵浦源发出的光，激发产生1.55μm波段的激光。

进一步，所述偏振无关隔离器使环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输。

进一步，所述第一偏振控制器改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构中。

进一步，所述输出耦合器输出将一束光分流，一部分光返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测，输出耦合器与激光观测组件相连接。

进一步，所述依次熔接的泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一偏振控制器、锥形SMS结构和输出耦合器，输出耦合器与波分复用器相熔接可形成一个环形腔。

本发明的另一目的在于提供一种所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器控制方法，所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器控制方法，包括：

泵浦源通过波分复用器耦合注入激光腔中，掺铒增益光纤为增益介质，偏振无关隔离器保证激光单向运转；第一偏振控制器改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构中；锥形SMS结构中的第二偏振控制器缠绕着锥形GIMF组成，通过改变锥形GIMF的偏振态，激发多模干涉效应，使光纤中的能量大的光透射率高，能量小的光透射率低，达到一种类饱和吸收的效果，以用来进行锁模，获得锁模脉冲的输出；

此外，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，其中大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模；由于引入锥形光纤结构，极大地增加了光纤的非线性，通过适当增加泵浦功率，易使脉冲分裂，从而获得谐波；通过协调泵浦功率和多模光纤中的偏振态实现了高重复频率的谐波锁模；其中输出耦合器用于输出将一束光分流，一部分光连接波分复用器返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明的光纤激光器具有全光纤结构、易于集成化、损伤阈值高、且能实现稳定谐波锁模并产生高重复频率的优点。本发明的激光器通过调节泵浦功率和锥形SMS结构中GIMF中激光的偏振态，实现了高重复频率的谐波锁模。本发明的激光器通过适当加大泵浦功率并用偏振控制器控制锥形SMS结构中的偏振态，可以实现稳定的谐波锁模。

本发明中锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，对SMS结构中的GIMF中间进行拉锥，通过适当加大泵浦功率并用偏振控制器控制SMS结构中的偏振态可以实现稳定的谐波锁模。相比于高非线性材料锁模，本发明结构具有制造过程简单且不受环境温度湿度影响，锁模稳定性增加。相比于加入光子晶体光纤的插入损耗大和制造成本高而言，本发明结构是在普通的GIMF中拉锥实现的，造价便宜，插入损耗小。本发明结构采用了全光纤的结构，利于集成化和小型化。相比于未拉锥的SMS结构，本发明在GIMF中间进行拉锥，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，其中大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。同时拉锥后的GIMF引入更大的非线性，有利于激光器内脉冲分裂实现谐波锁模。

对比的技术效果或者实验效果，包括：

与未拉锥情况相比：与本发明图4对比，未拉锥GIMF激发的高阶模式杂乱，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，其中大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。未拉锥SMS结构模拟如图4(未拉锥SMS结构的切面强度分布模拟图)所示。

与其他现有技术相比：本发明方案利用可利用锥形光纤的高非线性特性产生高次谐波，并利用SMS可饱和吸收特性可以实现了谐波锁模并产生高重复频率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器结构示意图。

图2是本发明实施例提供的锥形SMS结构原理图

图3是本发明实施例提供的未拉锥SMS结构的切面强度分布模拟图。

图4是本发明实施例提供的锥形SMS结构的切面强度分布模拟图。

图5是本发明实施例提供的锥形SMS结构的可饱和吸收体特性曲线。

图6是本发明实施例提供的输出的锁模光谱示意图。

图7是本发明实施例提供的输出的基频锁模脉冲序列示意图。

图8是本发明实施例提供的谐波锁模产生的高重复频率脉冲序列示意图。

图中：1、泵浦源；2、波分复用器；3、掺铒增益光纤；4、偏振无关隔离器；5、第一偏振控制器；6、锥形SMS结构；7、输出耦合器；8、输入端SMF；9、锥形GIMF；10、第二偏振控制器；11、输出端SMF。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器仅仅是一个具体实施例而已。

如图1所示，本发明实施例提供的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器中锥形SMS结构6与输出耦合器7熔接，输出耦合器7与波分复用器2熔接，波分复用器2与掺铒增益光纤3熔接，掺铒增益光纤3与偏振无关隔离器4熔接，偏振无关隔离器4与第一偏振控制器5熔接，第一偏振控制器5与锥形SMS结构6熔接。

锥形SMS结构6包括依次熔接的输入端SMF8、锥形GIMF9、第二偏振控制器10和输出端SMF11，第二偏振控制器10中缠绕着锥形GIMF组成，锥形SMS结构6可实现可饱和吸收体的作用，以用于获得锁模脉冲的输出；而锥形光纤结构的引入能适当增加激光器的非线性，从而能产生高次谐波。

泵浦源1为光纤激光器，提供用于激发激光的基础光源，波分复用器2用于将泵浦光和信号光整合到一根光纤中。

掺铒增益光纤3长度为单模掺铒光纤，光纤中的增益物质为受到泵浦源发出的光，而激发产生1.55μm波段的激光。

偏振无关隔离器4用于使环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输；第一偏振控制器5的作用是改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构中。

输出耦合器用于输出将一束光分流，一部分光返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测；输出耦合器与激光观测组件相连接。

依次熔接的泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一偏振控制器、锥形SMS结构和输出耦合器，输出耦合器与波分复用器相熔接可形成一个环形腔。

锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器通过改变多模光纤中激光的偏振态，激发多模干涉效应进行模式锁定。

如图2所示，本发明实施例提供的锥形SMS结构示意图，可以看到锥形SMS结构是由输入端SMF与锥形GIMF和输出端SMF相熔接构成。GIMF的折射率分布由纤芯向包层逐渐减小，纤芯处折射率最大，包层处折射率最小。如图所示，外侧光纤(对应于高阶模)，所走过的空间长度虽然较长，但光纤芯区外侧的折射率较小，因而具有较快的传输速度。而内侧光线(对应于低阶模)所走过的长度虽然较短，但所经过的区域折射率较高，因而传输速度较慢。对GIMF中间使用熔接机进行精确拉锥，可得到锥形GIMF。可以看到，经过拉锥点后，较高阶模式被滤去，较低阶模式存在于GIMF中。大部分光能量在多模光纤中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，从而形成锁模。

本发明的工作原理为：泵浦源1通过波分复用器2耦合注入激光腔中，掺铒增益光纤3为增益介质。偏振无关隔离器4保证激光单向运转。第一偏振控制器5可以改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构6中。锥形SMS结构6中的第二偏振控制器10缠绕着锥形GIMF9组成，通过改变锥形GIMF的偏振态，激发多模干涉效应，使光纤中的能量大的光透射率高，能量小的光透射率低，达到一种类饱和吸收的效果，以用来进行锁模，获得锁模脉冲的输出；此外，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，其中大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。由于引入锥形光纤结构，极大地增加了光纤的非线性，通过适当增加泵浦功率，易使脉冲分裂，从而获得谐波。通过协调泵浦功率和多模光纤中的偏振态实现了高重复频率的谐波锁模。其中输出耦合器7用于输出将一束光分流，一部分光连接波分复用器2返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作详细的描述。

如图3所示，本发明实施例提供的未锥形SMS结构的切面强度分布模拟图。可以看到，在GIMF激发了高阶模式(LG₀₀、LG₁₀、LG₂₀、LG₃₀、LG₄₀)，这些高阶模在GIMF中相干叠加，导致光场能量的重新分布和输入光的自成像效应。

本发明多模干涉效应的原理如下：当光从输入端SMF射入GIMF中，由于输入端SMF内传输的模式为基模，当输入端SMF中的光射入GIMF中，会激发出多种高阶模式，这些高阶模在GIMF中相干叠加，导致光场能量的重新分布和输入光的自成像效应。自成像效应是光场在GIMF中传输时，光场周期性变化的现象。当所有激发的模式之间相位差满足2π或2π的整数倍时，光场能量最强，这种情况也会周期性再现。当聚焦点处于GIMF和输出端SMF熔接处时，耦合损耗最小。由于折射率取决于光的频率，GIMF中输入光的自成像效应与输入光的频率有关，从输入端SMF通过GIMF再到输出端SMF的耦合效率也取决于光的频率。在多模干涉效应中，GIMF中激发的高阶模之间相位差满足

时，SMS结构可以等效为低通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足

时，SMS结构可以等效为高通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足2kπ时，SMS结构可以等效为带通滤波器，当GIMF中激发的高阶模之间相位差满足π+2kπ时，SMS结构可以等效为可饱和吸收体，在环形腔中起可饱和吸收作用。

如图4所示，本发明实施例提供的锥形SMS结构的切面强度分布模拟图。可以看到，通过在GIMF中间引入适当的锥度，两个高阶模式(LG₃₀、LG₄₀)被大幅衰减；LG₂₀模式被传输到锥度腰部的包层，然后再传输回核心；而两个低阶模式(LG₀₀、LG₁₀)中的大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。

以上公式中α_c为非饱和损耗，α₀为调制深度，I_sat为饱和功率。可以看到整个腔的损耗是跟可饱和吸收体的非饱和损耗、调制深度以及饱和功率存在重要影响。通过此式，可以测量出锥形SMS结构非线性可饱和吸收曲线。实现表明当锥形SMS结构随入射光强度增加时，锥形SMS结构表现出典型的可饱和吸收特性。

如图5所示，本发明实施例提供锥形SMS结构的可饱和吸收体特性曲线，表明锥形SMS结构可以作为激光器的可饱和吸收体用来实现锁模。

在本发明中，

其中A_eff为纤芯有效折射率面积，在高斯近似下A_eff＝πω²，ω为基模束腰半径，由于拉锥光纤纤芯直径的减小，A_eff会减小，所以拉锥光纤的非线性系数会增加。这为高次谐波的产生奠定了条件。

在一定的泵浦功率下，通过调整锥形SMS结构(6)中的第二偏振控制器(10)，通过改变锥形GIMF的偏振态，激发多模干涉效应，实现1.55μm传统孤子锁模，图6为传统孤子锁模状态输出时的光谱，图7为激光器基本重复频率为56.91MHz的基频锁模脉冲序列示意图。图8为激光器谐波锁模产生的高重复频率脉冲序列图，重复频率为1.26GHz，对应于22阶谐波锁模。

本发明提供的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，锥形SMS结构是利用光传输至多模光纤中激发高阶模，再耦合进入SMF发生干涉效应，通过旋转偏振控制器改变激光器谐振腔内的非线性及损耗，对光强进行调制，实现被动锁模脉冲激光输出。本发明采用的锁模器件是一个锥形SMS结构，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，从而使得大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过旋转偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。锥形光纤结构的引入能适当增加激光器的非线性，从而能产生高次谐波。本发明的光纤激光器具有全光纤结构、易于集成化、损伤阈值高、且能实现稳定谐波锁模并产生高重复频率的优点。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器设置有：

锥形SMS结构；

锥形SMS结构与输出耦合器熔接，输出耦合器与波分复用器熔接；

波分复用器与掺铒增益光纤熔接，掺铒增益光纤与偏振无关隔离器熔接，偏振无关隔离器与第一偏振控制器熔接，第一偏振控制器与锥形SMS结构熔接。

2.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述锥形SMS结构中依次熔接输入端SMF、锥形GIMF、第二偏振控制器和输出端SMF。

3.如权利要求2所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述第二偏振控制器中缠绕着锥形GIMF组成。

4.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为光纤激光器，提供用于激发激光的基础光源，波分复用器将泵浦光和信号光整合到一根光纤中。

5.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述掺铒增益光纤为单模掺铒光纤，单模掺铒光纤中的增益物质为受到泵浦源发出的光，激发产生1.55μm波段的激光。

6.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述偏振无关隔离器使环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输。

7.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一偏振控制器改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构中。

8.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器输出将一束光分流，一部分光返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测，输出耦合器与激光观测组件相连接。

9.如权利要求1所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器，其特征在于，所述依次熔接的泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关隔离器、第一偏振控制器、锥形SMS结构和输出耦合器，输出耦合器与波分复用器相熔接可形成一个环形腔。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器的锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器控制方法，其特征在于，所述锥形SMS结构的谐波锁模光纤激光器控制方法，包括：

泵浦源通过波分复用器耦合注入激光腔中，掺铒增益光纤为增益介质，偏振无关隔离器保证激光单向运转；第一偏振控制器改变腔内SMF的偏振态，优化光的偏振态并发射到锥形SMS结构中；锥形SMS结构中的第二偏振控制器缠绕着锥形GIMF组成，通过改变锥形GIMF的偏振态，激发多模干涉效应，使光纤中的能量大的光透射率高，能量小的光透射率低，达到一种类饱和吸收的效果，用来进行锁模，获得锁模脉冲的输出；

此外，拉锥光纤会使得较高阶模式被滤去，较低阶模式留在GIMF中传播，其中大部分光能量在GIMF中间传播，而不传播到包层，使得光更好的耦合到输出端SMF中，同时通过手动旋转第二偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模；由于引入锥形光纤结构，极大地增加了光纤的非线性，通过适当增加泵浦功率，易使脉冲分裂，从而获得谐波；通过协调泵浦功率和多模光纤中的偏振态实现了高重复频率的谐波锁模；其中输出耦合器用于输出将一束光分流，一部分光连接波分复用器返回腔内进行继续传输反馈，一部分光输出进行观测。

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