CN117039593A - 一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器。该激光器主要由泵浦光源、波分复用器、有源光纤、偏振控制器、单模‑七芯‑单模光纤、光纤耦合器、光隔离器以及光纤接头组成。其采用环形腔结构设计，利用有源光纤提供激光增益。采用单模‑七芯‑单模光纤结构实现激光干涉效应。在结构简单的激光器中，通过调节偏振控制器，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长可切换，且具有较高的光信噪比。本发明的激光器具有结构简单、可靠性高、造价成本低、阈值功率低、稳定性高和全光纤化、波长可切换等优势。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器。
背景技术
近年来，多波长光纤激光器因其独特的光谱特性、输出功率高、稳定性好、以及易于与光纤系统兼容等优点，在波分复用系统、光谱学、光纤仪器仪表、光纤传感和微波光子学等领域得到了广泛的应用。其中，波长可切换多波长光纤激光器作为一种重要的多波长光纤激光器，在保持高的稳定性和可靠性的同时，能够灵活地对激光输出进行波长切换，是一种非常适用于波分复用系统和产生光子微波的理想光源，近年来引起了人们的极大关注。
波长可切换多波长光纤激光器的解决方案相继被提出，通常使用一些梳状滤波器来实现多波长激光输出，如Lyot双折射滤波器、Mach-Zehnder干涉仪、michaelson干涉仪和Sagnac环形滤波器，并且在梳状滤波器的基础上利用光纤拉锥技术或偏振控制技术来改变滤波器的透射谱或是改变激光谐振腔的损耗，从而实现波长数量或波长间距的可切换。此外，基于光纤布拉格光栅可调谐滤波器的可切换多波长光纤激光器的方案近年来也相继被提出。由于可调谐光纤布拉格光栅的波长选择特性，波长可以单独进行切换。通过需要将不同波长的光纤布拉格光栅与昂贵的波长分离组件，如阵列波导光栅和波分复用/解复用器相结合来实现波长分离，可以灵活地进行波长切换操作，但是提高了结构的复杂性和系统成本。
例如中国专利CN202110333269.1公开了一种正交型长周期光纤光栅，在光纤表面刻蚀有两段凹槽段，分别构成普通光栅结构和超结构光栅结构，两凹槽段之间沿光纤轴向前后排列，并且在圆周方向上正交。此种新型光纤光栅透射谱中包含两个谐振峰，两谐振峰波长与弯曲度成良好的线性关系，可用于感测弯曲度大小；两谐振峰波长还与温度成良好的线性关系，并且两谐振峰的弯曲灵敏度方向相反，利用弯曲-温度交叉感测的方法测量弯曲度大小时，具有灵敏度高的优势；两谐振峰之间的漂移大小关系随弯曲方向的改变而改变。
尽管用于实现全波长调谐的光纤光栅滤波器也相继被提出，如级联长周期光纤光栅、光纤光栅阵列、空心布拉格光纤光栅以及保偏啁啾光纤光栅。这些光纤光栅在不同波长具有不均匀的透射光谱强度。但现有的全波长调谐的光纤光栅只能对输出波长进行单独切换。并且，波长可切换的多波长光纤激光器的研究目前仅仅停留在实验室的研究上且没有取得实质性进展，仅仅停留在框架搭建中，没有在实际应用中取得突破。突出的问题在于：现有研究的多波长光纤激光器普遍存在波长不可以切换、波长数量和波长间距不可切换，多波长光纤激光器激光输出不稳定，故障率高的缺陷。
因此，开展结构简单、调节灵活简单和稳定性高等多种优势特征的波长可切换的多波长光纤激光器的研究具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器。本发明解决了多波长光纤激光器的波长可切换方案、波长数量和波长间距的可切换、切换的灵活性、激光输出的稳定性等技术难题。
基于本发明的技术方案，本发明提出一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其实现了波长数量和波长间距的可切换，通过调节偏振控制器，实现单波长、双波长和三波长可切换激光输出，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比。其利用单模-七芯-单模光纤结构在有源光纤的增益谱范围内产生三个谐振峰，进一步利用偏振控制器调节激光环形腔中与偏振相关的损耗，通过控制谐振腔中的振荡模式，使激光器实现单波长、双波长和三波长可切换的激光输出。
其中，单模-七芯-单模光纤结构是一种将七芯光纤与普通单模光纤进行熔接制作而成的光纤结构。进一步地，其包括泵浦光源、波分复用器、有源光纤、偏振控制器、单模-七芯-单模光纤结构、光纤耦合器、光隔离器和光纤接头，泵浦光源用于向有源光纤提供泵浦光；波分复用器用于引入泵浦光，并连接有源光纤；有源光纤用于产生激光增益；偏振控制器用于改变激光模式的偏振态，并改变激光环形腔中与偏振相关的损耗；单模-七芯-单模光纤结构用于产生激光干涉效应；光纤耦合器用于连接光隔离器和激光输出端；光隔离器用于确保激光的单向传输，和避免激光输出探测端的激光反馈回激光腔中影响激光器的稳定性；光纤接头，作为激光输出端口和探测输出端口。
优选地，所述有源光纤为掺饵光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等增益光纤中的一种有源光纤。
更优选地，单模-七芯-单模光纤结构中的七芯光纤的数量包括：一段、两段和多段，每段七芯光纤长度范围为：1cm-100cm。
与现有技术相比，本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器的有益效果是：
1、本发明通过特殊的光纤熔接工艺制作一种单模-七芯-单模的新型光纤结构，使其在有源光纤的增益谱范围内，产生多个谐振峰。
2、激光输出可灵活地实现单波长、双波长和三波长的切换。本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器将多个谐振峰引入环形谐振腔结构的激光装置中，通过简单调节偏振控制器，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长的灵活切换，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比，解决了波长可切换的多波长光纤激光器波长可切换方案新颖、波长数量和波长间距的可切换、切换的灵活性、激光输出的稳定性等技术难题。
3、结构简单、易于调控、造价成本低。本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器采用环形腔结构设计，利用有源光纤提供激光增益，并采用单模-七芯-单模光纤结构实现激光干涉效应。在结构简单的激光器中，通过调节偏振控制器，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长的灵活切换，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比。
4、激射阈值低、稳定性高、全光纤化。本发明是一种实现实用化波长可切换的多波长光纤激光器的有效技术手段，其激射阈值低、稳定性高、全光纤化；解决了多波长光纤激光器追求新颖的波长可切换方案、波长数量和波长间距的可切换、切换的灵活性、激光输出的稳定性等技术难题。
附图说明
图1为依据本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明的单模-七芯-单模光纤结构的干涉谱。
图3为本发明的激光器输出单波长、双波长和三波长的光谱图。
附图中的附图标记分别为：泵浦光源1，波分复用器2，有源光纤3，偏振控制器4，单模-七芯-单模光纤结构5，光纤耦合器6，光隔离器7，光纤接头8。
具体实施方式
结合本发明的附图说明，阐述本发明应用于实际的实施例和技术方案。现阐述的实施方式只代表本发明一部分实施例，不代表全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。另外，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述系统中具体模块或零件的具体参数。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其实现了波长数量和波长间距的可切换，其在激光器结构优化、全光纤化、稳定性和光信噪比等性能方面实现了实质性的提升。
本发明的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器采用单模-七芯-单模光纤结构实现激光干涉效应；通过调节偏振控制器，实现单波长、双波长和三波长可切换激光输出，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比。本发明的激光器具有结构简单、可靠性高、造价成本低、阈值功率低、稳定性高和全光纤化、波长可切换等优势，有望在波分复用系统、光谱学、光纤仪器仪表、光纤传感和微波光子学等领域发挥重要的作用。
本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器的工作原理：本发明激光器能够灵活地实现单波长、双波长和三波长的可切换，核心部件采用经过特殊熔接工艺制作的单模-七芯-单模光纤结构；特殊熔接工艺采用凸锥熔接七芯光纤与单模光纤。本发明的七芯光纤中，光程差是由中间芯模式、周围芯模式和包层模式之间的有效折射率差引起的，由中间芯模式、周围芯模式和包层模式的组合引起的每个光程差可以产生弱干涉或强干涉，具体弱干涉或强干涉取决于所涉及的模式的强度。本发明主要由七芯光纤的中间芯模式和周围芯模式引起的光程差所引起的主导干涉，本发明的“单模-凸锥-七芯-凸锥-单模”光纤干涉仪的透射光谱强度可以表示为：
(1)式中，Ic为七芯光纤中间芯模式强度，Is为七芯光纤周围芯模式强度，Δφ为中间芯模式与周围芯模式的相位差，Δφ定义为：
式中λ0为传播光的波长，Δneff为中间芯模式与周围芯模式之间的有效折射率系数差，L为凸锥光纤结构之间的七芯光纤的相互作用长度，即干涉仪臂的长度。如果相位差满足Δφ＝(2m+1)π,m＝1,2,3...，则传输强度在如下波长处达到谷值：
由(3)可知，干涉条纹图样的自由光谱范围(FSR)由光程差决定，可近似为:
FSR决定梳状透射谱的密度，FSR随七芯光纤长度L的增大而减小。
基于上述“单模-凸锥-七芯-凸锥-单模”光纤干涉仪的透射光谱强度，本发明提出了一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，本发明的激光输出可灵活地实现单波长、双波长和三波长的切换，其将多个谐振峰引入环形谐振腔结构的激光装置中，通过简单调节偏振控制器，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长的灵活切换，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比，解决了波长可切换的多波长光纤激光器波长可切换方案新颖、波长数量和波长间距的可切换、切换的灵活性、激光输出的稳定性等技术难题。
此外，本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器采用环形腔结构设计，结构简单、易于调控、造价成本低，利用有源光纤提供激光增益，并采用单模-七芯-单模光纤结构实现激光干涉效应。在结构简单的激光器中，通过调节偏振控制器，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长的灵活切换，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比。
下面结合附图，对本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器的进一步详细说明。如图1所示，一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器包括泵浦光源1、波分复用器2、有源光纤3、偏振控制器4、单模-七芯-单模光纤结构5、光纤耦合器6、光隔离器7和光纤接头8，图中虚线框部分为单模-七芯-单模光纤结构5的放大视图；泵浦光源1用于向有源光纤提供泵浦光；波分复用器2用于引入泵浦光，并连接有源光纤3；有源光纤3用于产生激光增益；偏振控制器4用于改变激光模式的偏振态，并改变激光环形腔中与偏振相关的损耗；单模-七芯-单模光纤结构5用于产生激光干涉效应；光纤耦合器6用于连接光隔离器7和激光输出端；光隔离器7用于确保激光的单向传输，和避免激光输出探测端的激光反馈回激光腔中影响激光器的稳定性；光纤接头8，作为激光输出端口和探测输出端口。本发明通过简单调节偏振控制器4，可以分别实现单波长、双波长和三波长激光输出，且具有较高的光信噪比和稳定性。具体地，本发明激光器利用单模-七芯-单模光纤结构在有源光纤的增益谱范围内产生三个谐振峰，进一步利用偏振控制器调节激光环形腔中与偏振相关的损耗，可以有效地控制谐振腔中的振荡模式，使激光器实现单波长、双波长和三波长可切换的激光输出。
波分复用器2包括三个连接端口，分别是不同波长的适配端，980nm端、980/1550nm端和1550nm端，三个端口分别具体连接泵浦光源1、有源光纤3和光隔离器7的输出端。在优选实施例中，波分复用器2为三端口波分复用器，具有980nm端、980/1550nm端和1550nm端，泵浦光源1连接波分复用器2的980nm端，波分复用器2的980nm端连接光隔离器7，波分复用器2的1550nm端连接有源光纤3。
光纤耦合器6包括三个连接端，分别是输入端、90％端和10％端，三个连接端分别具体连接单模-七芯-单模光纤结构5、光隔离器7的输入端和光纤接头8。
单模-七芯-单模光纤结构5，在此处进一步描述单模-七芯-单模光纤结构5的详细结构，也就是描述虚线框部分内的单模-七芯-单模光纤结构5。
单模-七芯-单模光纤结构5为将6cm长的七芯光纤与两段约50cm长的普通单模光纤通过凸锥熔接制作而成的光纤结构，七芯光纤和普通单模光纤的连接处是一个类似光纤包的凸锥结构。在此处描述如何通过凸锥熔将两段约50cm长的普通单模光纤焊接在七芯光纤上的。
单模-七芯-单模光纤结构5采用藤仓Fujikura 61S+熔接机进行熔接，首先将七芯光纤和两段单模光纤使用切割刀切平，然后将单模光纤放在熔接机一端，将七芯光纤放在熔接机的另一端。设置光纤熔接机熔接参数为：熔接模式为MM-MM，再放电时间为800ms，清洁放电时间为150ms，光纤端面间距为15μm，设定端面间隔位置为中心，对芯模式为纤芯，光纤预熔功率为标准，光纤预熔时间为240ms，光纤重叠为150μm，首次放电功率为标准+50bit，首次放电时间为2000ms，再次放电功率为标准，再次放电时间为180ms。按下放电按钮，实现凸锥熔接，即形成了单模-凸锥-七芯凸锥-单模光纤结构。进行凸锥熔接后，经过拉力测试，形成最佳机械强度的单模-凸锥-七芯凸锥-单模光纤结构，光纤凸锥熔接处直径约为185μm。
在优选实施例中，泵浦光源1采用工作波长为980nm，最大输出功率约为400mW的半导体激光器；波分复用器2为三端口波分复用器，具有980nm端、980/1550nm端和1550nm端；有源光纤3为掺铒增益光纤，长度约4m；偏振控制器4为机械式三环偏振控制器；单模-七芯-单模光纤结构5为将6cm长的七芯光纤与两段约50cm长的普通单模光纤通过凸锥熔接制作而成的光纤结构；光纤耦合器6为分光比为10/90的单模光纤耦合器，其中，10％端口作为激光器输出端，90％端口连接光隔离器7；光隔离器7的光纤类型为SMF-28e，光纤长度为1米；光纤接头8为FC/APC型光纤接头。
在另一优选实施例中，其在上述优选实施例的基础上进一步改进，其具体连接方式如下：
泵浦光源1连接波分复用器2的980nm端，波分复用器2的980/1550nm端依次连接有源光纤3、偏振控制器4、单模-七芯-单模光纤结构5、光纤耦合器6和光隔离器7，光隔离器7的输出端连接波分复用器2的980nm端，从而构成一个环形谐振腔结构。泵浦光源1的输出端与波分复用器2的980nm端口之间、波分复用器的980/1550nm端与掺铒光纤之间的连接均采用光纤熔接机实现固定熔接。其它连接采用FC型光纤活动连接器进行连接。
图2为本发明的单模-七芯-单模光纤结构的干涉谱，如图2所示的七芯光纤长度为6.0cm时的单模-七芯-单模光纤结构的干涉谱，在此处使用文字描述：相比较现有光纤或现有技术，本发明的单模-七芯-单模光纤结构的干涉谱的优点。
图3为本发明的激光器输出单波长、双波长和三波长的光谱图，泵浦光源输出功率为400mW时，通过调节偏振控制器，分别获得的单波长、双波长和三波长的输出光谱图，图3中的左图为单波长的输出光谱图，图3中的中间图为双波长的输出光谱图，图3中的右图为三波长的输出光谱图。从图可知，激光输出可以实现单波长、双波长和三波长的灵活切换，三个波长分别位于1530.5nm、1543.7nm和1558.9nm。
在不背离本发明的创新思想下，本发明基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器可以以下技术方案或技术手段来实施：单模-七芯-单模光纤结构将七芯光纤与普通单模光纤进行熔接制作而成，七芯光纤与普通单模光纤之间的熔接方式进一步包括拉锥熔接、错位熔接、或其他常规的对芯熔接技术。
有源光纤包括掺饵光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等增益光纤中的一种有源光纤。更近一步地，单模-七芯-单模光纤结构中的七芯光纤的数量包括一段、两段和多段七芯光纤，每段七芯光纤长度范围为：1cm-100cm。
以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的工作原理和结构组成之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：其实现了波长数量和波长间距的可切换，通过调节偏振控制器，实现单波长、双波长和三波长可切换激光输出，并且激光输出具有高的稳定性和光信噪比。
2.根据权利要求1所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：利用单模-七芯-单模光纤结构在有源光纤的增益谱范围内产生三个谐振峰，进一步利用偏振控制器调节激光环形腔中与偏振相关的损耗，通过控制谐振腔中的振荡模式，使激光器实现单波长、双波长和三波长可切换的激光输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：单模-七芯-单模光纤结构是一种将七芯光纤与普通单模光纤进行熔接制作而成的光纤结构。
4.根据权利要求2所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：其包括泵浦光源、波分复用器、有源光纤、偏振控制器、单模-七芯-单模光纤结构、光纤耦合器、光隔离器和光纤接头，泵浦光源用于向有源光纤提供泵浦光；波分复用器用于引入泵浦光，并连接有源光纤；有源光纤用于产生激光增益；偏振控制器用于改变激光模式的偏振态，并改变激光环形腔中与偏振相关的损耗；单模-七芯-单模光纤结构用于产生激光干涉效应；光纤耦合器用于连接光隔离器和激光输出端；光隔离器用于确保激光的单向传输，和避免激光输出探测端的激光反馈回激光腔中影响激光器的稳定性；光纤接头作为激光输出端口和探测输出端口。
5.根据权利要求4所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：所述有源光纤为掺饵光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等增益光纤中的一种有源光纤。
6.根据权利要求4所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：单模-七芯-单模光纤结构中的七芯光纤的数量包括：一段、两段和多段，每段七芯光纤长度范围为：1cm-100cm。
7.根据权利要求2所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：单模-七芯-单模光纤结构的“单模-凸锥-七芯-凸锥-单模”光纤干涉仪的透射光谱强度可以表示为：
(1)式中，Ic为七芯光纤中间芯模式强度，Is为七芯光纤周围芯模式强度，Δφ为中间芯模式与周围芯模式的相位差。
8.根据权利要求7所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：中间芯模式与周围芯模式的相位差，Δφ定义为：
式中λ0为传播光的波长，Δneff为中间芯模式与周围芯模式之间的有效折射率系数差，L为凸锥光纤结构之间的七芯光纤的相互作用长度，即干涉仪臂的长度。
9.根据权利要求8所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：相位差满足Δφ＝(2m+1)π,m＝1,2,3...，则传输强度在如下波长处达到谷值：
由(3)可知，干涉条纹图样的自由光谱范围(FSR)由光程差决定，可近似为:
FSR决定梳状透射谱的密度，FSR随七芯光纤长度L的增大而减小。
10.根据权利要求9所述的一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器，其特征在于：单模-七芯-单模光纤结构为将6cm长的七芯光纤与两段约50cm长的普通单模光纤通过凸锥熔接制作而成的光纤结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311052556.0A CN117039593A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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| CN117039593A true CN117039593A (zh) | 2023-11-10 |
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ID=88626164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311052556.0A Pending CN117039593A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种基于七芯光纤干涉的单、双和三波长可切换的光纤激光器 |
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| CN (1) | CN117039593A (zh) |
-
2023
- 2023-08-21 CN CN202311052556.0A patent/CN117039593A/zh active Pending
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