CN118281681A - 一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器及测量系统，属于光纤激光器领域。其结构包括：泵浦光源、环形腔和第二耦合器，环形腔包括波分复用器、隔离放大模块、直列式偏振控制器、环式偏振控制器和耦合器；泵浦光经过波分复用器分光后，进入环形腔，从第二耦合器输出；直列式偏振控制器中设置光纤内直波导，光纤内直波导为在单模光纤的纤芯和包层中刻写的一段折射率调制的波导，光纤内直波导为少模结构，作为可饱和吸收体，用于有效诱导锁模机制；环式偏振控制器对光信号在环形腔内的双折射进行偏振态调节，使激光器达到锁模状态。实现成本低，机械性能稳定、损耗小、结构更简单的效果。

Description

一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器及测量系统

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器及测量系统。

背景技术

被动锁模光纤激光器因其产生超短时间脉冲、宽带光谱和高强度脉冲等优点，在非线性光学、超精密加工、生物医学和光通信等领域得到了国内外的广泛关注与研究。被动锁模激光器中有一个非常关键的非线性光学器件——可饱和吸收体，它是一个与光强相关的损耗元件，能够对通过的激光进行幅度调制。目前，被动锁模光纤激光器所使用的可饱和吸收体主要分为两大类：

1、材料可饱和吸收体：利用具有特殊性质的光电材料与腔内激光相互作用，实现可饱和吸收效应，包括半导体可饱和吸收镜和各种纳米材料。这种可饱和吸收体的特点是易于集成且具有宽带响应，但其损伤阈值较低且长时间工作稳定性较差。这不仅限制了激光器的输出性能，而且影响了激光器长期运行的可靠性。

2、人工可饱和吸收体：通过设计不同结构的光器件实现锁模，其加工简单且重复性好，例如非线性光环镜、非线性放大环镜、非线性偏振旋转和非线性多模干涉等。它们具有损伤阈值高、调制深度大且稳定性高等特点，有利于研究光纤激光器中各种潜在的脉冲动力学。

非线性偏振旋转和非线性多模干涉作为两种常用的人工可饱和吸收方式，都具有结构简单、稳定性较强、损伤阈值高和工作模式多样等优点，对研究超快光纤激光器中脉冲多样性具有重要价值。但是传统非线性偏振旋转锁模技术存在结构复杂度较高的问题，传统非线性多模干涉技术中存在光纤高熔接损耗的问题。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器及测量系统，旨在解决传统非线性偏振旋转锁模技术存在结构复杂度较高的问题，传统非线性多模干涉技术中存在光纤高熔接损耗的问题。

一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，包括：泵浦光源；

环形腔，其输入端连接所述泵浦光源的输出端；

以及第二耦合器，其输入端连接所述环形腔的输出端，其输出端作为所述被动锁模光纤激光器的输出端；

所述环形腔包括：

波分复用器，其第一输入端作为所述环形腔的输入端；

隔离放大模块，其一端与所述波分复用器的输出端相连，用于对光信号进行放大与隔离；

直列式偏振控制器，其一端与所述隔离放大模块的另一端相连；所述直列式偏振控制器中设置光纤内直波导，所述光纤内直波导为在单模光纤的纤芯和包层中刻写的一段折射率调制的波导，所述光纤内直波导为少模结构，作为可饱和吸收体，用于诱导锁模机制；

第一耦合器，其输入端与所述直列式偏振控制器的另一端相连，其第一输出端与所述波分复用器的第二输入端，其第二输出端作为所述环形腔的输出端；

所述环形腔还包括：设置在所述隔离器与直列式偏振控制器之间和/或所述直列式偏振控制器与第一耦合器之间环式偏振控制器。

可选的，所述直列式偏振控制器用于调节所述光纤内直波导的长度。

可选的，所述隔离放大模块包括增益光纤和隔离器，所述增益光纤的一端与所述波分复用器的输出端相连，所述增益光纤的另一端连接所述隔离器的一端，所述隔离器的另一端与所述直列式偏振控制器相连。

可选的，所述光纤内直波导的长度为6000μm；所述直波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量为4μm，理论上偏移差量可以设置为非0的任意值，且偏移位置不能超出纤芯范围。

可选的，所述泵浦光的中心波长为980nm；所述波分复用器的工作波长是980/1550nm。

可选的，所述第一耦合器和第二耦合器的分束比均为90:10。

可选的，所述光纤内直波导采用飞秒激光刻写。

可选的，所述增益光纤为掺铒光纤；所述隔离器为偏振无关隔离器。

第二方面，一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的脉冲测量系统，包括如第一方面任意一项所述的被动锁模光纤激光器，以及与之连接的测量仪器；

所述测量仪器获取所述被动锁模光纤激光器输出的光信号，得到相应的测量数据，并验证所述被动锁模光纤激光器的锁模效果。

可选的，所述测量仪器包括光谱仪、射频谱仪、示波器和/或自相关仪。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，使用光纤内直波导作为一种锁模器件，相较于其他传统的非线性偏振旋转锁模和非线性多模干涉锁模，减少了实现锁模的器件数量，且不需要进行多余的熔接，加工更加简单快捷、损耗小；将光纤内直波导置于直列式偏振控制器中进行调节，光从单模光纤进入波导时会激发模式间的干涉，产生非线性多模干涉，光纤内直波导具有轻微的偏振相关损耗，能够激发非线性偏振旋转效应。非线性多模干涉效应和非线性偏振旋转效应协同作用使光纤内直波导成为一种优良的可饱和吸收器件，偏振控制器对光信号在激光器腔内的双折射进行偏振态调节，从而实现光纤激光器的被动锁模。本发明的器件具有成本低，机械性能稳定、损耗小、结构更简单的有益效果。

2、本发明提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，由飞秒激光直接进行加工，无需去掉涂覆层，具有制备简单、器件精度高、机械稳定性强的优点。

3、本发明提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，直列式偏振控制器不仅便于灵活地调整光纤内直波导的结构长度，而且能够更有效地激发非线性多模干涉效应，使内部的非线性多模干涉效应实现可饱和吸收。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明提供的光纤内直波导的结构示意图，(a)为一种有效结构示意图，(b)为另一种有效结构示意图；

图3是本发明提供的光纤内直波导的实验曲线图；其中，(a)为可饱和吸收曲线图，(b)为损耗曲线图；

图4是本发明提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的输出曲线图；其中，(a)为光谱图，(b)为脉冲序列，(c)为频谱，(d)为自相关轨迹。

其中，图中：

11-直波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量；12-波导长度；31-泵浦光源；32-波分复用器；33-增益光纤；34-隔离器；35-偏振控制器；36-直列式偏振控制器；371-第一耦合器；372-第二耦合器。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

如图1所示，一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，包括泵浦光源31；

环形腔，其输入端连接所述泵浦光源31的输出端；

以及第二耦合器372，其输入端连接所述环形腔的输出端，其输出端作为所述被动锁模光纤激光器的输出端；

所述环形腔包括：

波分复用器32，其第一输入端作为所述环形腔的输入端；

隔离放大模块，其一端与所述波分复用器32的输出端相连，用于对光信号进行放大与隔离；

直列式偏振控制器36，其一端与所述隔离放大模块的另一端相连；所述直列式偏振控制器36中设置光纤内直波导，所述光纤内直波导为在单模光纤的纤芯和包层中刻写的一段折射率调制的波导，所述光纤内直波导为少模结构，作为可饱和吸收体，用于诱导锁模机制；

第一耦合器371，其输入端与所述直列式偏振控制器36的另一端相连，其第一输出端与所述波分复用器32的第二输入端，其第二输出端作为所述环形腔的输出端；

所述环形腔还包括：设置在所述隔离器34与直列式偏振控制器36之间和/或所述直列式偏振控制器36与第一耦合器371之间环式偏振控制器35。

本发明实施例提供的一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，整个激光器为环形腔结构，泵浦光源31发出的泵浦光通过波分复用器32分光，预设波长的光信号进入隔离放大模块，其对光信号进行放大与隔离；隔离放大模块输出的光依次经过隔离器34、直列式偏振控制器36和第一耦合器371，第一耦合器371的第一输出端连接波分复用器32的第二输入端，第一耦合器371的第二输出端与第二耦合器372的输入端连接，第二耦合器372的输出端作为激光器的输出端，将锁模后的激光输出。其中，环形腔还包括环式偏振控制器35，环式偏振控制器35设置在隔离器34与直列式偏振控制器36之间和/或直列式偏振控制器36与第一耦合器371之间；环式偏振控制器35调整激光的偏振态，帮助激光器实现锁模；直列式偏振控制器36内放置光纤内直波导，光纤内直波导作为可饱和吸收体即锁模器件，直列式偏振控制器36激发非线性多模干涉，同时，由于光纤内直波导还具有偏振相关损耗，激发了非线性偏振旋转效应，非线性多模干涉效应和非线性偏振旋转效应协同作用使光纤内直波导成为一种优良的可饱和吸收器件；隔离器34隔离光信号在环形腔中产生的反射光。进一步的，环式偏振控制器35可以采用单个或多个，采用单个环式偏振控制器35时，可以设置在隔离器34和光纤内直波导之间，也可以设置在光纤内直波导和第一耦合器371之间，均可以实现调整激光的偏振态的作用；若采用两个环式偏振控制器35时，一个环式偏振控制器35设置于隔离器34和光纤内直波导之间，一个环式偏振控制器35设置于光纤内直波导和第一耦合器371之间；如图1所示，本实施例中采用两个环式偏振控制器35，并且为三环式偏振控制器。

进一步的，所述光纤内直波导采用飞秒激光刻写。由飞秒激光直接进行加工，无需去掉涂覆层，具有制备简单、器件精度高、机械稳定性强的优点。

基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的工作原理：

飞秒激光在单模光纤的纤芯和包层上刻写折射率调制波导，得到光纤内直波导，使原来单模光纤中加入了一段少模结构，整体可以被看做单模-少模-单模结构的可饱和吸收器件。光从原来的单模光纤段进入到少模光纤段，大量模式被激发而发生模式之间的干涉，即产生了非线性多模干涉效应。同时，通过测量，该直波导具有轻微的偏振依赖性，能够激发弱非线性偏振旋转效应。这两种效应的结合，使光纤内直波导能够用作一种新型的可饱和吸收器件，实现激光器的锁模。采用飞秒激光的加工技术在结构上对传统非线性偏振旋转锁模技术进行了优化，有效地克服了其复杂性，并且改善了传统非线性多模干涉技术中存在的高损耗问题。基于这种加工技术并结合锁模光纤激光器技术，实现一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器。

在上述实施例的基础上，如图2所示，飞秒激光刻写的光纤内直波导可以为一个或多个波导结构，理论上均能够产生非线性偏振旋转和非线性多模干涉效应，用作可饱和吸收体。

可选的，隔离放大模块包括增益光纤33和隔离器34，所述增益光纤33的一端与所述波分复用器32的输出端相连，所述增益光纤33的另一端连接所述隔离器34的一端，所述隔离器34的另一端与所述直列式偏振控制器36相连。

增益光纤33用于放大光信号，隔离器34用于隔离光信号在环形腔中产生的反射光。

可选的，所述直列式偏振控制器36用于调节所述光纤内直波导的长度。

在结构上，最重要的是构建被动锁模激光器中非常关键的非线性光学器件——可饱和吸收体，本实施例中，通过光纤内直波导提供等效可饱和吸收体特性，具体通过旋转直列式偏振控制器36上方的旋钮来灵活调节光纤内直波导的长度，使内部的非线性多模干涉效应更容易实现可饱和吸收。

本发明实施例提供的光纤内直波导具有轻微的偏振相关损耗，能够激发非线性偏振旋转效应，且光从单模光纤进入波导时会激发模式间的干涉，产生非线性多模干涉；基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，使用光纤内直波导作为一种锁模器件，相较于其他传统的非线性偏振旋转锁模和非线性多模干涉锁模，减少了实现锁模的器件数量，且不需要进行多余的熔接，加工更加简单快捷、损耗小；本发明的器件成本低，机械性能稳定，损耗小，结构更简单。

在上述实施例的基础上，进一步的，在具体实施例中，可选的，所述光纤内直波导的长度为6000μm；所述直波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量11为4μm。进一步的，理论上，直波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量11可以设置为非0的任意值，且偏移位置不能超出纤芯范围，均可产生本实施例中的效果。

可选的，所述泵浦光的中心波长为980nm。

可选的，所述第一耦合器371和第二耦合器372的分束比均为90:10；所述增益光纤33为掺铒光纤；所述隔离器34为偏振无关隔离器，用于隔离腔内的反射光；所述波分复用器32的工作波长是980/1550nm。

在本实施例中，激光器能够实现锁模脉冲，实际脉冲宽度为1.36ps，激光器工作的中心波长为1573nm。如图2所示，光纤内直波导由飞秒激光刻写，刻写得到的折射率调制的波导的长度12为6000μm，波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量11为4μm。波导的波长和偏振相关损耗根据实际需要和制备效果确定。光纤内直波导的非线性可饱和吸收曲线如图3中的(a)所示，其中，调制深度为8.6％，有较强的可饱和吸收效应。光纤内直波导的损耗曲线如图3中的(b)所示，其中，偏振相关损耗在波长1582nm处为3.84dB，证明有轻微的偏振依赖性。

基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的输出光谱如图4中的(a)所示，当泵功率达到490mW时，通过适当调整两台偏振控制器实现自启动锁模操作。中心波长在1573nm左右，3dB光谱带宽为2.9nm。如图4中的(b)所示脉冲间隔时间为650ns，与空腔长度相对应。图4中的(c)显示了在2.5MHz范围内以3kHz分辨率测量的射频频谱，信噪比达到52.7dB表明锁模脉冲具有良好的稳定性。锁模脉冲的自相关轨迹如图4中的(d)所示，与sech²曲线拟合良好，实际脉冲宽度为1.36ps。

在本发明实施例中，采用设置在直列式偏振控制器中的光纤内直波导作为锁模器件，光纤内直波导为具有折射率调制的一段波导，光从单模光纤进入波导时会激发模式间的干涉，产生非线性多模干涉；光纤内直波导具有轻微的偏振相关损耗，能够激发非线性偏振旋转效应；协同作用使光纤内直波导成为一种优良的可饱和吸收器件，偏振控制器对对光信号在激光器腔内的双折射进行偏振态调节，从而实现光纤激光器的被动锁模。解决了传统非线性偏振旋转锁模技术存在结构复杂度较高的问题，传统非线性多模干涉技术中存在的熔接高损耗问题。实现了成本低，机械性能稳定、损耗小、结构更简单的有益效果。

在上述实施例的基础上，进一步的，一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的脉冲测量系统，包括如上述实施例中任意一项所述的被动锁模光纤激光器，以及与之相连测量仪器；

所述测量仪器获取所述被动锁模光纤激光器输出的光信号，得到对应的测量数据，并验证所述被动锁模光纤激光器的锁模效果。

可选的，所述测量仪器包括光谱仪、射频谱仪、示波器和/或自相关仪。

第二耦合器372作为激光输出端，将激光接入光谱仪、射频谱仪、示波器和/或自相关仪，测量多样化的数据，验证激光器的锁模效果，示例性的，验证激光器是否产生锁模脉冲。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器，其特征在于，包括：

泵浦光源(31)；

环形腔，其输入端连接所述泵浦光源(31)的输出端；

以及第二耦合器(372)，其输入端连接所述环形腔的输出端，其输出端作为所述被动锁模光纤激光器的输出端；

所述环形腔包括：

波分复用器(32)，其第一输入端作为所述环形腔的输入端；

隔离放大模块，其一端与所述波分复用器(32)的输出端相连，用于对光信号进行放大与隔离；

直列式偏振控制器(36)，其一端与所述隔离放大模块的另一端相连；所述直列式偏振控制器(36)中设置光纤内直波导，所述光纤内直波导为在单模光纤的纤芯和包层中刻写的一段折射率调制的波导，所述光纤内直波导为少模结构，作为可饱和吸收体，用于诱导锁模机制；

第一耦合器(371)，其输入端与所述直列式偏振控制器(36)的另一端相连，其第一输出端与所述波分复用器(32)的第二输入端，其第二输出端作为所述环形腔的输出端；

所述环形腔还包括：设置在所述隔离器(34)与直列式偏振控制器(36)之间和/或所述直列式偏振控制器(36)与第一耦合器(371)之间环式偏振控制器(35)。

2.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述直列式偏振控制器用于调节所述光纤内直波导的长度。

3.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述隔离放大模块包括增益光纤(33)和隔离器(34)，所述增益光纤(33)的一端与所述波分复用器(32)的输出端相连，所述增益光纤(33)的另一端连接所述隔离器(34)的一端，所述隔离器(34)的另一端与所述直列式偏振控制器(36)相连。

4.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述光纤内直波导的长度为6000μm，直波导轴线与光纤纤芯轴线的偏移差量为4μm。

5.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光的中心波长为980nm；所述波分复用器(32)的工作波长是980/1550nm。

6.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一耦合器(371)和第二耦合器(372)的分束比均为90:10。

7.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述光纤内直波导(36)采用飞秒激光刻写。

8.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(33)为掺铒光纤；所述隔离器(34)为偏振无关隔离器。

9.一种基于光纤内直波导的被动锁模光纤激光器的脉冲测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意所述的被动锁模光纤激光器，以及与之相连测量仪器；

所述测量仪器获取所述被动锁模光纤激光器输出的光信号，得到相应的测量数据，并验证所述被动锁模光纤激光器的锁模效果。

10.如权利要求9所述的脉冲测量系统，其特征在于，所述测量仪器包括光谱仪、射频谱仪、示波器和/或自相关仪。