CN1276558C - 单双波可转换波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双波长掺铒光纤激光器，特别是能够实现单双波之间开关转换的、两个激光输出的波长位置和间隔可调的和能在室温下稳定输出的激光器。该激光器包括反射器，泵浦激光器，波分复用光耦合器，掺铒光纤和偏振控制器等。本发明利用弹光效应在光纤中引起应力双折射，使普通布喇格光纤光栅的两个偏振方向正交的反射模在波长上分离开，利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤均匀增益展宽引起的模式竞争，实现常温下双波长稳定输出，通过改变施加于轴向和侧向应力的大小来分别控制和调谐两个波长的位置和间隔。通过调整偏振控制器来改变腔内光的偏振态来实现单双波之间的开关转换。该发明结构简单、调节方便、成本低廉、能在常温下稳定工作。

Description

单双波可转换波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器

 技术领域

本发明涉及一种双波长掺铒光纤激光器，特别是能够实现单双波之间可转换的、两个激光输出的波长位置和波长间隔可调的和能在室温下稳定输出的激光器。

背景技术

多波长掺铒光纤激光器在光通信及光传感领域有着广泛的用途，例如在密集波分复用系统，多参量光纤传感器以及光孤子源中，该种光源都是极其重要的。但由于掺铒光纤中的增益展宽效应导致的模式竞争，在一个激光腔中较难实现常温下的多波长输出。目前要实现多波长输出，一般采用如下方法实现：一种方法是将掺铒光纤放到液氮中冷却以减少增益展宽，但这种方法显然不实用。另一种方法是将多个光纤激光器波分复用耦合在一起，它虽然可在室温下得到稳定的多波长输出，但需用多个驱动电路和激光腔等装置。还有一种方法是在腔内插入频移器的方法，缺点是价格昂贵。

发明内容

本发明通过一种应力调节架同时施加侧向应力和轴向应力于一布喇格光纤光栅，施加侧向应力可使普通布喇格光纤光栅的两个偏振方向正交的反射模在波长上分离开，利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤均匀增益展宽引起的模式竞争，实现常温下稳定的双波长输出。通过改变施加于侧向应力和轴向应力的大小可分别精确控制和调谐两个波长的波长间隔和波长位置。对于每一个侧向应力和轴向应力，又可通过调整激光腔内的偏振控制器来实现光纤激光器的单波长和双波长输出之间的开关转换。检索结果表明，目前尚没有一种采用本发明结构的双波长掺铒光纤激光器。本发明-单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，它包括：泵浦激光器、泵浦/信号波分复用光耦合器、掺铒光纤、偏振控制器等，其特点是：波分复用光耦合器2的端口a与泵浦激光器1的输出端相连接，端口b与反射器5相连接，端口c与掺铒光纤3的一端相连接，掺铒光纤3的另一端与偏振控制器4相连接；偏振控制器4的另一端与可调谐光纤布喇格光栅机构6相连接，光纤布喇格光栅机构的另一端与光隔离器7相连接，激光从光隔离器另一端输出；可调谐光纤布喇格光栅机构6由布喇格光纤光栅8、支持光纤9、轴向应力调谐机构10和侧向应力调谐机构11构成，布喇格光纤光栅8与支持光纤9平行放于两片固定平板15中间，固定平板15与侧向位移步进机构16相连，布喇格光纤光栅8的尾纤一端由固定端12固定住，尾纤另一端与步进机构14相连，通过差动螺纹调节器进行位移(挠度)的拉伸微调谐；轴向应力调谐机构10由固定端12、导轨13和位移(挠度)步进机构14构成；侧向应力调谐机构11由两片固定平板15和侧向位移步进机构16构成。反射器，可以是各种宽带或窄带光纤或非光纤反射器件，如均匀周期或非均匀周期的布喇格光纤光栅、由3dB耦合器组成的Sagnac环等光纤和非光纤反射器件。泵浦激光器，可以是980nm、1480nm的半导体或任何类型激光器。泵浦/信号波分复用光耦合器至少有三个端口，是与泵浦激光器相适应的耦合器。

本发明的原理是通过应力调节装置同时施加侧向应力和轴向应力于布喇格光纤光栅，在施加侧向应力时由于弹光效应在光纤中引起应力双折射，使普通布喇格光纤光栅的两个偏振方向正交的反射模在波长上分离开，利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤均匀增益展宽引起的模式竞争，实现常温下稳定的双波长输出。通过改变施加于侧向应力和轴向应力的大小可分别精确控制和调谐两个波长的波长间隔和波长位置。对于每一个侧向应力和轴向应力，又可通过调整偏振控制器来改变腔内光的偏振态，从而改变两个正交偏振方向上波长的损耗，以实现常温下单波长和双波长的开关转换。两个波长的偏移量同应变的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}[-\frac{n_{\mathrm{eff}}^2}{2}{p}_{11}{\mathrm{\ϵ}}_t+(1-\frac{n_{\mathrm{eff}}^2}{2})p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_z]$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2=2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Λ}[-\frac{n_{\mathrm{eff}}^2}{2}{p}_{12}{\mathrm{\ϵ}}_t+(1-\frac{n_{\mathrm{eff}}^2}{2})p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_z]$

其中，n_eff为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期，p₁₁，p₁₂为光弹系数，ε_t为侧向应力，ε_z为轴向应力。同时施加侧向应力和轴向应力即可控制两个波长的偏移量。

本发明具有调谐方法简便、成本低廉、在常温下稳定工作等优点。

附图说明

图1是本发明的结构组成示意图。

图2是本发明应力调节装置的剖面图。

图3是本发明应力调节装置中侧向应力调节部分的剖面图。

图4是本发明应力调节装置的俯视图。

图5是本发明的一个输出光谱图。

图6是单独施加轴向应力时的实验曲线图。

图7是单独施加侧向应力时的实验曲线图。

图中：1.泵浦激光器  2.泵浦/信号波分复用光耦合器  3.掺铒光纤  4.偏振控制器  5.反射器  6.可调谐光纤布喇格光栅机构  7.光隔离器  8.布喇格光纤光栅9.支持光纤  10.轴向应力调谐机构  11.侧向应力调谐机构  12.固定端  13.导轨  14.步进机构  15.固定平板  16.侧向位移步进机构

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明

实施例

如图1，泵浦激光器1(实际使用的是980nm半导体泵浦激光器)经泵浦/信号波分复用光耦合器2的端口a耦合进激光腔内，波分复用光耦合器2的端口c与掺铒光纤3相连，掺铒光纤后接一偏振控制器4，偏振控制器后接一布喇格光纤光栅8，应力调节装置(10、11)对光纤光栅施加应力，反射器5(实际使用的是由3dB耦合器的一侧两个端口的尾纤相连，成为一Sagnac环，另一侧的一个端口尾纤)与波分复用光耦合器2的端口b相连。泵浦光经波分复用光耦合器2进入掺铒光纤，激发铒光纤产生增益，Sagnac环与布喇格光纤光栅8组成一对反射镜和输出镜，两个满足布喇格光纤光栅反射条件的波长的光在激光腔内起振，并通过布喇格光纤光栅8出射出去。偏振控制器4用于控制激光腔内光的偏振态，调节偏振控制器4，可实现单波长输出和双波长输出之间的转换。输出光谱见图5。

泵浦/信号波分复用光耦合器2至少具有三个端口a、b和c，用于将泵浦光和信号光耦合入掺铒光纤；掺铒光纤3得有一段合适的长度，由泵浦光激励，作为增益介质；一个偏振控制器4，连接在掺铒光纤后面，可调谐布喇格光纤光栅机构前面，用于控制激光腔内光的偏振态；一个反射器5(实际使用的是由3dB耦合器组成的Sagnac环反射器)，作为激光腔的一端反射镜；一个可调谐布喇格光栅机构6，可同时对布喇格光纤光栅施加轴向应力和侧向应力，其中的布喇格光纤光栅8，作为激光腔的另一端反射镜和输出镜；光隔离器7用于隔离外界的反射光。

如图1-4，应力调节架由10、11两部分组成。布喇格光纤光栅8的两端尾纤用环氧树脂粘在导轨13上，调节导轨可对光纤光栅施加轴向应力，图6为单独施加轴向应力时的波长偏移量与应变之间的关系图，两个波长对轴向应力的反应相同。布喇格光纤光栅8夹在两个有机玻璃片15之间，同时夹在有机玻璃之间的还有一支持光纤9，其半径与布喇格光纤光栅所用光纤相同。一个螺丝将两个有机玻璃片夹紧，旋转螺丝可调节光纤光栅所受侧向应力，图7为单独施加侧向应力时两波长之间间距与螺丝旋转角度之间关系。

反射器，可以是各种宽带或窄带光纤或非光纤反射器件，如均匀周期或非均匀周期的布喇格光纤光栅、由3dB耦合器组成的Sagnac环等光纤和非光纤反射器件。

泵浦/信号波分复用光耦合器是与泵浦激光器相适应的耦合器。

可调谐光纤光栅机构可同时施加侧向应力和轴向应力于布喇格光纤光栅，在施加侧向应力时由于弹光效应在光纤中引起应力双折射，使普通布喇格光纤光栅的两个偏振方向正交的反射模在波长上分离开，利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤均匀增益展宽引起的模式竞争，实现常温下双波长稳定输出；通过改变施加于侧向应力的大小来控制两个波长的波长间隔，通过改变施加于轴向应力的大小来控制两个波长的绝对位置。

对于每一个侧向应力和轴向应力，都可通过调整所述的偏振控制器来实现光纤激光器的两个单波长输出和双波长输出之间的开关转换。

应力调节机构(10、11)可使用高刚性能的金属或非金属材料，如锰钢、有机玻璃等。本发明所述的激光器可在常温下工作。

Claims (5)

1.一种单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，它包括：泵浦激光器(1)、泵浦/信号波分复用光耦合器(2)、掺铒光纤(3)、偏振控制器(4)、反射器(5)，可调谐光纤布喇格光栅机构(6)和光隔离器(7)；其特征在于：泵浦/信号波分复用光耦合器(2)的端口(a)与泵浦激光器(1)的输出端相连接，端口(b)与反射器(5)相连接，端口(c)与掺铒光纤(3)的一端相连接，掺铒光纤(3)的另一端与偏振控制器(4)相连接，偏振控制器(4)的另一端与可调谐光纤布喇格光栅机构(6)相连接，可调谐光纤布喇格光栅机构(6)的另一端与光隔离器(7)相连接，激光从光隔离器另一端输出；可调谐光纤布喇格光栅机构(6)由布喇格光纤光栅8、支持光纤(9)、轴向应力调谐机构(10)和侧向应力调谐机构(11)构成；轴向应力调谐机构(10)由固定端(12)、导轨(13)和位移一挠度步进机构(14)构成；侧向应力调谐机构(11)由两片有机玻璃片(15)和侧向位移步进机构(16)构成；支持光纤(9)与布喇格光纤光栅8的半径相同，被平行放于两片有机玻璃片(15)中间，有机玻璃片(15)与侧向位移步进机构(16)相连，侧向位移步进机构(16)将两片有机玻璃片(15)夹紧，通过调整侧向位移步进机构(16)调节在布喇格光纤光栅8上的侧向应力大小，布喇格光纤光栅8的尾纤一端由固定端(12)固定住，尾纤另一端用环氧树脂粘在导轨(13)上，导轨(13)与步进机构(14)相连，通过步进机构(14)调节导轨(13)对布喇格光纤光纤施加轴向应力；在施加侧向应力时由于弹光效应在光纤中引起应力双折射，使写在标准单模光纤上的普通光纤布喇格光栅的两个偏振方向正交的反射模在波长上分离开，利用偏振烧孔效应克服掺铒光纤均匀增益展宽引起的模式竞争，实现常温下双波长稳定输出；通过改变施加于侧向应力的大小来控制两个波长的波长间隔，通过改变施加于轴向应力的大小来控制两个波长的绝对位置；对于每一个侧向应力和轴向应力，都通过调整偏振控制器(4)来实现光纤激光器的两个单波长输出和双波长输出的开关转换。

2.根据权利要求1中所述的单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，其特征在于：反射器(5)是各种宽带、窄带光纤、非光纤反射器件，如均匀周期或非均匀周期的光纤布喇格光栅、由3dB耦合器组成的Sagnac环等光纤和非光纤反射器件。

3.根据权利要求1中所述的单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，其特征在于：泵浦激光器(1)是980nm、1480nm的半导体或任何类型激光器。

4.根据权利要求1中所述的单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，其特征在于：泵浦/信号波分复用光耦合器(2)是与泵浦激光器(1)相适应的耦合器，它至少具有三个端口。

5.根据权利要求1中所述的单双波可转换、波长位置及间隔可调的掺铒光纤激光器，其特征在于：轴向应力调谐机构(10)和侧向应力调谐机构(11)由高刚性能的金属、非金属材料组成，如锰钢、有机玻璃。

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