CN207719583U - 一种掺饵光子晶体光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于激光器技术领域，提供了一种掺饵光子晶体光纤激光器，包括形成环形腔的波分复用器、掺饵单模光子晶体光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、耦合器和滤波器，及外接于波分复用器的泵浦激光器。本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器通过利用具有强非线性效应的掺饵单模光子晶体光纤作为增益介质代替传统上采用掺饵光纤和强非线性光纤的结合，基于非线性偏振旋转效应实现了稳定的单波长输出。在传统的可调谐滤波结构的基础上增加了2个偏振控制器减弱增益展宽效应，本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器不仅改善了激光波长的可调谐能力，而且提升了光源的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于激光器技术领域，尤其涉及一种宽调谐、高信噪比的掺饵光子晶体光纤激光器。
背景技术
窄线宽光纤激光器拥有很多显著的优点，例如，高光学相干性、低噪声、改善系统性能和传感灵敏度等；在分布式石油管道监测，光纤通讯和光纤传感领域也被广泛应用。
窄线宽光纤激光器的实现方法有多种：布拉格反射式DBR(Distributed BraggReflection)和分布反馈式DFB(Distributed Feed Back)光纤激光器的短线性腔、环形腔结构、复合环腔，以及引入特殊的光纤布拉格光栅FBG(Fibber Bragg Gratting)作为超窄带通滤波器。最近，窄线宽可调谐光纤激光器已经引起了人们的极大关注，因为加入这些激光器后可以捕捉到更大的气体浓度信号。利用低损耗的可调谐波器和适当的耦合输出比构建了一个具有宽调谐能力的Er:Yb共掺光纤激光器。
结合可调谐滤波器和非线性半导体光放大器，基于反四波混频效应产生的光谱窄化效应实现了可调谐范围为48nm的稳定单频振荡激光输出。掺镱Yb调Q窄线宽光纤激光器，其在线性谐振腔中利用声光调制和多模干涉滤波，实现光谱可调谐能力大于12nm，范围从1038～1050nm。另外，窄线宽激光光源的功率稳定性也直接影响光纤气体传感的灵敏度。结合光纤光栅F-P标准具，FBG以及高掺杂掺饵光纤，2小时内光源波动小于0.5％，3dB线宽小于0.01nm被获得。一个基于匹配两光纤布拉格光栅滤波器的分离式可调谐且输出功率波动小于0.1dB的光纤环形激光器。
虽然现有的激光器能够实现激光输出，但是激光波长的可调谐能力较差，光源不稳定。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种掺饵光子晶体光纤激光器，旨在解决现有的激光器输出的激光的波长的可调谐能力较差，光源不稳定的问题。
本实用新型是这样实现的，一种掺饵光子晶体光纤激光器，包括波分复用器、掺饵单模光子晶体光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、耦合器、滤波器和泵浦激光器，所述波分复用器、所述掺饵单模光子晶体光纤、所述第一偏振控制器、所述偏振相关隔离器、所述第二偏振控制器、所述耦合器和所述滤波器通过光纤连接形成环形腔，所述波分复用器外接所述泵浦激光器；
所述泵浦器，用于产生泵浦光；
所述波分复用器，用于将所述泵浦光引入所述环形腔；还用于将波长不同的多束光信号合成一束光信号，并将合束得到的光信号传输给所述掺饵单模光子晶体光纤；
所述掺饵单模光子晶体光纤，用于在所述泵浦光的辐射下，输出激发光；
所述第一偏振控制器、所述偏振相关隔离器和所述第二偏振控制器，用于对所述激发光进行偏振态调节，得到偏振光；
所述耦合器，用于按照预置比例对所述偏振光进行分束，得到输出光和震荡光，并将所述输出光输出进行检测，将所述震荡光传输给所述滤波器；
所述滤波器，用于对所述震荡光分别进行波长调节、调谐和滤波处理，将处理后的震荡光传输给所述波分复用器。
进一步地，所述泵浦器为980nm半导体激光器。
进一步地，所述第一偏振控制器为3环偏振控制器。
进一步地，所述第二偏振控制器为3环偏振控制器。
进一步地，所述输出光和所述震荡光的比例为10:90。
进一步地，所述滤波器为中心波长可调谐范围从1525～1570nm，3dB带宽1～18nm连续可调的偏振无相关可调谐滤波器。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器包括波分复用器、掺饵单模光子晶体光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、耦合器、滤波器和泵浦激光器，通过利用具有强非线性效应的掺饵单模光子晶体光纤作为增益介质代替传统上采用掺饵光纤和强非线性光纤的结合，基于非线性偏振旋转效应实现了稳定的单波长输出。在传统的可调谐滤波结构的基础上增加了2个偏振控制器减弱增益展宽效应，本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器不仅改善了激光波长的可调谐能力，而且提升了光源的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种掺饵光子晶体光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1示出了本实用新型实施例提供的一种掺饵光子晶体光纤激光器，包括波分复用器WDW、掺饵单模光子晶体光纤ED-PCF、第一偏振控制器PC1、偏振相关隔离器PD-ISO、第二偏振控制器PC2、耦合器Coupler、滤波器TF和泵浦激光器Pump，波分复用器WDW、掺饵单模光子晶体光纤ED-PCF、第一偏振控制器PC1、偏振相关隔离器PD-ISO、第二偏振控制器PC2、耦合器Coupler和滤波器TF通过光纤连接形成环形腔，波分复用器WDW外接泵浦激光器Pump；
泵浦器Pump，用于产生泵浦光；波分复用器WDW，用于将所述泵浦光引入所述环形腔；还用于将波长不同的多束光信号合成一束光信号，并将合束得到的光信号传输给掺饵单模光子晶体光纤ED-PCF；掺饵单模光子晶体光纤ED-PCF，用于在所述泵浦光的辐射下，输出激发光；第一偏振控制器PC1、偏振相关隔离器PD-ISO和第二偏振控制器PC2，用于对所述激发光进行偏振态调节，得到偏振光；耦合器Coupler，用于按照预置比例对所述偏振光进行分束，得到输出光和震荡光，并将所述输出光输出进行检测，将所述震荡光传输给滤波器TF；滤波器TF，用于对所述震荡光分别进行波长调节、调谐和滤波处理，将处理后的震荡光传输给波分复用器WDW。
本实用新型实施例基于非线性偏振旋转效应(NPR，Nonlinear PolarizationRotation)构建了一个全光纤、宽调节、单波长、窄线宽的掺饵光子晶体光纤激光器ED-PCFL(Erbium-Doped Photonic Crystal Fiber Laser)。通过加入两个偏振控制器后，适当改变偏振控制器的旋转角度，将任意输入偏振态的光转换为所设定的任意输出偏振态光，通过改变偏振态满足相位匹配条件，只有满足相位匹配的激光才能实现稳定输出。因而，产生的激光的稳定性及可调谐能力得到了很大的改善。
本实用新型实施例提供的ED-PCFL如图1所示。该ED-PCFL由10m长的掺饵光子晶体光纤ED-PCF(Erbium-Doped Photonic Crystal Fiber)作为增益介质，1个980nm半导体激光器做泵浦器，1个中心波长可调谐范围从1525～1570nm,3dB带宽1～18nm连续可调的偏振无关可调谐滤波器TF(Tunable Filter)，1个90:10的耦合器Coupler，1个偏振相关隔离器PD-ISO以及2个偏振控制器PC组成。PD-ISO与PC组合不仅被用来产生偏振相关损耗,而且可用于保证激光的单向振荡，迫使掺饵光子晶体光纤激光器以行波状态运行，以避免增益烧孔效应的影响。耦合器Coupler将10％作为输出光，用最小分辨率为0.02nm，测量范围从600～1700nm的光谱仪测量输出光谱，本实施例中的第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2均采用3环偏振控制器。
本实用新型实施例中，通过：
1、使用偏振无关可调谐滤波器TF，偏振相关隔离器PD-ISO以及两个偏振控制器PC，能够获得了更好的输出性能。具体地，通过各个器件的功能相互配合实现稳定的波长输出。偏振无关可调谐滤波器TF具有宽调谐作用，PD-ISO与PC的组合起小范围调节作用，如果偏振无关可调谐滤波器TF的输出波长和PD-ISO与PC的组合产生的偏振相关损耗不匹配，即偏振无关可调谐滤波器TF出射波长不满足相位匹配调节，也无法实现稳定的激光输出。此时，可通过适当旋转偏振控制器PC的角度来实现偏振无关可调谐滤波器TF输出波长的稳定输出。PD-ISO与PC组合可用于保证激光的单向振荡，迫使掺饵光子晶体光纤激光器ED-PCFL以行波状态运行，以避免增益烧孔效应的影响。
2、使用两个偏振控制器PC不仅获得了更窄的线宽，而且能够使光源峰值输出功率更加稳定。其中，偏振态的改变通过旋转偏振控制器PC中每个曲柄的角度θ1，θ2和θ3，基于非线性偏振旋转引起与偏振相关的损耗来实现稳定的可调谐激光输出。本实施例中使用的偏振控制器PC的控制原理为：第一个四分之一波片把任意的输入偏振光转变为线偏振光，二分之一波片把此线偏振光转到任一期望得到的偏振方向，最终第二个四分之一波片再将该偏振光转变成任何希望得到的输出偏振态。在本实施例中，第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2的作用是等价的，使用2个偏振控制器是为了可以使输出波长可以调节得更细致。
3、使用偏振无相关可调谐滤波器TF选取增益介质的增益范围，仅当输出波长在TF的滤波范围之内且偏振损耗较小的激光才能获得稳定输出。换句话说，TF起宽调谐的作用，而PC则可实现对输出波长的精细调节。因而，本实施例可以获得更短的可调谐步进波长，通过适当调节TF及PC实现所需要的目标输出波长。具体地，增益介质的增益范围较宽，可达到100nm左右，通过TF后只有部分波长能输出。通过人工调节TF的滤波范围，只有当增益介质的增益范围满足TF的滤波范围时，对应的光谱才能实现稳定输出。本实施例中表述的偏振损耗较小是和其它输出波长相比较而言的，其能实现输出的激光波长其偏振态与PD-ISO的偏振方向一致。PD-ISO只允许某一特定的偏振态波长通过，如果某波长的偏振态与PD-ISO所允许的偏振方向相垂直，则该波长会被完全阻隔损耗掉，而如果其与PD-ISO所允许的偏振方向成一小于90度的夹角，则部分损耗；如若相平行，则完全通过。在TF的滤波范围不变的情况下，适当的改变3环偏振控制器的角度，即可实现输出波长的小范围调节。
本实用新型实施例提供的所提出的掺饵光子晶体光纤激光器ED-PCFL的关键组件是两个偏振控制器PC，为了补偿因为增加2个偏振控制器带来的腔损，将泵浦器的泵浦功率增加到81.14mW,该值低于锁模阈值功率，光谱的3dB线宽为0.02nm,稳定性得到了很大的改善，而由于PD-ISO和PC结合产生的非线性偏振旋转效应，抑制了显著的模式跳变和模式竞争。PD-ISO和任意1个PC都能产生非线性偏振旋转效应，本实施例加入2个PC能够更细致的改变光的偏振方向，进而实现波长的精细调节。
由于掺饵单模光子晶体光纤在室温下具有有效抑制铒离子自身增益展宽的特性，当环形腔中加入2个PC后，不但光谱变窄了，而且光源的稳定性也有很大的改善。
本实用新型实施例通过调节TF的中心波长和PC的旋转角实现波长的调谐。波长可调谐范围覆盖了C波段，范围从1525.66～1566.34nm，跨度约40nm。基于HITRAN 08数据库模拟的乙炔吸收线强度所示，从中可知ED-PCFL的波长可调谐范围覆盖了乙炔P支吸收线。接着，通过调节TF和PC控制输出波长去匹配乙炔从1528.014～1535.396nm之间的吸收峰。ED-PCFL输出波长与乙炔气体吸收峰偏差小于0.02nm，可以很好的解决光源输出波长很难高精度对准气体吸收峰的问题。本实施例中，两个PC都可以调节，至于调节哪个、调节角度多少，取决于所需要的目标输出波长。
本实用新型实施例可以获得的波长可调谐步进长度小于0.5nm的稳定激光输出，比现有技术中采用可调谐FBG实现的波长可调谐步进长度更短。这充分证明了本实用新型实施例应用在激光气体传感及光纤传感领域的潜力。本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器ED-PCFL的波长可调谐能力强，输出光谱的稳定性相比没有PC时也有很大的改善，可用它来做气体传感的光源。
在本实用新型实施例中，波分复用器WDM将波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，其将泵浦器Pump中的光引入环形腔内，泵浦光通过以掺饵单模光子晶体光纤ED-PCF作为的增益介质时被吸收，ED-PCF中的铒离子形成粒子数反转，最后在该ED-PCF中产生受激辐射而输出激光，由泵浦激光波长转换成掺稀土离子的激射波长。2个偏振控制器PC的作用都是相同的，都通过调节其旋转角，实现偏振态调节，进而获得想要的输出波长。PD-ISO为偏振相关隔离器，其等价于偏振片与隔离器的组合，对不同偏振状态光的损耗不同。经过PD-ISO后不同波长的线偏振光在通过偏振控制器PC时经历了不同的相移，其偏振状态改变不同，形成不同偏振态的椭圆偏振光。PD-SIO将偏振态的差异转变成损耗的差异，也就是说，偏振控制器PC对不同波长偏振态的调节等效于对其腔内损耗的调节，从而实现波长的可调谐输出。耦合器Coupler的作用是分光作用，其耦合比为90:10,10％作为输出端，即10％的光输出用于检测，90％的光留到环形腔内继续震荡，提高光腔精细度，实现稳定激光输出。偏振无关可调谐滤波器TF的中心波长可调谐范围从1525～1570nm,3dB可调谐带宽从1～18nm连续可调。TF作用主要是控制激光波长的可调谐范围、调谐及滤波作用，其可调谐步长约1nm。加入两个偏振控制器PC后，掺饵光子晶体光纤激光器的输出波长调谐步长可达0.02nm，输出波长可与气体吸收峰完全对准。如若输出波长与气体吸收峰所对应的波长相隔0.03nm,则其吸收强度就可能衰减一半，光源输出波长所对应的吸收强度越强，光源对气体的探测能力越强。具体地，通过适当的调节TF和PC，获得了输出中心波长位于1550.044nm处的稳定单波长输出。当泵浦功率达到600mW时，信噪比达到最大值63dB，此极高的信噪比表明，该ED-PCFL具有极好的模式选择能力，这非常有利于气体传感。因而，本实用新型实施例提供的ED-PCFL具有很强的实用性。
本实用新型实施例提供的掺饵光子晶体光纤激光器ED-PCFL在30min的测试过程中表现出了很好的稳定性，最大波长漂移仅8pm，峰值功率标准差约为0.03dB。制比高于63dB,3dB线宽为0.02nm,超过了40nm的波长可调谐范围的稳定单波长振荡。波长可以高精度对准目标气体吸收峰，实现波长步进长度小于0.5nm的稳定激光输出，这表明该激光器在激光气体传感和光纤传感领域有很大的应用潜力。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，包括波分复用器、掺饵单模光子晶体光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、耦合器、滤波器和泵浦激光器，所述波分复用器、所述掺饵单模光子晶体光纤、所述第一偏振控制器、所述偏振相关隔离器、所述第二偏振控制器、所述耦合器和所述滤波器通过光纤连接形成环形腔，所述波分复用器外接所述泵浦激光器；
所述泵浦器，用于产生泵浦光；
所述波分复用器，用于将所述泵浦光引入所述环形腔；还用于将波长不同的多束光信号合成一束光信号，并将合束得到的光信号传输给所述掺饵单模光子晶体光纤；
所述掺饵单模光子晶体光纤，用于在所述泵浦光的辐射下，输出激发光；
所述第一偏振控制器、所述偏振相关隔离器和所述第二偏振控制器，用于对所述激发光进行偏振态调节，得到偏振光；
所述耦合器，用于按照预置比例对所述偏振光进行分束，得到输出光和震荡光，并将所述输出光输出进行检测，将所述震荡光传输给所述滤波器；
所述滤波器，用于对所述震荡光分别进行波长调节、调谐和滤波处理，将处理后的震荡光传输给所述波分复用器。
2.如权利要求1所述的掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，所述泵浦器为980nm半导体激光器。
3.如权利要求1所述的掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，所述第一偏振控制器为3环偏振控制器。
4.如权利要求1所述的掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，所述第二偏振控制器为3环偏振控制器。
5.如权利要求1所述的掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，所述输出光和所述震荡光的比例为10:90。
6.如权利要求1所述的掺饵光子晶体光纤激光器，其特征在于，所述滤波器为中心波长可调谐范围1525～1570nm，3dB带宽1～18nm连续可调的偏振无相关可调谐滤波器。
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