CN210379755U - 基于微纳光纤环形结的单纵模激光器及测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器及测试装置，包括泵浦激光二极管、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、光学可调谐滤波器、光纤耦合器和微纳光纤环形结谐振腔；光纤激光器将双端锥形光纤制成的微纳光纤环形结谐振腔结合到腔体中，作为纵向模式选择器件，利用游标效应，产成单纵模输出。本实用新型将未泵浦的掺铒光纤插入光纤激光器中进一步实现稳定的单纵模激光输出；通过级联光学可调谐滤波器，可以改变可调谐滤波器的中心波长来生成宽范围的单纵模激光；基于微纳光纤环形结谐振腔和游标效应，实现可调谐的单纵模掺铒光纤激光器，具有出色的稳定性和线性度。

Description

基于微纳光纤环形结的单纵模激光器及测试装置

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术，尤其涉及一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器及测试装置。

背景技术

由于单纵模光纤激光器在光纤传感、光学仪器测试和光通信方面的潜在应用，特别是在1.55μm波长区域的波分复用的相关应用，单纵模光纤激光器受到了广泛的关注。目前有许多方法能够实现光纤激光器中的单纵模操作，例如短腔法、法布里-珀罗干涉仪、光纤布拉格光栅、可饱和吸收体和复合腔结构等。

短腔法是一种有效的产生单纵模的方法，短腔法可以直接增加纵模间距，但短腔长会限制激光器的输出功率。法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅可用作腔体中的光纤滤波器，也可以实现单纵模操作，但它有以下缺点，体积庞大、制造复杂、价格昂贵、系统不稳定等。另一种方法是使用未泵浦的掺铒光纤作为光纤环形镜或线性腔中的可饱和吸收体，以产生自跟踪光学滤波器。

目前最引人注目的方法是复合腔法，它利用游标效应，可以增加纵模间距。根据游标效应，有两种方法可以扩展复合腔的自由光谱范围。一种方法是使两个环腔之间的差异非常小，该方法通常需要级联的多个环形腔，这使得结构更复杂并且更不紧凑。另一种方法是使两个腔中的一个腔非常短，这样复合腔的自由光谱范围近似等于非常短的腔的自由光谱范围；该方法的优点在于既能使用较长的主腔来获得更大的增益，又能通过较短的腔来获得更大的自由光谱范围，从而实现单纵模操作。

因此，如何制作一个长度为微米或纳米级别的环形腔，对于实现单纵模激光器非常重要。然而，由于级联微纳光纤环形结滤波器的透射谱不平坦，因而仍存在不能实现可调谐功能、损耗大、会降低激光器的斜率效率等问题。

实用新型内容

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器及测试装置，实现可谐调功能。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，包括泵浦激光二极管、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器、隔离器、微纳光纤环形结、第一光纤耦合器，所述泵浦激光二极管连接波分复用器输入端，波分复用器输出端连接掺铒光纤，掺铒光纤连接偏振控制器输入端，偏振控制器输出端连接隔离器输入端，隔离器输出端连接微纳光纤环形结输入端，微纳光纤环形结输出端连接第一光纤耦合器输入端，第一光纤耦合器输出端连接波分复用器输入端，第一光纤耦合器输出端为单纵模激光器的输出。

进一步地，所述微纳光纤环形结和第一光纤耦合器之间还连接有第二光纤耦合器，第二光纤耦合器另一端连接非泵浦掺铒光纤。

进一步地，所述隔离器输出端还连接有光学可调谐滤波器，光学可调谐滤波器另一端连接微纳光纤环形结输入端。

进一步地，微纳光纤环形结由双端锥形光纤制成。

进一步地，所述单纵模激光器中所有器件通过光纤熔接的方式依次相互连接。

一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器测试装置，还包括第三光纤耦合器，其输入端连接于第一光纤耦合器输出端，第三光纤耦合器输出端连接光谱分析仪及频谱分析仪。

有益效果：本实用新型为可调谐激光器，具有宽调谐带宽特性，其激光波长调谐范围为1545-1565nm。

本实用新型是基于微纳光纤环形结和游标效应的可宽范围调谐的单纵模掺铒光纤激光器，可以产生用于单纵模输出的游标效应。

本实用新型进一步地增加一段未泵浦的掺铒光纤，可以进一步抑制模式竞争，从而获得较高的稳定性。

附图说明

图1是基于微纳光纤环形结的单纵模激光器示意图；

图2a是微纳光纤环形结示意图，图2b是微纳光纤环形结典型传输透射谱；

图3a是微纳光纤环形结显微镜图像，图3b是从1550nm到1552nm波长范围的透射光谱，图3c是从1540nm到1570nm波长范围的透射光谱；

图4a是泵浦功率为50mW波长范围为1550nm至1553nm的激光光谱，图4b是泵浦功率为50mW波长范围为1551.35nm至1551.55nm的激光光谱，图4c是含微纳光纤环形结使用自零差法测量单纵模激光器的射频频谱，图4d是不含微纳光纤环形结使用自零差法测量单纵模激光器的射频频谱；

图5a是在波长1535-1570nm处调谐的射频频谱，图5b是在波长1545-1565nm处调谐的激光光谱；

图6a是泵浦功率为50mW时2.5小时内测得的输出频谱，图6b是输出激光强度波动和波长变化，图6c是激光输出功率与泵浦功率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型所述的基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，包括974nm泵浦激光二极管1、波分复用器2、掺铒光纤3、偏振控制器4、隔离器5、微纳光纤环形结7、第一光纤耦合器10，所述泵浦激光二极管1连接波分复用器2输入端，波分复用器2输出端连接长度为5m的掺铒光纤3，掺铒光纤3连接偏振控制器4输入端，偏振控制器4输出端连接隔离器5输入端，隔离器5输出端连接光学可调谐滤波器6输入端，光学可调谐滤波器6输出端连接微纳光纤环形结7输入端，微纳光纤环形结7输出端连接第一光纤耦合器10输入端，第一光纤耦合器10输出端连接波分复用器2输入端，第一光纤耦合器10输出端为单纵模激光器的输出。单纵模激光器中所有器件通过光纤熔接的方式依次相互连接。

如图2a所示，为微纳光纤环形结，当输入光E₁从端口1进入环形结腔体时，能量在耦合区域中以特定比率耦合到端口3和端口4。耦合到端口3中的光E₃在腔体中传输一段距离之后，又进入耦合区域，并再次以一定比率耦合到端口3和端口4。通过重复耦合传输，获得最终的传输频谱。根据耦合模式理论，微纳光纤环形结透射光谱如图2b 所示。

如图3a所示，为微纳光纤环形结的显微镜图像，标准单模光纤通过火焰修饰技术逐渐变细至直径约5μm，然后手工将微纳光纤打结，再将结慢慢地拉紧到所需的尺寸。从图3b可以看出，从1550nm到1552nm波长范围的透射光谱，透射光谱在很宽的波长范围内具有良好的平坦度。微纳光纤环形结谐振腔的透射光谱的自由光谱范围为0.15nm， 3dB带宽为0.023nm，损耗为3.2dB，激发比为9dB。测量微纳光纤环结谐振腔的Q因子和精细度分别为77500和6.5。图3c为微纳光纤环形结谐振腔在从1540nm到1570nm 波长范围的透射光谱。

微纳光纤环形结7由双端锥形光纤制成，可以利用游标效应，生成单纵模输出。通过级联光学可调谐滤波器，光学可调谐滤波器波长范围1530-1570，3db带宽0.5，调整滤波器的中心波长来生成可调谐的单纵模激光。

为进一步实现稳定的单纵模激光输出，将未泵浦掺铒光纤插入光纤激光器腔体中。微纳光纤环形结7和第一光纤耦合器10之间还连接有第二光纤耦合器8，第二光纤耦合器8另一端连接非泵浦掺铒光纤9。

本发明获得的稳定的单纵模激光器可在1545至1565nm之间调谐，边模抑制比高达55dB。这种简单而新颖的全光纤激光光源可以应用于许多领域，例如光学仪器测试、光学传感和模式复用。

基于微纳光纤环形结的单纵模激光器测试装置，还包括第三光纤耦合器11，其输入端连接于第一光纤耦合器10输出端，第三光纤耦合器11输出端连接光谱分辨率为0.02nm的光谱分析仪12及耦合器单臂10％的频谱分析仪13。

第二光纤耦合器8，第三光纤耦合器11为3dB光纤耦合器；第一光纤耦合器10为90:10光纤耦合器。

如图4所示，本发明为了验证微纳光纤环形结谐振腔能够产生稳定的单纵模，分别比较了腔内含有微纳光纤环形结谐振腔和没有微纳光纤环形结谐振腔的激光器的光谱和频率特性。

如图4a所示，泵浦功率为50mW，波长范围为1550nm至1553nm的带微纳光纤环形结的激光光谱图4b为波长范围为1550nm至1553nm的不带微纳光纤环形结的激光光谱。当微纳光纤环形结谐振腔插入激光器腔体中时，波长从1550nm移动到1551nm，并且边模抑制比略微改善；3dB带宽从0.2nm减小到0.18nm，到达分辨极限。

通过延迟的自零差分方法验证是否为单纵模输出，图4c为微纳光纤环形结谐振腔使用自零差法测量所提出的单纵模环形激光器的射频频谱，图4d为不使用微纳光纤环形结谐振腔使用自零差法测量所提出的单纵模环形激光器的射频频谱。当MKR插入腔时，在射频频谱中没有观察到拍频，如图4c所示。如图4d所示，显示了频率范围为1GHz 的跳动频率。

如图5所示，为激光器的调谐特性，图5a通过调节50mW泵的光学可调谐滤波器测量的频谱，当波长在1545-1565nm之间调整时，此范围内没有出现拍频噪声，激光器可以实现稳定的单纵模输出。但是，如果波长超过上述波长范围，激光器就无法实现单纵模输出。在50mW泵浦时，1545-1565nm范围内的激光光谱如图5b所示。

如图6a和图6b所示，为在泵功率为50mW的情况下，2.5小时的时间段内在1551.45nm的固定波长下测量的输出光谱。在不同时间点的测量中未观察到光谱发生明显变化。波长波动小于0.01nm，功率波动小于0.3dBm。上述结果证实了本发明制作的单纵模光纤激光器具有良好的稳定性。如图6c显示了激光输出功率与泵浦功率的关系，斜率效率约为6.9％，证实了本发明制得的单纵模激光器具有良好的线性度。

Claims (6)

1.一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，其特征在于：包括泵浦激光二极管(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、偏振控制器(4)、隔离器(5)、微纳光纤环形结(7)、第一光纤耦合器(10)，所述泵浦激光二极管(1)连接波分复用器(2)输入端，波分复用器(2)输出端连接掺铒光纤(3)，掺铒光纤(3)连接偏振控制器(4)输入端，偏振控制器(4)输出端连接隔离器(5)输入端，隔离器(5)输出端连接微纳光纤环形结(7)输入端，微纳光纤环形结(7)输出端连接第一光纤耦合器(10)输入端，第一光纤耦合器(10)输出端连接波分复用器(2)输入端，第一光纤耦合器(10)输出端为单纵模激光器的输出。

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，其特征在于：所述微纳光纤环形结(7)和第一光纤耦合器(10)还连接有第二光纤耦合器(8)，第二光纤耦合器(8)另一端连接非泵浦掺铒光纤(9)。

3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，其特征在于：所述隔离器(5)输出端还连接有光学可调谐滤波器(6)，光学可调谐滤波器(6)另一端连接微纳光纤环形结(7)输入端。

4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，其特征在于：微纳光纤环形结(7)由双端锥形光纤制成。

5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环形结的单纵模激光器，其特征在于：所述单纵模激光器中所有器件通过光纤熔接的方式依次相互连接。

6.一种基于微纳光纤环形结的单纵模激光器测试装置，用于测试权利要求1-5任一所述的单纵模激光器，其特征在于：还包括第三光纤耦合器(11)，其输入端连接于第一光纤耦合器(10)输出端，第三光纤耦合器(11)输出端连接光谱分析仪(12)及频谱分析仪(13)。

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