CN218386180U - 一种多类型光纤复合组成的被动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多类型光纤复合组成的被动锁模光纤激光器，包括泵浦源、单向光隔离器，另外还有由波分复用器、掺铒增益光纤、偏振无关光隔离器、光分束器、偏振控制器、可饱和吸收体所组成的环形腔，每个器件通过单模光纤依次耦合。其中，可饱和吸收体由渐变折射率多模光纤、无芯光纤、渐变折射率多模光纤依次耦合而成。可饱和吸收体利用了多模光纤非线性干涉效应过滤了大部分高阶模信号光，实现了可饱和吸收。本实用新型所述的被动锁模光纤激光器实现了锁模稳定、光信号脉冲高信噪比与脉宽极窄等优点。

Description

一种多类型光纤复合组成的被动锁模光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器领域，具体涉及一种多类型光纤复合组成的被动锁模光纤激光器。

背景技术

锁模光纤激光器在许多方面都有着广阔的应用前景，包括工业应用和生物医学领域。它拥有优异的抗电磁干扰能力，结构紧凑，能够输出超短脉冲，对温度与湿度变化不敏感等特点。其自身所拥有的自启动特点是被市场所看好的，即每次启用就可以输出锁模脉冲，这利于其工业化进程。同时近些年大量关于锁模光纤激光器的研究正不断地开展，相关研究已产出大量成果，展示了它理论层面上的实用意义。

被动锁模光纤激光器在原来光纤激光器的基础上可实现飞秒级量级的稳定脉冲输出与多种光孤子信号的输出。其利用光纤非线性或多种可饱和吸收体实现光纤激光器的被动锁模效果，包括运用半导体可饱和吸收镜，二维nm材料和过渡金属二硫属化物等。其中运用以多模光纤为代表的可饱和吸收体制成的全光纤结构被动锁模光纤激光器具有的结构稳定，能量损耗低等特点是大部分其他类型的锁模激光器所无法比拟的。其利用非线性多模干涉与自聚焦效应使得从单模光纤进入到多模光纤的光信号发生模式色散，同时高阶模式的光信号发生损耗，留下大部分能量的低阶模式的光信号。在激光腔之中，峰值功率限制效应和非线性色散效应能够使得腔内产生的光孤子会发生色散，其中大量的光孤子研究是以1550nm波长的光信号为研究基础的，这有助于我们去深入研究超长距离与超大信息传输容量的光孤子通信方式与发掘其市场应用可行性。

常见的被动锁模光纤激光器的锁模效果不够优秀，由于其实现锁模的途径以及可饱和吸收材料自身的性能差距，有相当一部分激光器在锁模情况下仍然有一些连续光存在，锁模稳定性较弱，光脉冲信噪比低，脉宽不够窄等缺点，进而影响光孤子的质量。

实用新型内容

为了改良被动锁模光纤激光器的被动锁模性能，降低连续光含量，提升脉冲信号信噪比与压缩脉宽，本实用新型提供一种基于全光纤结构的可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，该可饱和吸收体由渐变折射率多模光纤结构与无芯光纤结构所组成，结构与结构和结构与激光器系统之间皆通过光纤熔接机熔接后相连。使用这种可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器可以有效地抑制连续光的存在,实现稳定的被动锁模，光脉冲的高信噪比以及飞秒级脉宽，同时可以产生多种光孤子信号。

为实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种被动锁模光纤激光器，由依次耦合的透射型波分复用器、掺铒增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光分束器以及可饱和吸收体组成，可饱和吸收体之后又与波分复用器耦合并形成环形腔结构，波分复用器又依次与光单项隔离器和泵浦源耦合。首先，泵浦光从泵浦源发出经过光单向隔离器后由波分复用器耦合进环形腔中，先由腔内增益光纤将泵浦光转变为信号光并增益，信号光经过光单向隔离器、偏振控制器、偏振无关隔离器、光分束器后进入可饱和吸收体。信号光在可饱和吸收体中锁模后回到波分复用器，由之后的偏振控制器调节信号光的偏振态，再由光分束器将一小部分信号光耦合出激光器系统，其余光信号在环形腔中进行进一步增益和模式筛选。

上述的被动锁模光纤激光器中，使用的可饱和吸收体由两种光纤、三个部分组成，第一部分是渐变折射率多模光纤，第二部分是无芯光纤，第三部分与第一部分一样是渐变折射率多模光纤，各部分之间使用光纤熔接机依次熔接而成，同时第一部分和第三部分也使用同样方法将可饱和吸收体分别同光分束器与波分复用器进行耦合。光信号在可饱和吸收体中受非线性多模干涉、模式色散和子聚焦效应影响，在第二部分和第三部分中进行二次模式筛选后留下高能量低阶模式锁模光信号。

上述的被动锁模光纤激光器中，所有包含光纤的器件皆采用的是单模光纤熔接耦合方式。

上述的被动锁模光纤激光器中，泵浦源是半导体激光器，输出波长为976nm。与之连接的光单向隔离器仅支持976nm光由泵浦源通向波分复用器。

上述的被动锁模光纤激光器中，波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、光分束器的工作波长在1520nm与1620nm之间。

上述的被动锁模光纤激光器中，掺铒增益光纤的长度在1.2m与2m之间。

上述的被动锁模光纤激光器中，光分束器的输出段输出比为90:10，即90％的光信号留在环形腔内，10％的光信号耦合出环形腔。

上述的被动锁模光纤激光器中，偏振控制器选用了手动旋转三桨型偏振控制器。

上述的可饱和吸收体中，渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，无芯光纤的包层直径为125μm。

作为优选方案，所述无芯光纤的长度应控制在200μm与220μm之间。

作为优选方案，所述渐变折射率多模光纤的长度皆应控制在20cm与25cm之间。

本实用新型的有益效果是：本实用新型搭建的被动锁模光纤激光器系统中，透射型波分复用器、掺铒增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光分束器以及可饱和吸收体组成了环形结构的谐振腔。由泵浦源提供的泵浦光通过波分复用器进入环形腔后，受增益光纤增益产生信号光，信号光每次经过增益光纤又会被增益放大。偏振无关隔离器保持信号光在环形腔内的单向传输，偏振控制器负责调控信号光的偏振态，光分束器输出一部分的光信号。在信号光进入可饱和吸收体中，由于渐变折射率多模光纤的纤芯直径大于单模光纤的纤芯直径，高阶模光信号被激发。又由于渐变折射率多模光纤和无芯光纤之间的折射率和芯径差异，无芯光纤进一步激发更多高阶模光信号。因此，在渐变折射率多模光纤包层中传播的高阶模式的光信号在耦合进单模光纤时损耗，而低阶模式保持在纤芯中传播，从而实现可饱和吸收操作。同时第三部分渐变折射率多模光纤前面的无芯光纤可以在很大程度上将高阶模式的信号光引入包层，这进一步地削弱了连续光，增强了非线性效应。由于具有近似对称的结构，以及将无芯光纤的长度控制在了自聚焦周期之内，该可饱和吸收体具有较高的耦合效率，能够输出稳定的锁模光信号。该激光器系统产生的光脉冲信噪比高，脉宽能够达到飞秒量级，且不受外部环境因素变化的影响，能够产生多种光孤子。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例以及直观体现上述技术方案，将通过下面的附图进行进一步介绍与说明。

图1是本实用新型实施例提供的被动锁模光纤激光器的一种结构示意图；

图2是本实用新型实施例中可饱和吸收体的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中可饱和吸收体的调制深度曲线图；

图4是光纤激光器系统被动锁模时输出的传统光孤子的光谱图；

图5是激光器系统输出的传统光孤子的频谱图；

图6是激光器系统输出的传统光孤子的自相关曲线图；

图7是激光器系统输出的束缚态光孤子的光谱图；

图8是激光器系统输出的束缚态光孤子的自相关曲线图；

图9是激光器系统输出的高阶束缚光孤子的光谱图；

图10是激光器系统输出的高阶束缚光孤子的自相关曲线图。

其中，附图标记代表如下所示：976nm半导体激光泵浦源1，980nm单向光隔离器2，976nm/1550nm透射型波分复用器3，掺铒增益光纤4，偏振无关光隔离器5，90:10光分束器6，偏振控制器7，可饱和吸收体8，渐变折射率多模光纤9，无芯光纤10。

具体实施方式

现有的被动锁模光纤激光器由于使用不同结构和材料的可饱和吸收体，大部分可饱和吸收体无法兼顾稳定锁模、大幅降低连续光、高信噪比和超窄脉宽信号光的输出。为此，提出了一种基于新型全光纤结构可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，一次性有效地解决与缓解了上述问题。以下给出本实用新型的具体实施，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例中，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面参考附图并结合实施来对本实用新型进行详细、完整地描述。

【实施例1】

如图1，其展示了整个被动锁模光纤激光器的结构示意图，将976nm半导体激光泵浦源1，980nm单向光隔离器2，976nm/1550nm透射型波分复用器3，掺铒增益光纤4，偏振无关光隔离器5，90:10光分束器6，偏振控制器7，可饱和吸收体8，976nm/1550nm波分复用器3依次进行光纤端面之间的熔接耦合方式。并且，976nm/1550nm波分复用器3，掺铒增益光纤4，偏振无关光隔离器5，90:10光分束器6，偏振控制器7，可饱和吸收体8在通过单模光纤互相熔接耦合后形成了环形腔结构。如图2，可饱和吸收体按照渐变折射率多模光纤8，无芯光纤9，渐变折射率多模光纤8的顺序依次将各光纤端面之间熔接耦合。

如图1，976nm半导体激光泵浦源1为整个激光器系统提供了泵浦光，是系统中唯一的光源。与之耦合的是976nm单向光隔离器2，其保证了泵浦光只能从泵浦源向激光器系统内部的传输，避免泵浦源受到反向传输的泵浦光的破坏。泵浦光从泵浦源出发经过光隔离器进入到976nm/1550nm波分复用器3。需要强调的是，980nm单向光隔离器2与976nm/1550nm波分复用器3的976nm光纤端口耦合连接。至此，泵浦光汇入了环形腔。

本实施例中，泵浦源和光隔离器也可以是1480nm半导体激光泵浦源和1480nm单向光隔离器，波分复用器也随之替换为1480nm/1550nm透射型波分复用器或者反射型波分复用器，具体使用依据使用者自身实际情况选择。

泵浦光由976nm/1550nm波分复用器3与掺铒增益光纤4之间耦合的单模光纤进入到掺铒增益光纤4。其中，976nm/1550nm波分复用器3的1550nm光纤输出端与掺铒增益光纤4端面之间通过单模光纤的两端端面利用光纤熔接机依次熔接耦合。进入掺铒增益光纤4的泵浦光激励光纤里的三价铒粒子发生受激辐射，激发出1550nm波长的信号光。每当泵浦光在环形腔中经过一次增益光纤，都会发生一次增益作用产生新的信号光，从而放大信号光。

偏振无关光隔离器5与掺铒增益光纤4也通过上述的相同耦合方式耦合，此隔离器仅允许1550nm信号光在环形腔内的单向传输，防止相反传输方向的1550nm信号光在可饱和吸收体8内的相遇影响可饱和吸收的被动锁模效果。

90:10光分束器6的输入端接收来自偏振无关光隔离器5的正向传播1550nm信号光。其中，分束器的90％光能量输出端输出信号光到与之耦合的偏振控制器7中，10％光能量输出端将信号光导出激光器系统用于应用与监测。在本实施例中，光分束器可使用的输出端比例型号有选择，使用者可根据自身实际情况挑选，但务必要让50％以下的光信号导出激光器系统以防止过多的光损耗。

偏振控制器7为手动控制的三桨型偏振控制器，用于调节环形腔内1550nm信号光的偏振态。该偏振控制器能够得到预设偏振方向的线偏振光信号，三个λ/4光纤推迟环各自可旋转任意角度，当偏振态光信号在其中传输时，通过旋转三个推迟环的快慢轴相对位置，获得预期的偏振态光信号。

可饱和吸收体8两端与偏振控制器7和976nm/1550nm波分复用器3利用光纤熔接机通过光纤熔接耦合方式连接，可饱和吸收体8本体不包含单模光纤。本实施例基于可饱和吸收体8利用1550nm信号光实现可饱和吸收作用，最后信号光回到波分复用器，视为信号光在环形腔内完成了一次振荡，再经过多次振荡即可输出稳定的光脉冲。

如图2，先假定信号光从左端进入可饱和吸收体的渐变折射率多模光纤8内，当信号光从单模光纤的纤芯进入渐变折射率多模光纤8时，由于渐变折射率多模光纤的纤芯直径比单模光纤的直径大，因此激发出了高阶模信号光。由于渐变折射率多模光纤的纤芯和无芯光纤9之间的折射率和芯径的差异，无芯光纤进一步激发了更多的高阶模光信号。结果，高阶模信号光大部分进入了另外一边的渐变折射率多模光纤的包层，而渐变折射率多模光纤的包层中传播的高阶模信号光在进入单模光纤时泄漏，低阶模信号光保持在光纤纤芯中行进，从而实现可饱和吸收作用。

图3是可饱和吸收体8的调制深度曲线，入射光功率与可饱和吸收体的透过率成正比例相关，同时在输入光功率足够大的情况下透过率会达到饱和。其测量结果表明它的饱和强度与调制深度分别为6.12μJ/cm²和8.08％。

图4是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的光谱图，其中心波长为1575.5nm，3dB带宽为4.4nm，图中的凯利边带低于波形中心代表连续光含量低。

图5是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的频谱图，信噪比为66dB，对应的脉冲重复频率为18.9MHz。

图6是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的自相关曲线图，脉宽为707fs。

图7是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的束缚态光孤子光谱图，其中心波长为1572nm，调制周期为0.359nm。

图8是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的束缚态光孤子自相关曲线图，脉宽为801fs，对应的束缚孤子对间隔为23.24ps。

图9是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为254mW时输出的高阶束缚光孤子光谱图，其中心波长为1579nm，调制周期为0.13nm。

图10是本实用新型实施例中被动锁模光纤激光器在泵浦光功率为180mW时输出的高阶束缚光孤子自相关曲线图，脉宽为734fs，包含3个紧束缚孤子对和6个松散束缚孤子对。

综上所述，本实用新型实现了被动锁模光纤激光器的稳定锁模、大幅降低连续光、高信噪比和超窄脉宽信号光的输出，以及各种光孤子信号的产生。

以上所述仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的技术人员而言，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型技术方案的精神和原则范围内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.被动锁模光纤激光器中，由依次耦合的透射型波分复用器、掺铒增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光分束器以及可饱和吸收体组成，可饱和吸收体之后又与波分复用器耦合并形成环形腔结构，波分复用器又依次与光单项隔离器和泵浦源耦合；激光器系统的各部分之间通过单模光纤耦合，其利用光纤熔接机将各部分之间的单模光纤依次熔接耦合；首先，泵浦光从泵浦源发出经过光单向隔离器后由波分复用器耦合进环形腔中，先由腔内增益光纤将泵浦光转变为信号光并增益，信号光经过光单向隔离器、偏振控制器、偏振无关隔离器、光分束器后进入可饱和吸收体；信号光在可饱和吸收体中锁模后回到波分复用器，由之后的偏振控制器调节信号光的偏振态，再由光分束器将一小部分信号光耦合出激光器系统，其余光信号在环形腔中进行进一步增益和模式筛选。

2.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：所有包含光纤的器件采用的是单模光纤熔接耦合方式。

3.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：泵浦源是半导体激光器，输出波长为976nm；与之连接的光单向隔离器仅支持976nm光由泵浦源通向波分复用器。

4.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、光分束器的工作波长在1520nm与1620nm之间。

5.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：掺铒增益光纤的长度在1.2m与2m之间。

6.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：光分束器的输出段输出比为90:10，即90％的光信号留在环形腔内，10％的光信号耦合出环形腔。

7.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：所选用的可饱和吸收体由一根无芯光纤在其两端分别熔接耦合一根渐变折射率多模光纤所组成；渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，无芯光纤的包层直径为125μm。

8.根据权利要求7所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述无芯光纤的长度应控制在200μm与220μm之间。

9.根据权利要求7所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述渐变折射率多模光纤的长度应控制在20cm与25cm之间。

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