CN2700994Y - 多功能有源光纤器件组合实验仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多功能有源光纤器件组合实验仪，由几个功能单元构成的有源光纤器件组合构成，属于激光技术领域。构成单元为：泵浦增益单元、信号光输入单元、光纤马赫－曾特尔(M－Z)干涉仪单元、3dB耦合器做成的反射单元和耦合输出调谐单元。单元之间采用跳线插接方式，仪器前面板提供了跳线插接的端口。用跳线把相关插接点连接起来，可以方便地组装成有源光纤器件系列实验：放大的自发辐射宽带光源、掺铒光纤放大器、掺铒光纤激光器和全光纤调Q激光器等。从专题系列实验教学出发，使学生在学习和了解这些单元的结构及原理基础上，自己可以用跳线把相关插接点连接起来，目的明确、概念清晰、快捷方便的进行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纤调Q激光器等一系列光学实验。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实验仪，由几个功能单元构成的有源光纤器件组合构成，属于激光
技术领域。
技术背景
当今信息时代，放大的自发辐射(ASE)宽带光源、掺铒光纤放大器(EDFA)、掺铒光纤激光器(EDFL)在光纤通讯系统、光信息处理系统、光传感系统等诸多领域有着广泛的应用。有源光纤器件发展迅速，科研成果频传，已成为光学、光电子学及现代光通讯中最有生命力和最活跃的研究领域。
发明内容
我们研制的多功能有源光纤器件组合实验仪，它由若干个功能单元构成：泵浦增益单元；信号光输入单元；光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元；由3dB耦合器做成的反射单元和耦合输出调谐单元。单元之间采用跳线插接方式，仪器前面板提供了跳线插接的端口。用跳线把相关插接点连接起来，可以方便地组装成有源光纤器件系列实验：放大的自发辐射宽带光源、掺铒光纤放大器、掺铒光纤激光器和全光纤调Q激光器等。
我们从专题系列实验教学思想出发，使学生在学习和了解这些单元的结构及原理基础上，自己可以用跳线把相关插接点连接起来，目的明确、概念清晰、快捷方便的进行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纤调Q激光器等一系列光学实验。
本实用新型的技术方案是：
这种多功能有源光纤器件组合实验仪，它包括泵浦增益单元a、信号光输入单元c、光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元d、反射单元b、和耦合输出调谐单元e，其特点在于：用跳线把相关插接点连接起来，可以方便地组装成有源光纤器件系列实验：泵浦增益单元的端口②为前向ASE光源的输出端，端口①为后向ASE光源的输出端，反射单元的端口③和端口①连接，使后向ASE谱功率反射和前向ASE谱合一，从端口②输出，为双程前向ASE的实验装置；泵浦增益单元的端口①与信号光输入单元(c)的端口④连接，就组成一个EDFA实验装置；泵浦增益单元(a)的端口①与耦合输出调谐单元(e)的⑨、②与⑧分别连接起来，就组成了一个可调谐EDF环形腔激光器；泵浦增益单元(a)的端口①与光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元(d)的⑥、泵浦增益单元(a)的②与耦合输出调谐单元(e)的⑧以及光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元(d)的⑦与耦合输出调谐单元(e)的⑨分别连接起来，就组成了一个全光纤调Q激光器。
泵浦增益单元本身就是一个掺铒光纤ASE光源的实验装置，端口②为前向ASE的输出端，端口①为后向ASE的输出端。
本实用新型的有益效果是：我们借鉴了近几年对光纤放大器、光纤激光器等有源光纤器件的科研成果，研制的这台组合实验仪，给学生提供了一个学习和研究的多层次平台。通过这个平台使学生不但可以学习、了解光纤放大器、光纤激光器等有源光纤器件的工作原理、性能和技术指标，而且还可以对它们做优化设计、改善功能和提高技术指标等深层次的工作。此装置便于操作，性能优良，概念清晰。
附图说明
图1.多功能有源光纤器件组合实验仪构成a、泵浦增益单元 b、反射单元 c、信号光输入单元 d、光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元 e、耦合输出调谐单元
其中：11.驱动源 12.半导体激光器LD 13.波分复用耦合器WDM. 14、掺铒光纤EDF、15.光隔离器ISO 16.3dB耦合器 20.可变衰减器 21.信号光源 23、24.干涉仪的臂25.PZT控制器 28.可调整光纤光栅FBG
图2.980nm激光泵浦的3m EDF增益谱
图3.增益和泵浦功率的关系
图4.输出功率和分光比B的关系曲线
图5.全光纤调Q激光器输出脉冲
实施具体方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明：
这种多功能有源光纤器件组合实验仪，它包括泵浦增益单元a、信号光输入单元c、光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元d、反射单元b、和耦合输出调谐单元e，其特点在于：用跳线把相关插接点连接起来，可以方便地组装成有源光纤器件系列实验：泵浦增益单元a的端口②为前向ASE的输出端，端口①为后向ASE的输出端，反射单元b的端口③和端口①连接，使后向ASE谱功率反射和前向ASE谱合一，从端口②输出，为双程前向ASE的实验装置；泵浦增益单元a的端口①与信号光输入单元c的端口④连接，就组成一个EDFA实验装置；泵浦增益单元a的端口①与耦合输出调谐单元e的⑨、②与⑧分别连接起来，就组成了一个可调谐EDF环形腔激光器；泵浦增益单元a的端口①与光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元d的⑥、泵浦增益单元a的②与耦合输出调谐单元e的⑧以及光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元d的⑦与耦合输出调谐单元e的⑨分别连接起来，就组成了一个全光纤调Q激光器。泵浦增益单元本身就是一个掺铒光纤ASE光源的实验装置，端口②为前向ASE的输出端，端口①为后向ASE的输出端。
泵浦增益单元a由驱动源11、半导体激光器LD 12、波分复用耦合器WDM 13、掺铒光纤EDF 14和光隔离器ISO 15依次连接构成。
半导体激光器(LD)的波长是980nm。反射单元b由3dB耦合器构成，3dB耦合器的输出两端熔接在一起，构成一个反射镜。信号光输入单元c由信号光源21、可变衰减器20、3dB耦合器19和光隔离器ISO 15依次连接构成。信号光源21的中心波长为1546nm的发光二极管。光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元d由两段普通通信光纤23、24作为干涉仪的两臂连接两个3dB耦合器26、22构成，M-Z干涉仪两臂长差约为0.14mm，消光比为98％，其中一臂23作为参考臂，另一臂24粘在压电陶瓷PZT控制器25上。耦合输出调谐单元e由3dB耦合器和可调整的光纤光栅FBG 28连接构成，FBG固定在一个悬臂梁上。FBG中心波长为1553nm，反射率为98％，带宽为0.1nm。
按照图1把每个单元的组件分别进行熔接，保证每个熔接点的损耗小于0.02dB。
EDF的ASE光源的实验是由980nm LD经WDM直接抽运EDF，其前向ASE光谱经-ISO从端口②输出，用光谱仪与端口②连接可以观测到前向ASE谱，与端口①连接就可以观测后向ASE谱。端口③和端口①连接，用光谱仪与端口②连接，可以观测双程前向ASE谱。
端口①与端口④连接，就组成一个EDFA实验装置。信号光经3dB耦合器分为两束，一束光经端口⑤输出到光谱仪作为信号光的监测，另一束和980nm的泵光一同经WDM耦合进入EDF，经EDFA最终放大的信号从端口②输出到光谱仪进行观测，也可和输入信号光进行比较。为防止放大器的自激振荡及传输光路中的光反馈，在放大器的输入和输出端放置两个ISO。实验中通过可调衰减控制信号的强度变化，测量放大器的输出特性；增益和泵光功率的关系；增益和信号光功率的关系以及噪声系数分析。
把端口①与⑨、②与⑧分别连接起来，就组成了一个可调谐EDF环形腔激光器。980nm LD经WDM泵浦由EDF、ISO和3dB输出耦合器及与它右端相连的FBG组成的环形腔，腔内置ISO使激光工作于行波状态。泵光的能量经EDF增益后转化为1550nm波段的激光，从端口⑩输出到光谱仪观测。FBG起到了选频、调谐和腔镜的多重作用。通过改变悬臂梁的应力可以改变FBG的周期，以实现激光器输出波长的调谐。用此装置测量激光器的输出功率随泵光输入功率的变化，获得激光阈值以及斜率效率等参量。在EDF掺杂浓度和长度一定情况下，测量耦合器不同分光比对激光器输出特性的影响。
把端口①与⑥、②与⑧以及⑦与⑨分别连接起来，就组成了一个全光纤调Q激光器。在M-Z干涉仪的一臂上加调制电压，在调制信号的驱动下，实现了腔内增益的控制，起到了Q开关的作用。得到的激光调Q脉冲从端口⑩输出到光探测器(PD)，将光信号转换为电信号，用100MHz的示波器观测调Q激光脉冲。
图2为ASE光源实验中，泵浦功率为6.95mW，武汉邮电研究院提供的3米长掺铒光纤(1000ppm)的正向ASE谱，它是一个具有1531nm和1557nm两个峰的不平坦的宽带自发辐射光源。通过调节LD的驱动电流连续改变LD的输出功率，可以观测到两个峰的变化趋势。端口③和端口①连接，观测双程前向ASE谱，谱的形状和带宽基本不变，而输出功率增加近一倍。
图3为EDFA实验中，使用同一根掺铒光纤，在1532nm处增益和泵浦功率的关系曲线。
图4为EDF环形腔激光器实验中，泵浦电流为100mA，输出功率与分光比B的关系曲线。由图看出，输出分光比存在一个最佳值，当采用具有最佳分光比的耦合器时，同样的泵浦功率会得到较大的激光输出。
图5为全光纤调Q激光器实验中，在PZT上加一个38V、760Hz的正弦电压信号，得到的调Q激光脉冲图。图中上边一条正弦曲线为调制信号，下边为调Q激光器的周期性脉冲，两者频率一致。
泵浦增益单元由980nm LD、波分复用耦合器(980/1550 WDM)、掺铒光纤(EDF)和偏振无关的宽带光隔离器ISO[庞勇，叶勇，蒋佩璇等。端面附近缺陷在EDF中引起的震荡。光学学报，1996；16(8)：1133～1135]组成。
反射单元由3dB耦合器构成，3dB耦合器的输出两端熔接在一起，构成一个光纤反射镜。信号光输入单元由中心波长为1546nm LED的信号光源、可调衰减器、3dB耦合器和ISO组成。光纤M-Z干涉仪单元由两个3dB耦合器和两段普通通信光纤组成，M-Z干涉仪两臂长差约为0.14mm，消光比为98％，其中一臂作为参考臂，令一臂粘在压电陶瓷(PZT)上，PZT由调制电信号驱动。输出调谐单元由3dB耦合器和光纤光栅(FBG)组成，FBG固定在一个悬臂梁上。FBG中心波长为1553nm，反射率为98％，带宽为0.1nm。
端口③和端口①连接，使后向ASE谱功率反射和前向ASE谱合一，从端口②输出，为双程前向ASE的实验装置。端口①与端口④连接，就组成一个EDFA实验装置(Mears R J，BakerS R.Erbium fiber amplifiers and laser.Optical and QuantumElectronics.1992，24：517～538)。端口①与⑨、②与⑧分别连接起来，就组成了一个可调谐EDF环形腔激光器。[杨秀峰，赵东晖，葛春风等。光纤环形腔激光器输出特性的研究。光学学报，1999；19(9)1194～1196]。端口①与⑥、②与⑧以及⑦与⑨分别连接起来，就组成了一个全光纤调Q激光器。
Claims (9)
1.一种多功能有源光纤器件组合实验仪，它包括泵浦增益单元(a)、信号光输入单元(c)、光纤马赫—曾特尔(M-Z)干涉仪单元(d)、反射单元(b)、和耦合输出调谐单元(e)，其特征在于：泵浦增益单元(a)的端口②为放大自发辐射光源的前向输出端，端口①为自发辐射光源的后向输出端，反射单元(b)的端口③和端口①连接，使后向自发辐射谱功率反射和前向自发辐射谱合一，从端口②输出，为双程前向自发辐射的实验装置；泵浦增益单元(a)的端口①与信号光输入单元(c)的端口④连接，就组成一个掺铒光纤放大器EDFA实验装置；泵浦增益单元(a)的端口①与耦合输出调谐单元(e)的⑨、②与⑧分别连接起来，就组成了一个可调谐掺铒光纤EDF环形腔激光器；泵浦增益单元(a)的端口①与光纤M-Z干涉仪单元(d)的⑥、泵浦增益单元(a)的②与耦合输出调谐单元(e)的⑧以及光纤M-Z干涉仪单元(d)的⑦与耦合输出调谐单元(e)的⑨分别连接起来，就组成了一个全光纤调Q激光器。
2.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：泵浦增益单元(a)由驱动源(11)、半导体激光器(LD、12)、波分复用耦合器(WDM、13)、掺铒光纤(EDF、14)和偏振无关的宽带光隔离器(ISO、15)依次连接构成。
3.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：半导体激光器LD的波长是980nm。
4.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：反射单元(b)由3dB耦合器构成，3dB耦合器的输出两端熔接在一起，构成一个光纤反射镜。
5.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：信号光输入单元(c)由信号光源(21)、可变衰减器(20)、3dB耦合器(16)和光隔离器(ISO、15)依次连接构成。
6.根据权利要求5所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：信号光源(21)的中心波长为1546nm的发光二极管。
7.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：光纤M-Z干涉仪单元(d)由两段普通通信光纤(23、24)作为干涉仪的两臂连接两个3dB耦合器(16)构成，M-Z干涉仪两臂长差约为0.14mm，消光比为98％，其中一臂(23)作为参考臂，另一臂(24)粘在压电陶瓷(PZT控制器、25)上。
8.根据权利要求1所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：耦合输出调谐单元(e)由3dB耦合器和可调整光纤光栅(FBG、28)连接构成，FBG固定在一个悬臂梁上，通过调节加在悬臂梁上的应力，使其弯曲，从而调整光纤光栅的周期，实现波长调谐。
9.根据权利要求8所述的多功能有源光纤器件组合实验仪，其特征在于：可调整光纤光栅FBG的中心波长为1553nm，反射率为98％，带宽为0.1nm。
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2004
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