CN103840359A - 一种可调谐多波长稳定窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种环形结构多波长光纤激光器，尤其是可调谐多波长光纤激光器，属于激光技术领域。泵浦源发出的光通过波分复用器（WDM）后进入掺饵光纤中获得光增益，然后通过第一耦合器分两路分别进入并列的两个sagnac环中，从两个sagnac环出来的光进入第四耦合器，从隔离器出来的光进入可调光纤光栅，从可调光纤光栅出来的光进入第五耦合器，第五耦合器是一个90:10的耦合器把进入的光分成两路，其中10%作为输出光，90%沿光纤反馈回到波分复用器，重复上述过程，整个环路增益大于损耗时，在第五耦合器的输出端得到稳定的可调谐多波长激光输出，第一耦合器和第四耦合器的光线进出方向刚好相反。

Description

一种可调谐多波长稳定窄线宽光纤激光器

技术领域：

本专利涉及一种环形结构多波长光纤激光器，尤其是可调谐多波长光纤激光器，属于激光技术领域。

背景技术：

随着高容量光纤通信网络的发展，波分复用技术已经成为长距离通信干线和光网络的主流技术。多波长光纤激光器作为波长路由网络中的重要光源可以有效地避免信道冲突，更是成为研究热点。同时多波长光纤激光器具有线宽窄、输出功率高、稳定性好、易于与光纤通信***兼容等优点，使其在光纤传感***，光学测试，光谱学等方面均有着广泛的应用前景。

传统的多波长信号源由一系列单波长DFB半导体激光器组成，技术相对简单，缺点是***庞大、成本高，在考虑带有光交叉节点的光网络时问题就更加突出。且从简化结构、降低成本、便于维护的角度考虑，能够实现通道间隔、通道数量可调的多波长光纤激光器有着明显的应用优势。

针对这一应用目标，已经做了大量研究工作。Rie Hayashi等人2003年12月在光子技术快报（IEEE PTL）上发表的题为“16-Wavelength 10-GHz Actively Mode-Locked Fiber Laser With Demultiplexed Outputs Anchored on the ITU-T Grid”的文章中，采用冷却到液氮温度（77K）的掺饵光纤作为增益介质，采用环形器、铌酸锂外调制器等构成的反馈环作为谐振腔的一端，一个反射率为90%的波导阵列作为谐振腔的另一端同时也作为波长选择器，实现了16个波长、波长间隔100GHz的锁模脉冲输出。但由于通常掺铒光纤增益在常温下的均匀展宽特性 ,只有在很低的温度下才可能实现多波长同时稳定输出,这在实际应用中是一个很大的问题。

实现常温下输出波长可调，输出波长间隔可调和输出通道数可调一直是多波长激光器研究得的重点。近年来已经有多种方法如：引入频移反馈机制、双芯掺铒光纤、椭圆掺铒光纤、声光移频器、正弦相位调制器、四波混频效应等，但这些方法结构较为复杂并且有的需要对增益光纤进行特殊处理，有的需要特殊的设备，有不利于低成本化和集成化。

2005年，Young- Geun Han 和 Gilhwan Kim 在Photonics Technology Letters，IEEE上发表的题为“Lasing Wavelength and Spacing Switchable Multiwavelength Fiber Laser From 1510 to 1620 nm”的文章报道了他们获得的在1510nm~1620nm间的输出波长可调，波长间隔可调，输出通道数可调的常温下稳定工作的多波长光纤激光器。其实验装置的主体是由混合增益介质（SOA，C波段EDFA，L波段EDFA）和可调PMF Lyot- Sagnac滤波器组成。利用半导体光放大器的自饱和效应获得稳定的高信噪比的多波长激光输出，SOA的非线性增益压制也能被用来调整输出波长。但是， SOA不是全光器件，耦合损耗偏大，输出功率受到很大限制。

基于布里渊散射的多波长掺铒光纤激光器也是近年来研究的热点，这类激光器结合了掺铒光纤的线性增益和布里渊散射的非线性增益，是在室温下产生多波长输出的有效方法，然而，由于受激布里渊散射的非线性增益系数较小，一般要求较长的光纤长度和较大的泵浦功率，这对输出特性的改善也有很大的限制。

另一种常见的实现多波长输出的结构是利用Mach-Zehnder干涉仪，2007年，Chen,Daru等人在OPTICS EXPRES上发表的题“Channel-spacing-tunable multi-wavelength fiber ring laser with hybrid Raman and Erbium-doped fiber gains”的文章中对Mach-Zehnder干涉仪进行改进，使用可变光延迟线Mach-Zehnde干涉仪，在室温下实现信道间隔可变的多波长光纤激光器，但需要用计算机控制可变光延迟线，不利于***的整体封装，而且此类激光器通常是不可调的。

2008年，Thi Van Anh Tran等人在OPTICS EXPRESS上发表的题为“Switchable multiwavelength erbium doped fiber laser based on a nonlinear optical loop mirror incorporating multiple fiber Bragg gratings”的文章中，采用高非线性色散位移光纤结合连接多个光纤光栅的波导列阵光栅构成的多通道滤波器，实现了室温下的多波长可调谐输出。其结构中采用多个光纤光栅与波导列阵光栅相连，结构复杂，且引入多个熔接点造成了较大的损耗。

总之，到目前为止，同时实现多波长输出的激光器的技术尚不能满足应用的需求。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：解决现有技术中可调谐性差，稳定性不高，窄线宽输出工艺复杂等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种可调谐多波长稳定窄线宽光纤激光器，泵浦源发出的光通过波分复用器（WDM）后进入掺饵光纤中获得光增益，然后通过第一耦合器分两路分别进入并列的两个sagnac环中，从两个sagnac环出来的光进入第四耦合器，从隔离器出来的光进入可调光纤光栅，从可调光纤光栅出来的光进入第五耦合器，第五耦合器是一个90:10的耦合器把进入的光分成两路，其中10%作为输出光，90%沿光纤反馈回到波分复用器，重复上述过程，整个环路增益大于损耗时，在第五耦合器的输出端得到稳定的可调谐多波长激光输出，第一耦合器为一个50:50的耦合器，第四耦合器为一个50:50的耦合器，第一耦合器和第四耦合器的光线进出方向刚好相反。

作为一种优选方式：两个sagnac环为第一sagnac环和第二sagnac环，第一sagnac环包括第二耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一啁啾光纤光栅、第一偏振保持光纤、第二偏振保持光纤，第二sagnac环包括第三耦合器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第二啁啾光纤光栅、第三偏振保持光纤、第四偏振保持光纤，第二耦合器为一个50:50的耦合器，第三耦合器为一个50:50的耦合器。

本发明的有益效果是：通过改变两个sagnac环内光的偏振态，使在啁啾光纤光栅中相遇的两列光波为方向相反的两束偏振态一致的光，通过分析得到保偏光纤的最佳长度，使得这两束光具有一定的相位差，在其转播过程中发生干涉，使在啁啾光栅中得到的多波长出射光的线宽更窄。同时，在装置中引入偏振依赖元件，可以有效的抑制掺饵光纤的均匀展宽带宽，实现常温稳定的多波长光纤激光输出。本专利采用两个sagnac环并联的结构，对得到的多波长出射光的线宽有很好的压窄效果。采用一个宽带可调的光纤光栅作为波长调节元件。一个90:10的输出耦合器将大部分的光功率反馈到光纤环形腔中，选择工作波长覆盖输出波长范围的光耦合器和光隔离器。本发明无需将增益介质放在液氮中，也不需要复杂而昂贵的器件，结构简单易于实现且成本低，具有很好的应用前景。

附图说明：

图1是发明结构示意图；

图2是本发明第一sagnac环结构示意图；

其中：1、泵浦源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、第一耦合器，5a、第二耦合器，5b、第一偏振控制器，5c、第二偏振控制器，5d、第一啁啾光纤光栅，5e、第一偏振保持光纤，5f、第二偏振保持光纤，6a、第三耦合器，6b、第三偏振控制器，6c、第四偏振控制器，6d、第二啁啾光纤光栅，6e、第三偏振保持光纤，6f、第四偏振保持光纤，7：第四耦合器；8：隔离器；9：可调光纤光栅；10：第五耦合器。

具体实施方式:

如图1所示， 采用输出波长为980nm的半导体激光器作为泵浦源，泵浦源1产生的泵浦光通过波分复用器2的980nm端口耦合进入环路，在增益介质即掺铒光纤3（EDF）中发生粒子数反转同时获得光增益，增益光由一个50:50的第一耦合器4分成两路，分别进入由第二耦合器5a、第三耦合器6a耦合器构成的两个sagnac环中，且这里的第一sagnac环嵌入了一段第一啁啾光纤光栅5d，第二sagnac环嵌入了一段第二啁啾光纤光栅6d，利用第一啁啾光纤光栅5d和第二啁啾光纤光栅6d的滤波特性，两路中分别得到一束多波长的光。通过合理选择第一啁啾光纤光栅5d和第二啁啾光纤光栅6d的啁啾光纤的周期相移量以及啁啾系数可实现对第一啁啾光纤光栅5d和第二啁啾光纤光栅6d的信道间隔和信道数量的精确控制。

两个sagnac环的传输特性与其内部光路的双折射特性有关，本发明两个sagnac环的结构类似，当前以第一sagnac环进行说明，带有第一啁啾光纤光栅5d的第一sagnac环的结构如图2所示，由一个3dB耦合器5a（第二耦合器）和第一啁啾光纤光栅5d构成，输入输出端口为Ⅰ、Ⅱ，在第一sagnac环中加入第一偏振控制器5b、第二偏振控制器5c、第一偏振保持光纤5e、第二偏振保持光纤5f。第一偏振保持光纤5e和第二偏振保持光纤5f长度分别为L1和L2，由端口Ⅰ入射的光被3dB耦合器5a分成两路，从两个方向入射到第一啁啾光纤光栅5d上，可以通过控制第一偏振控制器5b和第二偏振控制器5c使这两束光的偏振态保持一致，从而在第一啁啾光纤光栅5d的滤波作用下得到的为传播方向相反且偏振态相同的两束多波长光束，这里的条件是第一sagnac环的两臂了L1与L2相等。通过设计可以找到第一偏振保持光纤5e和第二偏振保持光纤5f的最佳长度，使得这两束反向传播的光具有一定的相位差，在其传播过程中发生干涉，使得到的多波长出射光的线宽变窄，此多波长的输出光经过第二耦合器5a的Ⅱ端口出射。

在发明中引入偏振依赖元件（第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第一偏振保持光纤、第二偏振保持光纤、第三偏振保持光纤、第四偏振保持光纤）可以有效的抑制掺饵光纤的均匀展宽带宽，实现常温稳定的多波长光纤激光输出。

本发明利用两个带有啁啾光纤光栅的sagnac环并联，两束光再经过第四耦合器7时发生干涉，从而使得到的多波长输出线宽更窄。同时本发明中不要求两个sagnac中的啁啾光纤光栅完全一致，这降低了光纤光栅制作的难度。更重要的，采用这种并联的结构在很大程度上提高了输出波长的稳定性，并能进一步起到压窄线宽的作用。

第四耦合器7出射的多波长光再经过一个宽带的可调光纤光栅9进行波长选择输出，进而实现了输出光波长可调且通道间隔可调的稳定激光输出。这里的可调光纤光栅9要求带宽较宽，是为了可以从多波长的光束中选择合适的激光输出，只有满足光纤光栅布拉格条件的光波可以输出。

光隔离器8的作用是为了防止从第四耦合器7出射的光返回第四耦合器7对光环路造成影响，确保光在整个环形腔中沿顺时针方向传播。

经过可调光纤光栅9的光通过一个90:10的第五耦合器10分成两路，其中10%作为输出光，90%沿光纤反馈回到波分复用器2，重复上述过程。整个环路增益大于损耗时，在第五耦合器10的输出端得到稳定的可调谐多波长激光输出。

Claims (2)

1.一种可调谐多波长稳定窄线宽光纤激光器，其特征在于：泵浦源发出的光通过波分复用器后进入掺饵光纤中获得光增益，然后通过第一耦合器分两路分别进入并列的两个sagnac环中，从两个sagnac环出来的光进入第四耦合器，从第四耦合器出来的光进入隔离器，从隔离器出来的光进入可调光纤光栅，从可调光纤光栅出来的光进入第五耦合器，第五耦合器是一个90:10的耦合器把进入的光分成两路，其中10%作为输出光，90%沿光纤反馈回到波分复用器，重复上述过程，整个环路增益大于损耗时，在第五耦合器的输出端得到稳定的可调谐多波长激光输出，第一耦合器为一个50:50的耦合器，第四耦合器为一个50:50的耦合器，第一耦合器和第四耦合器的光线进出方向刚好相反。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐多波长稳定窄线宽光纤激光器，其特征在于：两个sagnac环为第一sagnac环和第二sagnac环，第一sagnac环包括第二耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一啁啾光纤光栅、第一偏振保持光纤、第二偏振保持光纤，第二sagnac环包括第三耦合器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第二啁啾光纤光栅、第三偏振保持光纤、第四偏振保持光纤，第二耦合器为一个50:50的耦合器，第三耦合器为一个50:50的耦合器。

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