CN106602394A - 一种动态光纤光栅与光纤Bragg光栅构成的谐振腔*** - Google Patents
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Abstract
本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***属于光电子技术领域,其结构有F‑P腔(4)和信号处理***(5),其特征在于结构还有非相干泵浦光源(1)、信号光源(2)和波分复用器(3)。本发明采用动态光纤光栅与Bragg光纤光栅的透射、反射特性的主动调节,有效提高了两只光栅的输出特性的对称性,谐振腔的中心波长、模式间隔、谱线线宽等参量动态可调,易于加工,使用灵活,在折射率传感,窄带滤波器,光信号的微分运算,多通道光存储等方面均有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域,特别涉及一种光纤器件,可以应用于光纤通信领域,用于光信号的微积分运算,色散补偿或窄带滤波器,以及光纤传感,多通道光存储等方面。
背景技术
一对光纤Bragg光栅构成的法布里-珀罗(F-P)腔,在光滤波器、传感器和窄带激光器等方面有很多重要的应用价值。例如在生物芯片上利用光纤光栅谐振腔,可以测量单生命细胞的折射率。在有细胞和无细胞的两种情况下,当细胞周围缓冲液改变时,将会引起谐振腔透射光谱发生变化,从而确定细胞的有效折射率和有效厚度。又例如在量子光学领域,利用光脉冲通过光纤Bragg光栅对组成F-P腔势垒结构的共振与非共振隧道效应,可以实现光波的超慢或超快传播,甚至其群时延为零,实现光脉冲的存储。基于不同的应用,现有的光纤光栅谐振腔的制作通常有两种做法,1.将一对在光纤上写入的Bragg光栅,分离一段距离并且对齐形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。2.利用紫外光干涉等方法直接在光纤上写入的Bragg光栅对。通过选择两端合适的光栅长度,折射率调制深度,以及两光栅之间的腔长等参数来控制F-P腔的输出光谱特性。第一种结构便于单细胞囚禁在谐振腔中,但比较难于加工两个完全一样的Bragg光栅,从而不利于获得优异的谐振腔特性。第二种结构便于与现有的光纤器件的接入,但同样由于Bragg光栅对的不对称问题,不利于制作有效的谐振腔。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术的光纤光栅谐振腔制作困难问题,提供一种易于制作、易于调节的由动态光纤光栅与光纤Bragg光栅构成的F-P谐振腔***。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决:
一种动态光纤光栅与光纤Bragg光栅构成的谐振腔***,其结构有F-P腔4和信号处理***5,其特征在于结构还有非相干泵浦光源1、信号光源2和波分复用器3。其中F-P腔4的结构为,一段长度为L1的掺铒光纤和一段长度为L2的Bragg光纤光栅中间夹着一段长度为L的自由间隙或普通光纤;其中非相干泵浦光源1、信号光源2分别与波分复用器3的两个输入端相连,波分复用器3的输出端与F-P腔4的掺铒光纤端相连,F-P腔4的Bragg光纤光栅端与信号处理***5相连。
本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***中,所述的信号光源2可以是连续信号光源或时变信号光源;所述的时变信号光源结构为,连续光激光器21的输出端接光隔离器22的输入端,光隔离器22的输出端接电光相位调制器23的光信号输入端,函数发生器24接电光相位调制器23的电信号触发输入端,电光相位调制器23的输出端接偏振控制器25的输入端,偏振控制器25的输出端作为所述的时变信号光源的输出端。
本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***中,所述的信号处理***5是光谱仪或者带有光电转换器件的示波器。
本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***中,构成F-P腔4的掺铒光纤长度L1优选50cm,Bragg光纤光栅的长度L2优选1cm,掺铒光纤与Bragg光纤光栅的自由间隙或普通光纤的长度L优选20cm。
本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***中,所述的非相干泵浦光源1的波长优选980nm或1480nm,信号光源2的波长优选1550nm,构成F-P腔4所用的Bragg光纤光栅的波长优选1550nm。
当信号光源使用时变信号光源时,本发明涉及的F-P腔装置可做时间信号的存储或微积分运算应用。连续激光束被送入电光相位调制器,电光相位调制器的压电控制器与函数发生器相连,可引起随时间变化波形,例如方波信号产生可控的相位阶跃。实验上,为了实现空间调制达到完美驻波波形,使用电光相位调制器产生π相移。光隔离器的作用是使入射信号场沿一个方向传播,偏振控制器的作用是调节入射光的偏振方向与由Bragg光栅反射的沿反方向传播的光分量的偏振方向的夹角。
本发明利用掺铒光纤动态光栅与Bragg光栅构成F-P腔光栅对。前向传输的信号场以及它经过Bragg光栅的反射产生的反向传输的分量与在长度是L1的掺铒光纤(EDF)中形成驻波场,在非相干泵浦光源1提供泵浦场的辅助下,对掺铒光纤中折射率的实部和虚部产生了空间上的周期调制,形成了一个动态可调的光栅。长度为L的自由空间或普通光纤,是器件敏感的传感区域,L的大小还决定了光谱的带宽和模式间隔,通过选择动态光栅的输出特性与长度为L2的Bragg光纤光栅特性的一致性,可得到动态可调谐的F-P腔。
本发明产生动态掺铒光纤光栅***的能级图如图4所示,能级|1>、|2>和|3>分别对应Er3+离子的4I15/2,4I13/2和4I11/2能级,非相干泵浦光源1所产生的泵浦场Λ驱动|1>到|3>的能级跃迁。信号场驱动|1>到|2>的能级跃迁,所述的信号场是由在掺铒光纤中传播方向相反的信号场的两个分量和构成的驻波场,其角频率为ωp。为了得到最佳透过率或反射率的谐振谱线,探测场的强度应选择接近但不超过掺铒光纤饱和吸收强度,泵浦场强度应高于铒纤放大的阈值强度,并且随掺铒光纤掺杂浓度和长度提高,相应增大以获得最佳增益。F-P腔长的大小,决定了相邻谐振谱线间距和谱线压缩宽度,可以根据模式间隔的需要选择合适腔长。根据传输矩阵方法,可以得到所设计的F-P腔的透射率和反射率谱。
为了克服通常动态光栅反射率较低、与Bragg光栅反射率不匹配、不利于形成F-P形成的缺点,本发明使用了非相干泵浦光源,使信号场驱动的跃迁对应的上下能级产生一定的粒子数反转,达到增加动态光栅反射率和透射率的目的。与传统的Bragg光栅对产生的F-P腔相比,本发明涉及的谐振腔的中心波长、模式间隔、谱线线宽等参量动态可调。
综上,本发明有以下有益效果:
1、本发明采用动态光纤光栅与Bragg光纤光栅的透射、反射特性的主动调节,有效提高了两只光栅的输出特性的对称性。
2、本发明采用的动态光纤光栅的作用机理主动可选择,根据所完成的任务需要,分别可设计成与光纤光栅分离一段距离或者用光纤连接的结构,提高了此装置应用的灵活性。
3、本发明的谐振腔的腔长是所用Bragg光纤光栅长度的几倍或更多,谐振腔的中心波长、模式间隔、谱线线宽等参量动态可调,而且更易于加工。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图。
图2是本所述的时变信号光源的结构示意图。
图3是本发明涉及的F-P腔4的光栅对构件结构示意图。
图4是本发明在工作时产生动态掺铒光纤光栅***的能级图。
图5是实施例1中得到的F-P腔的透射率光谱图。
具体实施例
实施例1整体结构
图1给出本发明的总体结构框图,图1中,1为非相干泵浦光源,2为信号光源,3为波分复用器,4为F-P腔,5为信号处理***。本发明的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***的整体结构为,非相干泵浦光源1、信号光源2分别与波分复用器3的两个输入端相连,波分复用器3的输出端与F-P腔4的掺铒光纤端相连,F-P腔4的Bragg光纤光栅端与信号处理***5相连。
其中,所述的F-P腔4是由一段长度为L1的掺铒光纤和一段长度为L2的Bragg光纤光栅中间夹着一段长度为L的自由间隙或普通光纤构成。
实施例2时变信号光源的结构
图2给出时变信号光源的结构,图2中,21为连续光激光器,22为光隔离器,23为电光相位调制器,24为函数发生器,25为偏振控制器。时变信号光源结构为:连续光激光器21的输出端接光隔离器22的输入端,光隔离器22的输出端接电光相位调制器23的光信号输入端,函数发生器24接电光相位调制器23的电信号触发输入端,电光相位调制器23的输出端接偏振控制器25的输入端,偏振控制器25的输出端作为所述的时变信号光源的输出端。
实施例3F-P腔4的光栅对构件结构
图3给出F-P腔4的光栅对构件的结构,图3中,一段长度为L1的掺铒光纤(EDF)和一段长度为L2的Bragg光纤光栅(FBG)中间夹着一段长度为L(L亦是F-P腔长)的自由间隙或普通光纤,构成本发明的F-P腔4。
实施例4具体工作情况
根据实施例1和实施例3,掺铒光纤使用Thorlabs公司的Er80-4/125,其掺杂浓度为4.8×1025m-3,长度L1=50cm,Bragg光纤光栅选择折射率调制深度为1.6×10-4的高反射率光栅,其长度为L2=1cm,F-P腔长L=20cm。探测场中心频率选择Er3+离子的4I15/2和4I13/2能级的共振频率,对应波长为1.55μm,非相干泵浦波长选980nm。
根据这些参数,利用传输矩阵方法得到的F-P腔的透射率光谱,如图5所示。其中3条实线对应泵浦率参数为Λ=2500Hz,信号场拉比频率分别为1.0×107Hz(a1)、1.5×107Hz(b1)、2.0×107Hz(c1)。3条点线对应信号场拉比频率为1.5×107Hz,泵浦率分别为Λ=500Hz(a2)、Λ=1500Hz(b2)、Λ=3000Hz(c2)。从图5可以看出,利用本发明得到的F-P腔的透射率光谱的线宽非常窄,且动态可调,在折射率传感,窄带滤波器,光信号的微分运算,多通道光存储等方面均有重要的应用价值。
Claims (5)
1.一种动态光纤光栅与光纤Bragg光栅构成的谐振腔***,其结构有F-P腔(4)和信号处理***(5),其特征在于结构还有非相干泵浦光源(1)、信号光源(2)和波分复用器(3);其中F-P腔(4)的结构为,一段长度为L1的掺铒光纤和一段长度为L2的Bragg光纤光栅中间夹着一段长度为L的自由间隙或普通光纤;其中非相干泵浦光源(1)、信号光源(2)分别与波分复用器(3)的两个输入端相连,波分复用器(3)的输出端与F-P腔(4)的掺铒光纤端相连,F-P腔(4)的Bragg光纤光栅端与信号处理***(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***,其特征在于,所述的信号光源(2)是连续信号光源或时变信号光源;所述的时变信号光源结构为,连续光激光器(21)的输出端接光隔离器(22)的输入端,光隔离器(22)的输出端接电光相位调制器(23)的光信号输入端,函数发生器(24)接电光相位调制器(23)的电信号触发输入端,电光相位调制器(23)的输出端接偏振控制器(25)的输入端,偏振控制器(25)的输出端作为所述的时变信号光源的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***,其特征在于,所述的信号处理***(5)是光谱仪或者带有光电转换器件的示波器。
4.根据权利要求1~3任一所述的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***,其特征在于,所述的L1=50cm,L2=1cm,L=20cm。
5.根据权利要求1~3任一所述的一种动态光纤光栅与Bragg光栅构成的谐振腔***,其特征在于,所述的非相干泵浦光源(1)的波长为980nm或1480nm,信号光源(2)的波长为1550nm,构成F-P腔(4)所用的Bragg光纤光栅的波长为1550nm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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