CN112582867B - 一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，包括可调谐单频激光器，掺铒光纤放大器，偏振控制器，光耦合器，单模光纤，偏振合束器，光电二极管，频谱仪，光谱仪。本发明所述的一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其优点和积极效果具体体现在，相比于现有布里渊光纤激光器，本发明利用频率间隔相等且与光纤芯径相关的受激类拉曼类R0m模式，提高谐振腔设计灵活性，实现腔长无关的布里渊光纤激光器。

Description

一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器
技术领域
本发明属于激光器研究领域，具体涉及一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器。
背景技术
布里渊光纤激光器具有窄线宽、高信噪比等特点，由于其信号超前与线宽成反比，在光通信***、光纤无线电、光学双稳态、分布式/点式光纤传感和超光速光传输等领域有着广泛的应用。光纤的受激布里渊散射可根据方向分为前向布里渊散射和后向布里渊散射，近年来随着国内外学者对前向布里渊散射的不断研究发展，其自相位匹配和容易自发产生高阶斯托克斯和反斯托克斯的特性使前向布里渊散射能够用于产生梳状频率、光衰减器、锁模光纤激光器和光存储等领域。
在现有文献中搜索发现，国内外学者(Zuxing Zhang等发表的Opt.Express.14,pp.9731-9736,July,2007；L.Zhan等发表Opt.Express.14,pp.10233-10238,October,2006；邹辉提出的发明专利，授权公开号：CN209487930U，“一种基于新型谐振腔的多波长光纤激光器”)在设计中均是利用后向布里渊散射实现对谐振腔内波长可调的布里渊光纤激光器，但仍受腔长的约束从而影响到谐振腔的设计灵活性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，利用频率间隔相等且与光纤芯径相关的受激类拉曼类R0m模式，提高谐振腔设计灵活性，实现腔长无关的布里渊光纤激光输出。
为实现上述目的，提出一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，包括：可调谐单频激光器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、单模光纤、偏振合束器、第三光耦合器、光电二极管、频谱仪及光谱仪；
可调谐单频激光器产生的的泵浦光，经掺铒光纤放大器放大后，通过偏振控制器进入第一光耦合器的端口a，被分为两束反向传输的相干光，从第一光耦合器的端口b和端口c输出，第一光耦合器的端口b和端口c分别对应连接至第二光耦合器的端口e和端口h，在第二光耦合器的端口e和端口h分别分成两束反向传输的相干光束，从端口e输入的光分成两束从端口h和端口g输出，从端口h输入的光分成两束从端口e和端口f输出；端口f和端口g输出的光经过单模光纤环，发生谐振后返回到第二光耦合器中，再从端口e和端口h返回到第一光耦合器中发生解调；当第二光耦合器和单模光纤形成的谐振腔的布里渊增益高于损耗时，形成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器的端口b和端口c输入，其中满足相位条件的激光从第一光耦合器端口d输出，不满足相位条件的光从第一光耦合器端口a输出，经端口d输出的激光经偏振合束器调整偏振状态后，进入第三光耦合器中分为两束输出，一束由光电二极管和频谱仪记录光谱，另一束由光谱仪记录光谱。
其中，可调谐光纤激光器采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400GHz，边模抑制比>45dB，相对噪声为-145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520-1630nm的连续运行激光器。
其中，掺铒光纤放大器增益为15dB，波长范围为1528nm～1565nm。
其中，第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。
其中，相位条件是：从第二光耦合器的端口e和端口h输出至第一光耦合器的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器的端口a和端口d输出，若从第一光耦合器的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相位，则满足相位条件，否则不满足相位条件。
其中，单模光纤是长度为10km的SM-28单模光纤，提供非线性布里渊增益。
其中，光电二极管的响应带宽为0～12GHz，响应波长范围为400nm～1650nm。
其中，频谱仪带宽是0～26.5GHz，最小分辨率是1Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。
其中，光谱仪分辨率为0.02nm，用来观测激光输出。
区别于现有技术，本发明的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器包括可调谐激光器、EDFA、偏振控制器、光耦合器、单模光纤、偏振合束器、光电二极管、频谱仪、光谱仪。本发明利用与Ranan散射同偏振特性只改变相位不改变偏振状态的前向受激类拉曼布里渊散射，在单模光纤所构成的谐振腔产生前向布里渊激光的原理，利用受激类拉曼散射效应产生多个与光纤芯径相关，与谐振腔腔长无关的等间隔类R0m模式，提高激光器的谐振腔设计灵活性，实现腔长无关的激光自由光谱范围。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器的结构示意图。
图中：1.可调谐光纤激光器；2.掺铒光纤放大器；3.偏振控制器；4.第一光耦合器；5.第二光耦合器；6.单模光纤；7.偏振合束器；8.第三光耦合器；9.光电二极管；10.频谱仪；11.光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参阅图1，本发明提供了一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，包括：可调谐单频激光器1、掺铒光纤放大器2、偏振控制器3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、单模光纤6、偏振合束器7、第三光耦合器8、光电二极管9、频谱仪10及光谱仪11；
可调谐单频激光器1产生的的泵浦光，经掺铒光纤放大器2放大后，通过偏振控制器3进入第一光耦合器4的端口a，被分为两束反向传输的相干光，从第一光耦合器4的端口b和端口c输出，第一光耦合器4的端口b和端口c分别对应连接至第二光耦合器5的端口e和端口h，在第二光耦合器5的端口e和端口h分别分成两束反向传输的相干光束，从端口e输入的光分成两束从端口h和端口g输出，从端口h输入的光分成两束从端口e和端口f输出；端口f和端口g输出的光经过单模光纤环6，发生谐振后返回到第二光耦合器5中，再从端口e和端口h返回到第一光耦合器4中发生解调，当第二光耦合器5和单模光纤6形成的谐振腔的布里渊增益高于损耗时，形成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器4的端口b和端口c输入，其中满足相位条件的激光从第一光耦合器4端口d输出，不满足相位条件的光从第一光耦合器4端口a输出，经端口d输出的激光经偏振合束器7调整偏振状态后，进入第三光耦合器8中分为两束输出，一束由光电二极管9和频谱仪10记录光谱，另一束由光谱仪11记录光谱。
其中，可调谐光纤激光器1采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400GHz，边模抑制比>45dB，相对噪声为-145dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520-1630nm的连续运行激光器。
其中，掺铒光纤放大器2增益为15dB，波长范围为1528nm～1565nm。偏振控制器3用来调节泵浦光偏振状态，偏振合束器7用以调整输出光偏振状态。
其中，第一光耦合器4、第二光耦合器5、第三光耦合器8的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。
其中，相位条件是：从第二光耦合器5的端口e和端口h输出至第一光耦合器4的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器4作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器4的端口a和端口d输出，若从第一光耦合器4的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相位，则满足相位条件，否则不满足相位条件。
其中，单模光纤6是长度为10km的SM-28单模光纤，提供非线性布里渊增益。
其中，光电二极管9的响应带宽为0～12GHz，响应波长范围为400nm～1650nm。
其中，频谱仪10带宽是0～26.5GHz，最小分辨率是1Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。
其中，光谱仪11分辨率为0.02nm，用来观测激光输出。
本发明的激光器产生前向布里渊激光的原理如下：
连续泵浦光进入单模光纤环后被分成两束光，一束光沿原光路向前传输，另一束光沿着环路逆时针传输一周后回到环路，回到环路后再次分成两束，重复上述的过程，满足环长条件的相干光发生干涉叠加，此时由第二光耦合器5分出的另一束反向传输的光进入单模光纤环中也是同样的过程，两束反向光在环路中发生谐振，当谐振腔内产生的布里渊增益大于损耗时，输出前向布里渊激光。
输出的前向布里渊激光从第二光耦合器5的e、h端口以π/2的相位差反向输入进第一光耦合器4，原相位的一束激光逆时针进入第一光耦合器4后分成两束光，一束保持原相位从a端口输出，另一束带有π/2的相位差从d端口输出，另一束从第二光耦合器5输入的相位差为π/2的激光在第一光耦合器4分成两束光，一束保持π/2的相位差顺时针从d端口输出，另一束以π的相位差逆时针从a端口输出，由于第一光耦合器4的d端口的相位满足匹配条件，实现相干叠加，谐振腔内产生的前向布里渊激光从d端口解调输出。
前向类R0m模式是一种径向模，仅在各个方向同时膨胀和压缩，这个模式的特征方程可以化简为：
(1-α2)J0(ym)-α2J2(ym)＝0 (1-1)
其中ym＝aΩm/VL。a为光纤的半径，解方程(1-1)可以得到一系列特征值ym，进而得到一系列类R0m模式频率Ωm。从计算结果观察到多个类R0m模的模式频率近似等间隔(≈50MHz)且与光纤的光纤芯径有关而与谐振腔腔长无关。
光纤环形谐振腔FSR可以表示为：
Figure BDA0002816246710000061
c＝3×108m/s为真空中的光速，n为光纤的有效折射率，L是谐振腔的环长，由于激光必须是增益谱的布里渊频移量和谐振腔模式同时匹配才能产生，而本发明的谐振腔内多个纵向模式是与光纤芯径相关而与谐振腔腔长无关，因此本发明在谐振腔设计上具有很大的灵活性，能够实现腔长无关的激光自由光谱范围。
相比于现有布里渊光纤激光器在多纵模式以及激光自由光谱范围上必须满足腔长的匹配关系，上述所提供的一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，利用受激类拉曼散射效应产生的多个类R0m模式，具有与光纤芯径相关而与谐振腔的腔长无关的特性，提高了激光器在谐振腔设计方面的灵活性。
本发明的优点和积极效果具体体现在如下方面：
一是激光器模式方面，本发明利用受激类拉曼散射效应产生的多个类R0m模式是模式间隔相等且只受光纤芯径影响，与谐振腔腔长无关的多个纵向模式。
二是产生机理方面，现有技术的布里渊光纤激光器在增益谱的布里渊频移量和谐振腔模式同时匹配时才能产生激光，本发明由于谐振腔内的多个纵向模式与光纤芯径有关而与谐振腔腔长无关，提高了激光器谐振腔设计上的灵活性，实现不受腔长约束的激光自由光谱范围。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，包括：可调谐单频激光器（1）、掺铒光纤放大器 （2）、偏振控制器（3）、第一光耦合器（4）、第二光耦合器（5）、单模光纤（6）、偏振合束器（7）、第三光耦合器（8）、光电二极管（9）、频谱仪（10）及光谱仪（11）；
可调谐单频激光器（1）产生的泵浦光，经掺铒光纤放大器（2）放大后，通过偏振控制器（3）进入第一光耦合器（4）的端口a，被分为两束反向传输的相干光，从第一光耦合器（4）的端口b和端口c输出，第一光耦合器（4）的端口b和端口c分别对应连接至第二光耦合器（5）的端口e和端口h，在第二光耦合器（5）的端口e和端口h分别分成两束反向传输的相干光束，从端口e输入的光分成两束从端口h和端口g输出，从端口h输入的光分成两束从端口e和端口f输出；端口f和端口g输出的光经过单模光纤（6），发生谐振后返回到第二光耦合器（5）中，再从端口e和端口h返回到第一光耦合器（4）中发生解调，当第二光耦合器（5）和单模光纤（6）形成的谐振腔的布里渊增益高于损耗时，形成前向受激类拉曼激光信号从第一光耦合器（4）的端口b和端口c输入，其中满足相位条件的激光从第一光耦合器（4）端口d输出，不满足相位条件的光从第一光耦合器（4）端口a输出，所述相位条件是：从第二光耦合器（5）的端口e和端口h输出至第一光耦合器（4）的端口b和端口c的激光，在第一光耦合器（4）作用下均分为两束激光，分别从第一光耦合器（4）的端口a和端口d输出，若从第一光耦合器（4）的端口b和端口c输入的激光分出至端口d的激光同相位，则满足相位条件，否则不满足相位条件；经端口d输出的激光经偏振合束器（7）调整偏振状态后，进入第三光耦合器（8）中分为两束输出，一束由光电二极管（9）和频谱仪（10）记录光谱，另一束由光谱仪（11）记录光谱。
2.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述可调谐单频激光器（1）采用中心波长为1550nm，光谱线宽为400 GHz，边模抑制比>45 dB，相对噪声为-145 dB/Hz，最大输出功率为10dBm，波长可调范围为1520-1630 nm的连续运行激光器。
3.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器（2）增益为15 dB，波长范围为1528 nm~1565 nm。
4.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述第一光耦合器（4）、第二光耦合器（5）、第三光耦合器（8）的分光比为50:50，用来将泵浦光分成两束相干光束。
5.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述单模光纤（6）是长度为10 km的SM-28单模光纤，提供非线性布里渊增益。
6.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述光电二极管（9）的响应带宽为0~12 GHz，响应波长范围为400 nm~1650 nm。
7.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，频谱仪（10）带宽是0~26.5 GHz，最小分辨率是1 Hz，用以分析由光电探测器转化的电信号。
8.如权利要求1所述的基于受激类拉曼的前向布里渊光纤激光器，其特征在于，所述光谱仪（11）分辨率为0.02 nm，用来观测激光输出。
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