CN113540951A - 一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，包括泵浦激光器、隔离器、铋铒共掺光纤和弯曲单模光纤，所述铋铒共掺光纤是指主要掺杂了铋、铒两种离子和一定浓度铝离子的有源光纤；所述弯曲单模光纤是以一定直径弯曲，盘成若干圈的普通单模光纤，用于滤除高阶模，提高光束质量；泵浦激光器、隔离器、铋铒共掺光纤和单模光纤依次连接；泵浦激光器发出的泵浦光通过隔离器后进入铋铒共掺光纤中，激发铋铒共掺光纤中的铋、铒等离子的外层电子跃迁产生荧光，通过这种简单结构可得到衍射极限的高亮度宽带光谱。本发明采用单程泵浦结构，结构简单，成本低，亮度高，容易实现，通过铋、铒、铝等共掺杂浓度、泵谱激光器功率和光纤长度的调整，可以输出1400～1700nm的高亮度超宽带荧光谱。

Description

一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源
(一)技术领域
本发明属于稀土掺杂光纤光源领域，具体涉及一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源。
(二)背景技术
近年来，人眼安全范围辐射的宽带ASE光纤光源逐渐成为研究热门，在医疗、光通信、光纤传感和光器件测试等领域获得了广泛应用。目前，掺铒光纤光源的研究和应用已经较为成熟，并且已经实现了商品化，但波长范围仅限1527nm～1625nm。无水光纤制备技术的发展使石英光纤在1100～1700nm的波长范围内具有很低的损耗，开发超宽带光纤光源对全波带通信的应用和发展能起到巨大推动作用，还能促进大容量光纤传感、光信息处理、生物学等领域发展。
由于稀土掺杂玻璃光纤具有较宽的增益谱，已被广泛应用于构建光纤放大器与激光器等有源光器件，掺铒离子(Er3+)光纤的发射谱在1550nm通信窗口，它还具有减少***相干背向散射噪声、光瑞利散射引起的相位噪声以及光学克尔效应引起的相位零漂移的特点，是一种优秀宽带光源。
与目前商用的宽带辐射发光二极管相比，掺铒超宽带光纤光源具有温度稳定性好、输出功率高、光谱稳定性好、偏振相关性低、使用寿命长和易于与单模光纤传感***耦合等特点。稀土掺杂光纤目前因为受限于掺铒光纤的工作带宽，市面上的掺铒光纤光源的带宽范围多集中在C+L带(1527～1625nm)，也有少数带宽为1460～1625nm的S+C+L波段的超宽带光纤光源。
目前可以通过改变基质材料和抽运波长等条件，使掺铋材料在900～1800nm波段陆续实现超宽带近红外(NIR)、覆盖整个低损耗通信窗口的荧光，成为该波段最有前途的活性介质之一。
从光源的放大效果来看，铋离子和铒离子的掺杂浓度是影响宽带光源技术的重要因素，可以通过调整铋离子和铒粒子在光纤中的掺杂浓度，制成带宽大、平坦度好、输出功率高的宽带光纤光源。
专利201310560649.4公开了一种超宽带光纤光源***，其利用半导体泵浦激光器发出泵浦光，经过宽带光纤耦合器，分别泵浦铒粒子掺杂光纤和铋离子掺杂光纤，从而分别形成铒粒子掺杂光纤超荧光和铋离子掺杂光纤超荧光，再通过宽带耦合器耦合，得到发射光谱范围在1100～1600nm的超宽带光纤光源。该专利光谱范围无法覆盖1600～1700nm。
专利201310560641.8公开了一种超宽带光源，该专利利用泵浦光发射装置发射泵浦光，铒、铥和钕(或镝，镨)离子分别掺杂的光纤，在被泵浦光发射装置泵浦后，分别产生的三路自发辐射光在泵浦光的抽运下得到放大，形成三路荧光，三路荧光通过光纤耦合器耦合，在光纤耦合器的输出端得到1100～1600nm的超宽带荧光。该专利光谱范围无法覆盖1600～1700nm。
专利201310560042.6公开了一种基于铒铥钕共掺光纤的超宽带光源，包括泵浦激光器、激光耦合器和铒铥钕共掺光纤，泵浦激光器发出的泵浦光通过泵浦耦合器进入铒铥钕共掺光纤，由铒铥钕共掺光纤输出端发射1280～1685nm宽带光。该超宽带光源的荧光谱在1530nm、1470nm和1310nm有三个较大的发射峰，但光源平坦度差。
实用新型专利201620273670.5公开了一种双极双泵浦的C+L波段的高功率掺铒宽带光源，包括抽运源、波分复用器、隔离器、掺铒光纤、光纤反射镜、激光二极管温度和功率控制电路，用两个980nm和一个1480nm激光二极管作为抽运源，用两个3dB带宽耦合器作为光纤反射镜，利用功率控制电路让光源输出光稳定，得到功率为169mW，带宽范围在1525.112～1605.813nm的输出光谱。该光源输出平坦度好，但宽带较窄。
实用新型专利201721446384.5公开了一种铒铥混合掺杂的光纤超荧光超宽带光源，将有掺铥的S波段光源和掺铒的C+L波段光源相结合通过耦合器输出，产生一个S+C+L波段宽带光源，掺铥的S波段光源包括依次连接的第一环形镜、第一掺铒光纤、第一波分复用器、光纤发射器、掺铥光纤、第二波分复用器、光纤环形器，掺铒的C+L波段光源包括依次连接的第二环形镜、第三波分复用器、第二掺铒光纤、第三掺铒光纤、第四掺铒光纤、第四波分复用器、隔离器，第一掺铒光纤用一个980nm的LD抽运，掺铥光纤用一个1400nm的LD抽运，超宽带光源的带宽为1460nm～1610nm，总输出功率约为15.6dBm。该专利光谱范围较大，但无法覆盖1610～1700nm。
专利201810777894.3公开了一种平坦型铒镱共掺光纤光源，包括泵浦光源、合束器、铒镱共掺双包层光纤、光纤环形器、光环形器、增益平坦滤波器和反射镜，采用975nm多模半导体泵浦激光器作为泵浦光源，单泵单级双程后向结构，铒镱共掺双包层光纤作为增益介质，给出了该种结构光纤光源在体积、输出光谱平坦度、光源温度性能的优势。
综上所述，现有基于自发辐射的宽带光源的带宽大多集中在1460～1610nm的S+C+L波段中，传统稀土掺杂宽带光纤光源无法满足在1100～1700nm光纤全波段通信的应用。本发明提出一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，是一种以SiO2为基质材料，可靠性好，兼容现有器件，掺杂了铋离子、铒粒子和铝离子单程结构光源，在940～980nm单模半导体激光器50～300mW泵浦下，形成中心波长为1530nm左右的铒离子超荧光和多价态铋离子辐射的超荧光，输出波长范围为1400～1700nm的超宽带荧光谱，具有低成本、高亮度、接近衍射极限输出、带宽大等优点。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、高亮度的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，该光纤光源解决了现有稀土离子掺杂光纤光源输出光谱的带宽只能局限在1460～1610nm的S+C+L波段的问题，本发明实现了1400～1700nm的超宽带高亮度光谱输出。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，包括泵浦激光器、隔离器、铋铒共掺光纤和弯曲单模光纤，所述铋铒共掺光纤是指主要掺杂了铋、铒两种离子和一定浓度铝离子的有源光纤；所述弯曲单模光纤是以一定直径弯曲，盘绕成若干圈的普通单模光纤，用于滤除高阶模，提高光束质量；泵浦激光器、隔离器、铋铒共掺光纤和单模光纤依次连接；泵浦激光器发出的泵浦光通过隔离器后进入铋铒共掺光纤中，激发铋铒共掺光纤中的铋、铒等离子的外层电子跃迁产生荧光，通过这种简单的单程泵浦结构可得到衍射极限的高亮度宽带光谱。本发明采用单程泵浦结构，结构简单，成本低，亮度高，容易实现，通过铋、铒、铝等共掺杂浓度、泵谱激光器功率和光纤长度的调整，可以输出1400～1700nm的高亮度超宽带荧光谱。
所述泵浦激光器是单模半导体激光器，其发射的激光中心波长是940～980nm，所述单模半导体激光器发射的泵浦光的功率范围为50～300mW，通过隔离器后泵浦铋铒共掺光纤。所述隔离器***损耗≤1dB，反向隔离度≥40dB。
所述铋铒共掺光纤的长度为0.5～1.5m，光纤纤芯直径为7.0～8.5μm，纤芯相对折射率差为0.80～1.15％，光纤截止波长≥1400nm，铋铒共掺光纤中铒离子的掺杂浓度范围为2000～3500ppm，铋离子的掺杂浓度范围为50～150ppm，铝离子的掺杂浓度范围为200～500ppm，铋铒共掺光纤在1530nm附近最大吸收系数为50～91dB/m，通过调整这三种离子的浓度和比例，在激光器泵浦下得到超宽带平坦荧光谱。常规掺铒光纤的荧光谱基本范围是1525nm～1568nm；而双程结构或其它复杂光学腔辅助的掺铒光纤的荧光谱能覆盖1525nm～1620nm左右。铋铒共掺光纤的荧光谱能覆盖1300nm～1610nm左右，说明目前对宽谱光源的探索还存在一定局限。本发明的铋铒共掺光纤在泵浦光的抽运下，形成中心波长为1530nm左右的铒离子超荧光和多价态铋离子辐射的超荧光，共同作用得到发射波长范围在1400～1700nm的超宽带荧光谱，其主要原因是光纤设计和掺杂设计使得离子能级***更多精细结构，使得多能级态跃迁的光谱范围拓宽到1700nm。
由于本发明所用铋铒共掺光纤截止波长大，输出光源可能不是单模光源。为解决这一问题，通过实验发现在输出尾纤上通过弯曲形成模式剥离，可实现超宽带衍射极限的光源输出。弯曲单模光纤为以一定直径弯曲，盘绕为若干圈的普通单模光纤，以起到滤除高阶模的作用，实验验证单模光纤的弯曲直径和盘绕圈数可以是φ30mm×1，也可以是φ40mm×5，也可以是φ50mm×20，还可以是φ60mm×100，可以确保输出光源为单模光源。
本发明提出一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，是一种以SiO2为基底，保证这种光源的热稳定性好，环境稳定性好，可以兼容目前光纤通信中所有器件。主要掺杂铋离子、铒粒子和铝离子的自发辐射光源，在发射激光中心波长在940～980nm的单模半导体激光器的50～300mW泵浦光泵浦下，铋铒共掺光纤中的铋离子和铒离子产生自发辐射和受激辐射，形成中心波长为1530nm左右的铒离子超荧光和多价态铋离子辐射的超荧光，共同作用输出波长范围为1400～1700nm的超宽带荧光谱，总输出功率可达0.35～0.84mW。多数文献表明掺铋光纤由于铋离子的物理特性和工艺特性，导致输出的光功率受限，多数测试谱线亮度在2nm分辨率下不超过-50dBm，而本发明经过探索光纤结构设计和掺杂工艺，可实现mW量级的高亮度宽谱输出，实用性更强。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明除铋铒共掺光纤外，只需泵浦激光器、隔离器和单模光纤即可，兼容目前光纤通信中所有器件，结构简单，成本是其他方案的1/2左右；本发明采用单程泵浦结构，弯曲单模光纤滤除高阶模，稳定性高，噪声小；本发明输出波长范围为1400～1700nm的超宽带荧光谱，光谱带宽大，高亮度，免维护，可靠性高。
(四)附图说明
图1是基于铋铒共掺光纤的超宽带光源的结构示意图。它由泵浦激光器1、隔离器2、铋铒共掺光纤3、弯曲单模光纤4组成。
图2是设置泵浦激光器输出功率为300mW，取铋铒共掺光纤长度为1.5m时，基于铋铒共掺光纤的超宽带光源输出的1400～1700nm的荧光谱图。
图3是取铋铒共掺光纤长度为1.5m，分别设置泵浦激光器输出功率为50mW，100mW，150mW，200mW，250mW，300mW时，基于铋铒共掺光纤的超宽带光源在1300～1700nm范围内，输出荧光谱强度随泵浦功率变化的曲线图。
(五)具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作出进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，包括泵浦激光器1、隔离器2、铋铒共掺光纤3和弯曲单模光纤4；泵浦激光器1是指输出波长为974nm单模带温控的半导体激光器，铋铒共掺光纤3是指主要掺杂了铋、铒、铝三种离子的光纤，长度为1.5m，弯曲单模光纤是指弯曲半径是15mm，盘绕1圈的普通单模光纤；泵浦激光器1的尾纤与隔离器2的入纤熔接，隔离器2的出纤和铋铒共掺光纤3的一端进行熔接，铋铒共掺光纤3的另一端与弯曲单模光纤的一端熔接，弯曲单模光纤的另一端为基于铋铒共掺光纤的超宽带光源的输出端。泵浦激光器1为980nm单模半导体激光器，其输出的泵浦光经过隔离器2后，使所取的1.5m长的铋铒共掺光纤3中的铋离子和铒粒子分别发生自发辐射和受激辐射，形成中心波长为1530nm左右的铒离子超荧光和多价态铋离子辐射的超荧光，经过弯曲单模光纤滤除高阶模式后，产生带宽范围为1400～1700nm的超宽带自发辐射光，其荧光强度随泵浦激光器1输出功率变化的实测曲线如图3所示。
以上实施例中的设计参数尽管已经优选，上述实施例也对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原料和宗旨情况下可以对这些实施例进行各种变化、修改、替代和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物所限。

Claims (7)

1.一种基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，包括泵浦激光器、隔离器、铋铒共掺光纤和弯曲单模光纤，所述泵浦激光器的输出端与隔离器的入口连接；所述隔离器的出口与铋铒共掺光纤的一端连接；所述铋铒共掺光纤的另一端与弯曲单模光纤的一端连接，弯曲单模光纤的另一端为所述基于铋铒共掺光纤的超宽带光源的输出端。
其中，本发明采用单程泵浦结构，所述泵谱激光器泵浦所述铋铒共掺光纤，形成铋离子和铒离子的外层电子共同辐射的超宽带荧光谱，再经所述弯曲单模光纤，滤除高阶模，从所述输出端输出，得到低成本、高亮度、具有一定衍射极限的高亮度超宽带光纤光源。
2.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述泵浦激光器是单模半导体激光器，其发射的激光中心波长范围为940～980nm，所述单模半导体激光器发射的泵浦光的功率范围为50～300mW，所述泵浦光通过隔离器后泵浦铋铒共掺光纤。
3.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述铋铒共掺光纤中，铒离子的掺杂浓度范围为2000～3500ppm，铋离子的掺杂浓度范围为50～150ppm，铝离子的掺杂浓度范围为200～500ppm，铋铒共掺光纤在1530nm附近最大吸收系数为50～91dB/m。
4.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述铋铒共掺光纤的长度为0.5～1.5m，光纤纤芯直径为7.0～8.5μm，纤芯相对折射率差为0.80～1.15％，光纤截止波长≥1400nm。
5.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述弯曲单模光纤为以一定直径弯曲，盘绕为若干圈的普通单模光纤，通过弯曲形成模式剥离，以起到滤除高阶模，实现超宽带衍射极限的光源输出的作用，所述单模光纤的弯曲直径和盘绕圈数可以是φ30mm×1，也可以是φ40mm×5，也可以是φ50mm×20，还可以是φ60mm×100。
6.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述超宽带光源是以SiO2为基底，保证超宽带光源热稳定性好，环境稳定性好，可以兼容目前光纤通信中所有器件。
7.按权利要求1所述的基于铋铒共掺光纤的超宽带光源，其特征在于，所述铋铒共掺光纤在泵浦光的抽运下，光纤设计和掺杂设计使得离子能级***更多精细结构，形成中心波长为1530nm左右的铒离子超荧光和多价态铋离子辐射的超荧光，共同作用得到发射波长范围为1400～1700nm，发射功率为mW量级的高亮度超宽带荧光谱。
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