一種可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器及產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種結構簡單，工作穩(wěn)定，實施方便的可轉換雙波長鎖模全光纖激光器及產(chǎn)生方法，有望在光通信、光學傳感、光學檢測領域得到廣泛應用。該激光器包括依次通過單模光纖連接的波分復用器、摻雜光纖、輸出耦合器、偏振控制器、三端口環(huán)形器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和鎖模器件，其中所述波分復用器的輸入端連接泵浦光源。其中三端口環(huán)形器、第一光纖光柵和第二光纖光柵組成的光譜濾波結構，在兩相近波長處實現(xiàn)可轉換的、穩(wěn)定的雙波長鎖模。該光纖激光器及產(chǎn)生方法具有鎖模運行穩(wěn)定、調(diào)諧方便、成本低廉、常溫運轉的優(yōu)點。
【專利說明】一種可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器及產(chǎn)生方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖激光系統(tǒng)，具體涉及一種可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器 及產(chǎn)生方法。

【背景技術】
[0002] 由于全光纖激光器具有結構緊湊、成本低廉、環(huán)境穩(wěn)定性高等優(yōu)點，其在光通信、 醫(yī)療檢測、工業(yè)加工等領域得到了廣泛地研究和應用。能夠在雙波長運轉的鎖模全光纖激 光器在很多領域都有著非常重要的應用，例如密集波分復用系統(tǒng)、光纖傳感與測量、以及光 譜檢測等。在一些應用場合下，要求激光器輸出脈沖可以在兩個相鄰波長之間來回切換。
[0003] 目前，實現(xiàn)雙波長鎖模脈沖輸出的光纖激光器有主動鎖模技術和被動鎖模技術兩 種選擇，主動鎖模技術有著重復頻率高、線寬窄等優(yōu)點，但引入的主動調(diào)制器件破壞了全光 纖結構，且成本較高。被動鎖模技術如非線性環(huán)形鏡（N0LM)、非線性偏振旋轉技術（NPR)、 半導體可飽和吸收鏡（SESAM)、以及基于單壁碳納米管（SWCNT)和石墨烯（Graphene)的鎖 模器件，被廣泛用于超短脈沖的產(chǎn)生。其中，由于其具有較低的生產(chǎn)成本、較高的損傷閾值、 亞皮秒的恢復時間等優(yōu)點，碳納米管被看做理想的可飽和吸收材料。通常，雙波長被動鎖模 光纖激光器利用其腔型自身結構形成的光譜濾波效應實現(xiàn)雙波長或多波長的輸出。在腔內(nèi) 加入偏振依賴器，如偏振相關光隔離器（PS-IS0)、保偏光纖（PMF)、偏振分束器（PBS)等，利 用雙折射對光偏振態(tài)的影響產(chǎn)生濾波效應，然而其鎖模波長位置不易控制，且易受周圍環(huán) 境影響?；谠鲆婀饫w的增益濾波效應也可以實現(xiàn)雙波長的運轉，但其鎖模波長位置固定， 同時對泵浦功率非常敏感，其應用受到很大限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種結構簡單，工作穩(wěn)定，實施方便的雙波長鎖模全光纖激光器，能夠 在兩相近波長間實現(xiàn)轉換，其有望在光通信、光學傳感、光學檢測領域得到廣泛應用。
[0005] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] -種可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，包括通過單模光纖連接為閉環(huán)的波分復 用器、摻雜光纖、輸出耦合器、偏振控制器、光譜濾波組件和鎖模器件；所述波分復用器的輸 入端連接泵浦光源；所述光譜濾波組件由三端口環(huán)形器、第一光纖光柵和第二光纖光柵組 成，所述三端口環(huán)形器包括a端、b端和c端，a端與偏振控制器連接，c端與第二光纖光柵 連接，b端與第一光纖光柵連接，光經(jīng)偏振控制器處理后由a端口進入三端口環(huán)形器，然后 被與b端相連的第一光纖光柵反射，最后由c端口輸出至第二光纖光柵，不在第二光纖光柵 帶寬內(nèi)的光透過第二光纖光柵進入鎖模器件。
[0007] 上述器件間連接均采用單模光纖熔接，所述偏振控制器夾在輸出耦合器和三端口 環(huán)形器之間的單模光纖上。
[0008] 上述波分復用器的波分范圍為980nm/1550nm，上述泵浦光源為工作波長為980nm 附近的單模半導體激光器。
[0009] 上述輸出耦合器的輸出比例為10% ;摻雜光纖是型號為Coractive的C300摻鉺 光纖。
[0010] 上述第一光纖光柵的中心波長為1549. 5nm，反射帶寬為6nm ;第一光纖光柵為_ 啾光柵光纖，啁啾率為2nm/cm。
[0011] 上述第二光纖光柵的中心波長為1550nm，反射帶寬為lnm ;第二光纖光柵為均勻 光纖光柵。
[0012] 上述鎖模器件是基于單壁碳納米管的鎖模器件，其主體是由單壁碳納米管與聚乙 烯醇混合制成的薄膜。
[0013] 該可轉換雙波長的鎖模全光纖激光產(chǎn)生方法包括以下步驟：
[0014] 1)光依次通過由單模光纖連接的波分復用器、摻鉺光纖、輸出耦合器、偏振控制 器、三端口環(huán)形器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和鎖模器件；
[0015] 2)光經(jīng)由單向運轉的三端口環(huán)形器進入第一光纖光柵，第一光纖光柵反射帶寬內(nèi) 的光通過三端口環(huán)形器后進入第二光纖光柵；
[0016] 3)第一光纖光柵的反射光譜被分成I和II兩部分；
[0017] 4)由于第一光纖光柵和第二光纖光柵形成的濾波效應，滿足兩次光譜濾波的光能 夠在諧振腔內(nèi)實現(xiàn)震湯；
[0018] 5)當泵浦功率為13±2mW時，激光器通常在I處實現(xiàn)自啟動鎖模狀態(tài)；
[0019] 6)當泵浦功率超過18±2mW時，在偏振控制器的控制下，鎖模中心波長在I或II 處實現(xiàn)轉換，且兩波長處鎖模狀態(tài)具有相似的帶寬、脈沖寬度和重復頻率，且狀態(tài)穩(wěn)定。
[0020] 上述泵浦光源選用工作波長為980nm的單模半導體激光器，通過980nm/1550nm 波分復用器為摻鉺光纖提供；摻鉺光纖的型號為Coractive C300,在1550nm處色散系數(shù) 為-9ps/nm/km，長度為5m ;輸出f禹合器的輸出比為10%。
[0021] 上述鎖模是通過基于單壁碳納米管的可飽和吸收體實現(xiàn)的，其制作流程為：將單 壁碳納米管水分散液與聚乙烯醇水溶液混合均勻后滴于表面皿上，蒸發(fā)烘干制成薄膜，然 后將薄膜切成2_ 2大小后夾在兩個跳線頭之間，并將跳線頭用法蘭盤固定，制成鎖模器件。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0023] 1、該光纖激光器所用器件為構造光纖激光器所用的通用器件，可商品化，成本低 廉。
[0024] 2、該光纖激光器采用碳納米管作為制作鎖模器件的材料，具有生產(chǎn)成本低、制作 方法簡單、飽和閾值低、以及鎖模運行穩(wěn)定等優(yōu)點。
[0025] 3、該光纖激光器米用了光纖光柵作為波長選擇器件，具有輸出脈沖中心波長穩(wěn)定 的優(yōu)點。
[0026] 4、該光纖激光器使用了啁啾光纖光柵，引入很大負色散，使輸出脈沖的光譜寬度 和脈沖寬度恒定，不易受外界環(huán)境影響。
[0027] 5、該光纖激光器可轉換雙波長的實現(xiàn)是基于同一光纖光柵的反射，能夠在相近波 長處實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模，同時兩波長處鎖模的重復頻率幾乎相同。
[0028] 6、該光纖激光器采用了全光纖結構，故其結構簡單易于調(diào)整，穩(wěn)定性好。
[0029] 7、該摻鉺光纖激光器工作在1550nm波段，對應與光通信波段，因此在光通信、光 學傳感、光學檢測方面有很大的應用前景。
[0030] 8、在對使用光纖光柵進行特定選擇后，能夠在任意所需位置實現(xiàn)可轉換的雙波長 乃至多波長鎖模。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0031] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明中兩個光纖光柵的濾波光譜圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明在兩波長處鎖模的光譜圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明兩波長處脈沖的自相關曲線圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明兩波長處脈沖的頻譜圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明兩波長處的脈沖序列。
[0037] 附圖標記如下：
[0038] 1-泵浦光源；2-波分復用器；3-摻鉺光纖；4 一輸出耦合器；5-偏振控制器； 6-三端口環(huán)形器；7-第一光纖光柵；8-第二光纖光柵；9 一鎖模器件。

【具體實施方式】：
[0039] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種結構簡單，工作穩(wěn)定，實施方便的可轉換雙波長鎖 模全光纖激光器包括依次通過單模光纖連接的波分復用器2、摻鉺光纖3、輸出耦合器4、偏 振控制器5、三端口環(huán)形器6、第一光纖光柵7、第二光纖光柵8和鎖模器件9。泵浦光源1選 用工作波長為980nm的單模半導體激光器，通過980nm/1550nm波分復用器2為摻鉺光纖3 提供泵浦；摻鉺光纖3的型號為Coractive C300,在1550nm處色散系數(shù)為_9ps/nm/km，長 度為5m ;輸出f禹合器4的輸出比為10%。三端口環(huán)形器6的端口 a與輸出f禹合器4相連， 端口 b與第一光纖光柵7相連，端口 c與第二光纖光柵8相連，同時保證激光器單向運轉。 第一光纖光柵7的反射帶寬為6nm，中心波長為1549. 5nm ;第二光纖光柵8的反射帶寬為 lnm，中心波長為1550nm。偏振控制器5在輸出耦合器4和三端口環(huán)形器6之間，是常用標 準器件。鎖模器件9是基于單壁碳納米管的可飽和吸收體，其制作流程為：將單壁碳納米管 水分散液與聚乙烯醇水溶液混合均勻后滴于表面皿上，蒸發(fā)烘干制成薄膜，然后將薄膜切 成2_ 2大小后夾在兩個跳線頭之間，并將跳線頭用法蘭盤固定，制成鎖模器件。器件尾纖 及腔內(nèi)其他單模光纖長度約為28m，在1550nm處色散系數(shù)D約為17ps/nm/km。
[0040] 試驗中使用光譜分析儀（Y0K0GAWA-6370B)來監(jiān)測輸出脈沖的光譜，使用自相關 儀測量輸出脈沖的寬度。使用?Ο-GHz光電探測器將輸出脈沖轉化為電信號后，用示波器和 頻譜分析儀觀察激光器的輸出脈沖序列和鎖模狀態(tài)。
[0041] 本發(fā)明工作原理如下：
[0042] 本發(fā)明提供的光纖激光器采用基于單壁碳納米管的鎖模器件實現(xiàn)自啟動鎖模。第 一光纖光柵通過三端口環(huán)形器插入激光諧振腔內(nèi)，能夠起到光譜濾波作用，只有在其反射 帶寬內(nèi)的光可以通過。由三端口環(huán)形器c端口輸出的光被第二光纖光柵光譜濾波，只有不 在其反射帶寬內(nèi)的光可以通過。由于三端口環(huán)形器只允許單向運轉，被第二光纖光柵反射 的光不能在腔內(nèi)傳輸。兩次光譜濾波的效果如圖2所示，第一光纖光柵的反射光譜被分成 I和II兩部分，其3-dB帶寬分別為2. lnm和2. 9nm。此時，只有同時滿足兩次光譜濾波的光 可以在腔內(nèi)傳輸，這樣也形成實現(xiàn)雙波長鎖模的條件，光可以分別在I或II處實現(xiàn)鎖模。通 過偏振控制器調(diào)節(jié)腔內(nèi)的線性雙折射，可以在兩個波長間轉換。
[0043] 本發(fā)明的實驗結果如下：
[0044] 當閾值功率約13mW時，激光器可以實現(xiàn)自啟動鎖模。此時，受摻鉺光纖的影響， 通常在I處首先出現(xiàn)鎖模狀態(tài)。當功率約18mW時，通過調(diào)節(jié)偏振控制器，可以兩個波長 之間相互轉換。此時，I和II處的輸出光譜如圖3所示，其中心波長分別為1551. 2nm和 1548. 6nm，帶寬都在0. 6nm左右。受較窄濾波光譜的限制，兩波長輸出光譜的一側邊帶都受 到抑制，使能量集中在脈沖上。脈沖的自相關曲線如圖4所示，I處輸出脈沖的半峰值全寬 度為8. 7ps，以雙曲正割形（sech2)脈沖來擬合，可以得到脈沖寬度為5. 7ps ; II處輸出脈沖 的半峰值全寬度為9. 3ps，以雙曲正割形（sech2)脈沖來擬合，可以得到脈沖寬度為6ps。由 于第一光纖光柵為啁啾光纖光柵，被其反射的光經(jīng)歷很大的負色散，在激光器中脈沖的光 譜帶寬和脈沖寬度主要由第一啁啾光纖光柵決定，其他參數(shù)的變化對其影響較小。圖5為 兩波長處的輸出單脈沖序列，其脈沖間隔分別為78ns和83ns。圖6為兩波長處輸出脈沖的 100Hz和1GHz范圍的頻譜圖，顯示在兩波長處鎖模狀態(tài)穩(wěn)定，其重復頻率分別為12. 12MHz 和 12. 11MHz。
[0045] 綜上所述，本發(fā)明提供的激光器具有全光纖結構，能夠實現(xiàn)工作穩(wěn)定的可轉換的 雙波長鎖模。通過合理的設計，利用兩個光纖光柵在兩個相近波長（1551. 2nm和1548. 6nm) 處實現(xiàn)可轉換的雙波長鎖模。兩波長處鎖模狀態(tài)具有相似的帶寬、脈沖寬度和重復頻率，且 狀態(tài)穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境影響。
【權利要求】
1. 一種可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，包括通過單模光纖連接為閉環(huán)的波分復用 器、摻雜光纖、輸出稱合器、偏振控制器、光譜濾波組件和鎖模器件；其特征在于：所述波分 復用器的輸入端連接泵浦光源；所述光譜濾波組件由三端口環(huán)形器、第一光纖光柵和第二 光纖光柵組成，所述三端口環(huán)形器包括a端、b端和c端，a端與偏振控制器連接，c端與第 二光纖光柵連接，b端與第一光纖光柵連接，光經(jīng)偏振控制器處理后由a端口進入三端口環(huán) 形器，然后被與b端相連的第一光纖光柵反射，最后由c端口輸出至第二光纖光柵，不在第 二光纖光柵帶寬內(nèi)的光透過第二光纖光柵進入鎖模器件。
2. 根據(jù)權利要求1所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述器件 間連接均采用單模光纖熔接，所述偏振控制器夾在輸出耦合器和三端口環(huán)形器之間的單模 光纖上。
3. 根據(jù)權利要求2所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述波分 復用器的波分范圍為980nm/1550nm，上述泵浦光源為工作波長為980nm附近的單模半導體 激光器。
4. 根據(jù)權利要求3所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述輸出 奉禹合器的輸出比例為10%。
5. 根據(jù)權利要求4所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述摻雜 光纖是型號為Coractive的C300摻鉺光纖。
6. 根據(jù)權利要求5所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述第一 光纖光柵的中心波長為1549. 5nm，反射帶寬為6nm ;第一光纖光柵為_啾光柵光纖，_啾率 為 2nm/cm〇
7. 根據(jù)權利要求6所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于：所述第二 光纖光柵的中心波長為1550nm，反射帶寬為lnm;第二光纖光柵為均勻光纖光柵。
8. 根據(jù)權利要求1至7任一所述的可轉換的雙波長鎖模全光纖激光器，其特征在于： 所述鎖模器件是基于單壁碳納米管的鎖模器件，其主體是由單壁碳納米管與聚乙烯醇混合 制成的薄膜。
9. 一種可轉換雙波長的鎖模全光纖激光產(chǎn)生方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 光依次通過由單模光纖連接的波分復用器、摻鉺光纖、輸出耦合器、偏振控制器、三 端口環(huán)形器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和鎖模器件； 2) 光經(jīng)由單向運轉的三端口環(huán)形器進入第一光纖光柵，第一光纖光柵反射帶寬內(nèi)的光 通過三端口環(huán)形器后進入第二光纖光柵； 3) 第一光纖光柵的反射光譜被分成I和II兩部分； 4) 由于第一光纖光柵和第二光纖光柵形成的濾波效應，滿足兩次光譜濾波的光能夠在 諧振腔內(nèi)實現(xiàn)震蕩； 5) 當泵浦功率為13±2mW時，激光器在I處實現(xiàn)自啟動鎖模狀態(tài)； 6) 當泵浦功率超過18±2mW時，在偏振控制器的控制下，鎖模中心波長在I或II處實 現(xiàn)轉換，且兩波長處鎖模狀態(tài)具有相似的帶寬、脈沖寬度和重復頻率，且狀態(tài)穩(wěn)定。
10. 根據(jù)權利要求9所述的可轉換雙波長的鎖模全光纖激光產(chǎn)生方法，其特征在于：所 述鎖模是通過基于單壁碳納米管的可飽和吸收體實現(xiàn)的，其制作流程為：將單壁碳納米管 水分散液與聚乙烯醇水溶液混合均勻后滴于表面皿上，蒸發(fā)烘干制成薄膜，然后將薄膜切 成2mm2大小后夾在兩個跳線頭之間，并將跳線頭用法蘭盤固定，制成鎖模器件。
【文檔編號】H01S3/098GK104158074SQ201410347599
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權日:2014年7月21日
【發(fā)明者】劉雪明, 崔玉棟 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所