波長可調諧l波段光纖雷射器的製作方法

2023-06-13 15:57:16

專利名稱：波長可調諧l波段光纖雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波長可調諧雷射器，特別是波長可調諧L波段光纖雷射器，屬於光纖通信，光纖傳感領域。
背景技術：
光纖雷射器是當前信息化時代技術研究領域中最前沿的研究課題之一，隨著雷射二極體泵浦技術以及光纖材料和工藝研究的進展，各種類型的光纖雷射器能夠適合於不同的應用場合，其應用領域也從之前光纖通訊領域迅速地向其它更為廣闊的雷射應用、光纖傳感及光纖陀螺等領域擴展。可調諧光纖雷射器由於可用帶寬較寬、功率高、線寬窄、與光纖元件天然兼容等特點獲得了廣泛的應用。可調諧光纖雷射器不僅成為高速大容量密集波分復用光纖通信系統的理想信號載體，而且成為光纖傳感系統中理想的傳感檢測光源。可調諧光纖雷射器雖然目前已獲得了廣泛的使用，但也存在諸多的問題有待進一步解決，特別是對輸出波長的有效調諧以及波長鎖定功能的實現等問題。在眾多的調諧技術方法中，尋求調諧範圍寬、穩定性高、準無啁啾而且復用性好的調諧濾波器是進一步提高光纖雷射器輸出波長調諧性能的關鍵。濾波器是一種波長選擇器件，直接影響輸出雷射的品質。可調諧濾波器目前主要有光纖光柵、光纖環鏡、光纖F-P濾波器、偏振控制器(腔內含偏振相關器件)等。國內多採用光纖光柵調諧方案，主要因為光纖光柵與光纖之間具有天然的兼容性，用它可實現全光纖型可調諧雷射器，並已提出光纖光柵的機械調諧方案、熱調諧和電磁調諧。其中機械調諧、電磁調諧雖簡單易行，但由受光纖光柵本身應變特性的限制，很難獲得大的調諧範圍，在光纖光柵反射波長的調諧過程中，獲得較大的波長調諧範圍是人們追求的目標，而且還要考慮調諧過程的啁啾度以及中心波長的穩定性等因素，因為它們決定了輸出雷射的品質與穩定性。目前的研究主要是通過選擇不同結構的等應變梁來實現較寬的波長調諧範圍和調諧過程準無啁啾，然而光纖光柵的蠕變、老化等因素使其應用受到了限制，尤其是環境溫度對波長調諧的影響，是人們致力解決的重點問題。除電磁調諧、熱調諧外，還有利用壓強、聲波、 化學等方法進行調諧的，不過這些方法都還不成熟且調諧範圍很小。長周期光纖光柵具有附加損耗小，無後向反射等特點，廣泛被用作增益均衡器，光噪聲濾波器等，是一種良好的傳輸型帶阻濾波器。因此，將其串入環形腔中，通過改變LPre 的諧振邊帶位置，調整環形腔增益最高點，可以實現摻鉺光纖雷射器的波長可調諧。但是基於紫外光或(X)2雷射器寫制的LPre設備成本高，且大範圍的調諧需要引入高溫儀器或複雜的應力結構。

發明內容
本發明的目的就是為解決上述問題，提供一種波長可調諧L波段光纖雷射器，它利用應力光彈效應寫制的長周期光纖光柵濾波器在光纖雷射器環形腔中的使用使得設計的雷射器具有調諧範圍寬，結構簡單，輸出雷射線寬窄，穩定性高等優點。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種波長可調諧L波段光纖雷射器，它包括光源和雷射器環形腔，光源將光線送入環形腔內，由耦合器輸出部分光線，同時將另一部分光線送入傳接在環形腔內的機械感生長周期光纖光柵濾波器；其中，機械感生長周期光纖光柵濾波器包括周期為P的壓力槽模板，其與一對平滑底板相配合，在兩平滑底板間設有待寫制光纖和平衡光纖；通過機械感生長周期光纖光柵濾波器的波長調節，改變諧振波長，進而影響雷射器環腔中的增益最高點O所述通過更換周期不同的壓力槽模板對待寫制光纖施加徑向應力，寫制諧振波長。所述待寫制光纖與壓力槽模板之間的夾角通過調整，改變雷射器環腔的諧振波長，進而影響雷射器環腔中的增益最高點。所述環形腔還包括波分復用器，它與光源連接，同時波分復用器還分別依次串接光纖隔離器、摻鉺光纖、耦合器、機械感生長周期光纖光柵濾波器和偏振控制器。所述耦合器中的自由端採用極小直徑繞制，並塗敷光纖匹配液。所述摻鉺光纖採用高濃度500ppm的摻鉺光纖，利用其增益特性控制雷射器的邊模抑制比和波長範圍。所述光源為980nm泵浦雷射器，其中心波長為975. 650nm，驅動電流為120mA，進行
輸出光功率監測及溫度控制。所述光纖隔離器的波段範圍為1550士40nm，覆蓋C和L波段。所述壓力槽模板佔空比為50 %，精度< 5 μ m。所述待寫制長周期光纖光柵的光纖與壓力槽之間角度調整時，根據寫制模板周期調整對長周期光纖光柵濾波器諧振波長變化之間的關係長周期光纖光柵中，在不同的諧振波長λ m處，纖芯基模LPtll和m階前向傳輸包層模發生耦合；耦合波長決定於光纖相位匹配方程X" =(nc;f-Uc^m )A其中略和略 分別為在λ m處的LPtll模和m次包層模LPtlm的有效折射率，A為長周期光纖光柵的周期，因此有效周期Λ的改變，必然會引起機械感生長周期光纖光柵濾波器諧振波長變化。由於長周期光纖光柵的周期可達數百微米，因此可以利用彈光效應，採用機械感生法寫制。因此，本發明利用機械線加工技術製作周期性壓力槽，通過螺旋微位移結構壓迫標準彈簧對光纖施加徑向應力，寫制了諧振波長，峰值皆可調諧的長周期光纖光柵。通過調整待寫制光纖與壓力槽之間的夾角，改變MLPre的諧振波長，進而影響雷射器環腔中的增益最高點，實現了 L波段可調諧摻鉺光纖雷射器。本發明與現有技術比優點在於(1)利用應力光彈效應寫制的長周期光纖光柵濾波器由採用機械線加工技術製作的周期性壓力槽模板在待寫制光纖上施加壓力製作，長周期光纖光柵濾波器的諧振波長可以通過改變模板周期或者改變待寫制光纖與壓力槽板夾角調整有效周期實現，且長周期光纖光柵濾波器諧振波長的變化與壓力槽板有效周期呈良好的線性關係，具有結構簡單，波長調諧範圍寬的特點；
(2)在寫制長周期光纖光柵濾波器時，使用平衡光纖，使其與待寫制光纖平行放置，保證長周期光纖光柵濾波器寫制時的均勻性和穩定性，降低在長周期光纖光柵濾波器寫制過程中應力不均勻引起的偏振現象，提高長周期光纖光柵濾波器的品質，最終實現良好的雷射器輸出；(3)本發明利用長周期光纖光柵濾波器中心波長的變化調節光纖雷射器環形腔內的增益最高點，進而實現輸出雷射器波長的改變。該方法有效的抑制了光纖雷射器環形腔長周期光纖光柵濾波器所處波段的增益，使增益高點出現在未抑制的波段內。環腔增益調整不受外界因素的影響，提高了光纖雷射器波長調諧的連續性和穩定性；(4)本發明使用的泵浦980光源附有溫度控制、輸出功率實時檢測和自校正功能， 保證了光纖雷射器輸出的功率穩定性；(5)本發明中的偏振控制器，降低了長周期光纖光柵濾波器寫制過程中光纖偏振態對應力的依賴，通過偏振控制器的調整，可以實現雷射器輸出保持一致的偏振特性；(6)本發明對90 10耦合器自由端採用極小直徑繞制，並塗敷光纖匹配液，降低了自由端的光反射，抑制外界光噪聲的入射，提高光纖雷射器輸出的信噪比。


圖1波長可調諧雷射器系統圖；圖Ia為機械感生長周期光纖光柵濾波器；圖2泵源輸出譜；圖3待寫制光纖與壓力槽之間角度調整；圖4不同周期下的長周期光纖光柵透射譜；圖5模板有效周期與LPR；諧振波長的關係；圖6無機械感生長周期光纖光柵濾波器作用下雷射輸出譜；圖7不同光柵有效周期下光纖雷射器輸出譜；圖8雷射器諧振波長與光柵有效周期之間的關係。其中，1.980泵浦雷射器，2.波分復用器，3.光纖隔離器，4.摻鉺光纖，5.耦合器， 6.機械感生長周期光纖光柵濾波器，7.壓力槽模板，8.平滑底板，9.偏振控制器，10.自由端，11.待寫制光纖，12.平衡光纖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。本發明波長可調諧L波段光纖雷射器，其實質是通過機械感生長周期光纖光柵濾波器的諧振波長調節，改變光纖雷射器環形腔中的增益高點，實現光纖雷射器輸出波長的可調諧。波長可調諧雷射器系統如圖1所示。980泵浦雷射器1發出的光經980/1550波分復用器2後，進入雷射器環形腔，通過1550光纖隔離器3，抑制反射光對980泵浦雷射器1 的影響。然後通過摻鉺光纖4，摻鉺光纖4為環形腔中的增益光纖，可以將980泵浦雷射器 1發出的光躍遷到1550波段。通過摻鉺光纖4後，進入90 10耦合器5，該耦合器一方面將大部分的光輸入至雷射器環形腔中，使得雷射在環形腔內振蕩，一部分作為雷射輸出。接著進入環形腔內的光通過機械感生長周期光纖光柵濾波器6，抑制機械感生長周期光纖光柵濾波器6阻帶內的光強增益，偏振控制器9的作用為降低機械感生長周期光纖光柵濾波器6寫制過程中偏振態對應力的依賴。90 10耦合器5的自由端10的處理，主要是為了減少進入雷射器環腔內的噪聲。經過信號在雷射器環腔內的反覆震蕩，實現窄帶雷射的穩定輸出。90 10耦合器5中的自由端10採用極小直徑繞制，並塗敷光纖匹配液。通過調節偏振控制器9控制機械感生長周期光纖光柵濾波器6寫制過程中由於應力帶來的偏振態的變化對雷射器輸出的影響。摻鉺光纖4採用高濃度500ppm的摻鉺光纖，並選取適當的長度，利用其增益特性控制雷射器的邊模抑制比和波長範圍。980nm泵浦雷射器1中心波長為975. 650nm，驅動電流為120mA，且具有輸出光功率監測及溫度控制功能。1550光纖隔離器3的波段範圍為1550士40nm，覆蓋C和L波段。圖Ib中，機械感生長周期光纖光柵濾波器6由周期為P的壓力槽模板7，平滑底板 8，待寫制長周期光纖光柵的光纖11，平衡光纖12組成的寫制結構採用機械感生法寫制，機械感生長周期光纖光柵濾波器6的波長調節在保持一定壓力條件下，可以通過改變周期為 P的壓力槽模板7周期實現。將機械感生長周期光纖光柵濾波器6串入光纖雷射器環形腔中，通過調節機械感生長周期光纖光柵濾波器6諧振波長，調節環形腔內抑制波段，改變環腔增益最高點，實現波長可調諧雷射器。機械感生長周期光纖光柵濾波器6在光纖雷射器環腔內作為帶阻濾波器，利用其諧振波長可調諧性，實現雷射器環腔增益最高點的調諧。機械感生長周期光纖光柵濾波器6的波長調節既可以通過更換周期不同的壓力槽模板，也可以通過改變帶寫制光纖與壓力槽模板之間的夾角來實現。在機械感生長周期光纖光柵濾波器6的寫制結構中，平衡光纖12是用來保持待寫制光纖11的平衡狀態，保證在機械感生長周期光纖光柵濾波器6時的無啁啾及穩定性。周期為P的壓力槽模板7採用機械線加工法寫制，通過數控工具機控制加工槽板的周期，佔空比為50%，精度< 5μπι。如圖2所示為980泵浦雷射器1的輸出光譜圖。光纖雷射器的雷射輸出源來自於泵浦雷射器1的泵浦能量，因此980泵浦雷射器1的穩定性是輸出雷射功率穩定的前提， 980泵浦雷射器1採用閉環反饋控制電路，並設有輸出功率檢測和自動溫度控制功能。圖3 待寫制光纖11與壓力槽模板7之間角度調整示意圖，在本發明中，機械感生長周期光纖光柵濾波器6的諧振波長調整是通過改變待寫制光纖11與壓力槽模板7之間的角度來實現的，這樣一方面可以實現寫制機械感生長周期光纖光柵濾波器6有效周期的連續調整，另外一方面可以減少寫制模板數量。寫制模板周期調整對機械感生長周期光纖光柵濾波器6 諧振波長變化之間的關係依賴於以下原理長周期光纖光柵中，在不同的諧振波長λ m處，纖芯基模LPtll和m階前向傳輸包層模發生耦合。耦合波長決定於光纖相位匹配方程Am=(n:;-n^m)A其中《g和分別為在λ m處的LPtll模和m次包層模LPtlm的有效折射率，A為長周期光纖光柵的周期。因此有效周期Λ的改變，必然會引起機械感生長周期光纖光柵濾波器6諧振波長變化。圖4、圖5分別為不同寫制模板周期下的長周期光纖光柵透射譜以及模板有效周期與LPre諧振波長的關係，可以看出機械感生長周期光纖光柵濾波器6諧振波長的變化與寫制模板周期有著良好的線性關係，這決定了機械感生長周期光纖光柵濾波器6諧振波長調節的規律性和可控性。圖6無機械感生長周期光纖光柵濾波器作用下雷射輸出譜，獲得該雷射器輸出譜的條件是雷射器環形腔內無機械感生長周期光纖光柵濾波器6的帶阻濾波作用，其輸出雷射器波長取決於所選用的器件參數以及腔長等因素。圖7、圖8分別為不同光柵有效周期下光纖雷射器輸出譜以及雷射器諧振波長與光柵有效周期之間的關係，可以看出，在機械感生長周期光纖光柵濾波器6的帶阻濾波作用下，獲得了雷射器的可調諧輸出，並找出了輸出雷射器波長與機械感生長周期光纖光柵濾波器6寫制模版有效周期之間的關係。本發明通過調整待寫制光纖與周期性壓力槽之間的夾角，改變長周期光纖光柵濾波器的寫制周期，調諧長周期光纖光柵濾波器透射譜，進而影響環形腔增益最高點，光纖雷射器波長可調諧範圍可達42nm(1562. 465nm 1604.觀0歷)，雷射光譜3dB帶寬小於 0. 02nm, 20dB帶寬均小於0. 06nm,邊模抑制比大於35dB。長時間觀測，雷射功率穩定性優於 0. 02(ffim。結果表明，該光纖雷射器具有易調諧，成本低，帶寬較寬，線寬窄及性能穩定等特點ο本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，它包括光源和雷射器環形腔，光源將光線送入環形腔內，由耦合器輸出部分光線，同時將另一部分光線送入傳接在環形腔內的機械感生長周期光纖光柵濾波器；其中，機械感生長周期光纖光柵濾波器包括周期為P的壓力槽模板，其與一對平滑底板相配合，在兩平滑底板間設有待寫制光纖和平衡光纖；通過機械感生長周期光纖光柵濾波器的波長調節，改變諧振波長，進而影響雷射器環腔中的增益最高點。
2.如權利要求1所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述通過更換周期不同的壓力槽模板對待寫制光纖施加徑向應力，寫制諧振波長。
3.如權利要求1所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述待寫制光纖與壓力槽模板之間的夾角通過調整，改變雷射器環腔的諧振波長，進而影響雷射器環腔中的增益最高點。
4.如權利要求1所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述環形腔還包括波分復用器，它與光源連接，同時波分復用器還分別依次串接光纖隔離器、摻鉺光纖、耦合器、 機械感生長周期光纖光柵濾波器和偏振控制器。
5.如權利要求1或4所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述耦合器中的自由端採用極小直徑繞制，並塗敷光纖匹配液。
6.如權利要求4所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述摻鉺光纖採用高濃度500ppm的摻鉺光纖，利用其增益特性控制雷射器的邊模抑制比和波長範圍。
7.如權利要求1或4所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述光源為 980nm泵浦雷射器，其中心波長為975. 650nm，驅動電流為120mA，進行輸出光功率監測及溫度控制。
8.如權利要求4所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述光纖隔離器的波段範圍為1550士40nm，覆蓋C和L波段。
9.如權利要求1所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述壓力槽模板佔空比為50%，精度< 5μπι。
10.如權利要求3所述的波長可調諧L波段光纖雷射器，其特徵是，所述待寫制長周期光纖光柵的光纖與壓力槽之間角度調整時，根據寫制模板周期調整對長周期光纖光柵濾波器諧振波長變化之間的關係長周期光纖光柵中，在不同的諧振波長λ m處，纖芯基模LPtll和m階前向傳輸包層模發生耦合；耦合波長決定於光纖相位匹配方程r =Κ」λ其中《和略「分別為在λ m處的LPtll模和m次包層模LPtln^有效折射率，A為長周期光纖光柵的周期，因此有效周期Λ的改變，必然會引起機械感生長周期光纖光柵濾波器諧振波長變化。
全文摘要
本發明涉及一種波長可調諧L波段光纖雷射器，它具有調諧範圍寬，結構簡單，輸出雷射線寬窄，穩定性高等優點。它包括光源和雷射器環形腔，光源將光線送入環形腔內，由耦合器輸出部分光線，同時將另一部分光線送入傳接在環形腔內的機械感生長周期光纖光柵濾波器；其中，機械感生長周期光纖光柵濾波器包括周期為P的壓力槽模板，其與一對平滑底板相配合，在兩平滑底板間設有待寫制長周期光纖光柵的光纖和平衡光纖，機械感生長周期光纖光柵濾波器的波長調節在保持設定壓力條件下，通過改變周期為P的壓力槽模板周期實現，通過調節機械感生長周期光纖光柵濾波器諧振波長，調節環形腔內抑制波段，改變環腔增益最高點，實現波長可調諧雷射器。
文檔編號H01S3/16GK102157889SQ20111006714
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者姜明順, 賈磊, 隋青美 申請人:山東大學