多功能有源光纖器件組合實驗儀的製作方法

2023-05-09 21:24:46 2

專利名稱：多功能有源光纖器件組合實驗儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗儀，由幾個功能單元構成的有源光纖器件組合構成，屬於雷射技術背景當今資訊時代，放大的自發輻射(ASE)寬帶光源、摻鉺光纖放大器(EDFA)、摻鉺光纖雷射器(EDFL)在光纖通訊系統、光信息處理系統、光傳感系統等諸多領域有著廣泛的應用。有源光纖器件發展迅速，科研成果頻傳，已成為光學、光電子學及現代光通訊中最有生命力和最活躍的研究領域。

發明內容
我們研製的多功能有源光纖器件組合實驗儀，它由若干個功能單元構成泵浦增益單元；信號光輸入單元；光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元；由3dB耦合器做成的反射單元和耦合輸出調諧單元。單元之間採用跳線插接方式，儀器前面板提供了跳線插接的埠。用跳線把相關插接點連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實驗放大的自發輻射寬帶光源、摻鉺光纖放大器、摻鉺光纖雷射器和全光纖調Q雷射器等。
我們從專題系列實驗教學思想出發，使學生在學習和了解這些單元的結構及原理基礎上，自己可以用跳線把相關插接點連接起來，目的明確、概念清晰、快捷方便的進行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纖調Q雷射器等一系列光學實驗。
本實用新型的技術方案是這種多功能有源光纖器件組合實驗儀，它包括泵浦增益單元a、信號光輸入單元c、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元d、反射單元b、和耦合輸出調諧單元e，其特點在於用跳線把相關插接點連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實驗泵浦增益單元的埠②為前向ASE光源的輸出端，埠①為後向ASE光源的輸出端，反射單元的埠③和埠①連接，使後向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從埠②輸出，為雙程前向ASE的實驗裝置；泵浦增益單元的埠①與信號光輸入單元(c)的埠④連接，就組成一個EDFA實驗裝置；泵浦增益單元(a)的埠①與耦合輸出調諧單元(e)的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個可調諧EDF環形腔雷射器；泵浦增益單元(a)的埠①與光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元(d)的⑥、泵浦增益單元(a)的②與耦合輸出調諧單元(e)的⑧以及光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元(d)的⑦與耦合輸出調諧單元(e)的⑨分別連接起來，就組成了一個全光纖調Q雷射器。
泵浦增益單元本身就是一個摻鉺光纖ASE光源的實驗裝置，埠②為前向ASE的輸出端，埠①為後向ASE的輸出端。
本實用新型的有益效果是我們借鑑了近幾年對光纖放大器、光纖雷射器等有源光纖器件的科研成果，研製的這臺組合實驗儀，給學生提供了一個學習和研究的多層次平臺。通過這個平臺使學生不但可以學習、了解光纖放大器、光纖雷射器等有源光纖器件的工作原理、性能和技術指標，而且還可以對它們做優化設計、改善功能和提高技術指標等深層次的工作。此裝置便於操作，性能優良，概念清晰。


圖1.多功能有源光纖器件組合實驗儀構成a、泵浦增益單元 b、反射單元 c、信號光輸入單元 d、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元 e、耦合輸出調諧單元其中11.驅動源 12.半導體雷射器LD 13.波分復用耦合器WDM. 14、摻鉺光纖EDF、15.光隔離器ISO 16.3dB耦合器 20.可變衰減器 21.信號光源 23、24.幹涉儀的臂25.PZT控制器 28.可調整光纖光柵FBG圖2.980nm雷射泵浦的3m EDF增益譜圖3.增益和泵浦功率的關係圖4.輸出功率和分光比B的關係曲線圖5.全光纖調Q雷射器輸出脈衝實施具體方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行詳細說明這種多功能有源光纖器件組合實驗儀，它包括泵浦增益單元a、信號光輸入單元c、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元d、反射單元b、和耦合輸出調諧單元e，其特點在於用跳線把相關插接點連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實驗泵浦增益單元a的埠②為前向ASE的輸出端，埠①為後向ASE的輸出端，反射單元b的埠③和埠①連接，使後向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從埠②輸出，為雙程前向ASE的實驗裝置；泵浦增益單元a的埠①與信號光輸入單元c的埠④連接，就組成一個EDFA實驗裝置；泵浦增益單元a的埠①與耦合輸出調諧單元e的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個可調諧EDF環形腔雷射器；泵浦增益單元a的埠①與光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元d的⑥、泵浦增益單元a的②與耦合輸出調諧單元e的⑧以及光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元d的⑦與耦合輸出調諧單元e的⑨分別連接起來，就組成了一個全光纖調Q雷射器。泵浦增益單元本身就是一個摻鉺光纖ASE光源的實驗裝置，埠②為前向ASE的輸出端，埠①為後向ASE的輸出端。
泵浦增益單元a由驅動源11、半導體雷射器LD 12、波分復用耦合器WDM 13、摻鉺光纖EDF 14和光隔離器ISO 15依次連接構成。
半導體雷射器(LD)的波長是980nm。反射單元b由3dB耦合器構成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構成一個反射鏡。信號光輸入單元c由信號光源21、可變衰減器20、3dB耦合器19和光隔離器ISO 15依次連接構成。信號光源21的中心波長為1546nm的發光二極體。光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元d由兩段普通通信光纖23、24作為幹涉儀的兩臂連接兩個3dB耦合器26、22構成，M-Z幹涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂23作為參考臂，另一臂24粘在壓電陶瓷PZT控制器25上。耦合輸出調諧單元e由3dB耦合器和可調整的光纖光柵FBG 28連接構成，FBG固定在一個懸臂梁上。FBG中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
按照圖1把每個單元的組件分別進行熔接，保證每個熔接點的損耗小於0.02dB。
EDF的ASE光源的實驗是由980nm LD經WDM直接抽運EDF，其前向ASE光譜經-ISO從埠②輸出，用光譜儀與埠②連接可以觀測到前向ASE譜，與埠①連接就可以觀測後向ASE譜。埠③和埠①連接，用光譜儀與埠②連接，可以觀測雙程前向ASE譜。
埠①與埠④連接，就組成一個EDFA實驗裝置。信號光經3dB耦合器分為兩束，一束光經埠⑤輸出到光譜儀作為信號光的監測，另一束和980nm的泵光一同經WDM耦合進入EDF，經EDFA最終放大的信號從埠②輸出到光譜儀進行觀測，也可和輸入信號光進行比較。為防止放大器的自激振蕩及傳輸光路中的光反饋，在放大器的輸入和輸出端放置兩個ISO。實驗中通過可調衰減控制信號的強度變化，測量放大器的輸出特性；增益和泵光功率的關係；增益和信號光功率的關係以及噪聲係數分析。
把埠①與⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個可調諧EDF環形腔雷射器。980nm LD經WDM泵浦由EDF、ISO和3dB輸出耦合器及與它右端相連的FBG組成的環形腔，腔內置ISO使雷射工作於行波狀態。泵光的能量經EDF增益後轉化為1550nm波段的雷射，從埠⑩輸出到光譜儀觀測。FBG起到了選頻、調諧和腔鏡的多重作用。通過改變懸臂梁的應力可以改變FBG的周期，以實現雷射器輸出波長的調諧。用此裝置測量雷射器的輸出功率隨泵光輸入功率的變化，獲得雷射閾值以及斜率效率等參量。在EDF摻雜濃度和長度一定情況下，測量耦合器不同分光比對雷射器輸出特性的影響。
把埠①與⑥、②與⑧以及⑦與⑨分別連接起來，就組成了一個全光纖調Q雷射器。在M-Z幹涉儀的一臂上加調製電壓，在調製信號的驅動下，實現了腔內增益的控制，起到了Q開關的作用。得到的雷射調Q脈衝從埠⑩輸出到光探測器(PD)，將光信號轉換為電信號，用100MHz的示波器觀測調Q雷射脈衝。
圖2為ASE光源實驗中，泵浦功率為6.95mW，武漢郵電研究院提供的3米長摻鉺光纖(1000ppm)的正向ASE譜，它是一個具有1531nm和1557nm兩個峰的不平坦的寬帶自發輻射光源。通過調節LD的驅動電流連續改變LD的輸出功率，可以觀測到兩個峰的變化趨勢。埠③和埠①連接，觀測雙程前向ASE譜，譜的形狀和帶寬基本不變，而輸出功率增加近一倍。
圖3為EDFA實驗中，使用同一根摻鉺光纖，在1532nm處增益和泵浦功率的關係曲線。
圖4為EDF環形腔雷射器實驗中，泵浦電流為100mA，輸出功率與分光比B的關係曲線。由圖看出，輸出分光比存在一個最佳值，當採用具有最佳分光比的耦合器時，同樣的泵浦功率會得到較大的雷射輸出。
圖5為全光纖調Q雷射器實驗中，在PZT上加一個38V、760Hz的正弦電壓信號，得到的調Q雷射脈衝圖。圖中上邊一條正弦曲線為調製信號，下邊為調Q雷射器的周期性脈衝，兩者頻率一致。
泵浦增益單元由980nm LD、波分復用耦合器(980/1550 WDM)、摻鉺光纖(EDF)和偏振無關的寬帶光隔離器ISO[龐勇，葉勇，蔣佩璇等。端面附近缺陷在EDF中引起的震蕩。光學學報，1996；16(8)1133～1135]組成。
反射單元由3dB耦合器構成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構成一個光纖反射鏡。信號光輸入單元由中心波長為1546nm LED的信號光源、可調衰減器、3dB耦合器和ISO組成。光纖M-Z幹涉儀單元由兩個3dB耦合器和兩段普通通信光纖組成，M-Z幹涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂作為參考臂，令一臂粘在壓電陶瓷(PZT)上，PZT由調製電信號驅動。輸出調諧單元由3dB耦合器和光纖光柵(FBG)組成，FBG固定在一個懸臂梁上。FBG中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
埠③和埠①連接，使後向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從埠②輸出，為雙程前向ASE的實驗裝置。埠①與埠④連接，就組成一個EDFA實驗裝置(Mears R J，BakerS R.Erbium fiber amplifiers and laser.Optical and QuantumElectronics.1992，24517～538)。埠①與⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個可調諧EDF環形腔雷射器。[楊秀峰，趙東暉，葛春風等。光纖環形腔雷射器輸出特性的研究。光學學報，1999；19(9)1194～1196]。埠①與⑥、②與⑧以及⑦與⑨分別連接起來，就組成了一個全光纖調Q雷射器。
權利要求1.一種多功能有源光纖器件組合實驗儀，它包括泵浦增益單元(a)、信號光輸入單元(c)、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)幹涉儀單元(d)、反射單元(b)、和耦合輸出調諧單元(e)，其特徵在於泵浦增益單元(a)的埠②為放大自發輻射光源的前向輸出端，埠①為自發輻射光源的後向輸出端，反射單元(b)的埠③和埠①連接，使後向自發輻射譜功率反射和前向自發輻射譜合一，從埠②輸出，為雙程前向自發輻射的實驗裝置；泵浦增益單元(a)的埠①與信號光輸入單元(c)的埠④連接，就組成一個摻鉺光纖放大器EDFA實驗裝置；泵浦增益單元(a)的埠①與耦合輸出調諧單元(e)的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個可調諧摻鉺光纖EDF環形腔雷射器；泵浦增益單元(a)的埠①與光纖M-Z幹涉儀單元(d)的⑥、泵浦增益單元(a)的②與耦合輸出調諧單元(e)的⑧以及光纖M-Z幹涉儀單元(d)的⑦與耦合輸出調諧單元(e)的⑨分別連接起來，就組成了一個全光纖調Q雷射器。
2.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於泵浦增益單元(a)由驅動源(11)、半導體雷射器(LD、12)、波分復用耦合器(WDM、13)、摻鉺光纖(EDF、14)和偏振無關的寬帶光隔離器(ISO、15)依次連接構成。
3.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於半導體雷射器LD的波長是980nm。
4.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於反射單元(b)由3dB耦合器構成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構成一個光纖反射鏡。
5.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於信號光輸入單元(c)由信號光源(21)、可變衰減器(20)、3dB耦合器(16)和光隔離器(ISO、15)依次連接構成。
6.根據權利要求5所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於信號光源(21)的中心波長為1546nm的發光二極體。
7.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於光纖M-Z幹涉儀單元(d)由兩段普通通信光纖(23、24)作為幹涉儀的兩臂連接兩個3dB耦合器(16)構成，M-Z幹涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂(23)作為參考臂，另一臂(24)粘在壓電陶瓷(PZT控制器、25)上。
8.根據權利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於耦合輸出調諧單元(e)由3dB耦合器和可調整光纖光柵(FBG、28)連接構成，FBG固定在一個懸臂梁上，通過調節加在懸臂梁上的應力，使其彎曲，從而調整光纖光柵的周期，實現波長調諧。
9.根據權利要求8所述的多功能有源光纖器件組合實驗儀，其特徵在於可調整光纖光柵FBG的中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
專利摘要本實用新型涉及一種多功能有源光纖器件組合實驗儀，由幾個功能單元構成的有源光纖器件組合構成，屬於雷射技術領域。構成單元為泵浦增益單元、信號光輸入單元、光纖馬赫－曾特爾(M－Z)幹涉儀單元、3dB耦合器做成的反射單元和耦合輸出調諧單元。單元之間採用跳線插接方式，儀器前面板提供了跳線插接的埠。用跳線把相關插接點連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實驗放大的自發輻射寬帶光源、摻鉺光纖放大器、摻鉺光纖雷射器和全光纖調Q雷射器等。從專題系列實驗教學出發，使學生在學習和了解這些單元的結構及原理基礎上，自己可以用跳線把相關插接點連接起來，目的明確、概念清晰、快捷方便的進行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纖調Q雷射器等一系列光學實驗。
文檔編號G09B23/00GK2700994SQ20042002863
公開日2005年5月18日 申請日期2004年3月29日 優先權日2004年3月29日
發明者呂福雲, 王宏傑, 張江水, 謝春霞, 範宇 申請人:南開大學