一種納秒脈衝光纖雷射器及其控制方法
2023-04-26 22:44:21 1
專利名稱：一種納秒脈衝光纖雷射器及其控制方法
技術領域：
本發明屬於雷射器的技術領域，具體涉及到納秒脈衝光纖雷射器及其控制方法。
背景技術：
長距離光纖拉曼傳感器要求傳感雷射器光源的脈衝寬度在納秒量級(幾個納秒 到幾十個納秒)，脈衝峰值功率能達到數十瓦甚至上百瓦，脈衝重複頻率達到幾千赫茲到幾 十千赫茲，因此需要採用具有高峰值功率的納秒脈衝光纖雷射器作為其光源。目前市場上 的納秒脈衝光纖雷射器沒有對光纖放大系統中的反轉粒子數進行有效控制，使得產生的脈 衝激光存在背景ASE(放大自發輻射)噪聲大、脈衝峰值功率低、脈衝不平坦等問題，另外目 前的脈衝光纖雷射器在不發光時，雷射器驅動電流為零，使得雷射器使用壽命短，上述原因 導致目前的脈衝光纖雷射器不適合用於長距離拉曼分布式光纖傳感系統。
發明內容
本發明的第一個目的是提出一種背景ASE噪聲小、脈衝峰值功率高、信噪比高、脈 衝平坦、使用壽命長的納秒脈衝光纖雷射器。 本發明的納秒脈衝光纖雷射器關鍵在於包括控制單元、源雷射器、噪聲抑制雷射 器、光纖耦合器、第一波分復用器、第二波分復用器、第一泵浦雷射二級管、第二泵浦雷射二 級管、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第一光 電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和四埠光纖環形器；所述四埠光纖環形器 具有輸入埠 、輸出埠和第二埠 、第三埠 ；所述源雷射器的雷射中心波長在第一光纖 光柵和第二光纖光柵的反射帶內，所述噪聲抑制雷射器的雷射中心波長在第三光纖光柵的 反射帶內；所述源雷射器和噪聲抑制雷射器的輸出端通過光纖耦合器與四埠光纖環形器 的輸入埠相連；所述第一泵浦雷射二級管、四埠光纖環形器的第二埠通過第一波分 復用器依次與第一摻雜光纖、第一光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器串接；所述第 二泵浦雷射二級管、四埠光纖環形器的第三埠通過第二波分復用器依次與第二摻雜光 纖、第二光纖光柵、第二光電探測器串接；所述光纖耦合器還與第三光電探測器相連；所述 控制單元分別與第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、源雷射器、噪聲抑制 雷射器、第一泵浦雷射二級管和第二泵浦雷射二級管相連。 為了在兩段摻雜光纖內實現四級光脈衝放大，所述源雷射器中心波長在第一光纖 光柵和第二光纖光柵反射帶內。 為了在兩段摻雜光纖內實現四級光脈衝放大，所述源雷射器和噪聲控制雷射器中 心波長均在摻雜光纖的增益譜範圍之內；所述源雷射器中心波長在通信C波段1550nm附 近。 為了在兩段摻雜光纖內實現增益鉗制，所述第一光纖光柵和第二光纖光柵與第三 光纖光柵的反射帶不重疊。 所述第一光纖光柵和第二光纖光柵為寬帶高反射率光纖光柵，所述第三光纖光柵為寬帶弱反射率光纖光柵。 所述光纖耦合器、波分復用器、四埠光纖環形器、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖 均採用光通信用單模光器件。 本發明的第二個目的是提出上述納秒脈衝光纖雷射器的控制方法。 本發明的納秒脈衝光纖雷射器的控制方法控制單元接收第一光電探測器、第二
光電探測器和第三光電探測器的信號，並發出信號控制源雷射器、噪聲抑制雷射器、第一泵
浦雷射二級管和第二泵浦雷射二級管的工作，關鍵在於包括如下循環步驟控制單元控制
源雷射器發出一個寬度為T0的光脈衝，經過T1時間間隔後，控制噪聲抑制雷射器發出一個
寬度為T2的光脈衝；然後再經過T3時間間隔後，源雷射器發出下一個光脈衝。 在T3這段時間裡，將彌補前一段時間內噪聲抑制雷射器產生的脈衝雷射對第一
摻雜光纖和第二摻雜光纖中的反轉粒子數過多的消耗，使第一摻雜光纖和第二摻雜光纖中
的反轉粒子數恢復到較高的水平，從而保證了源雷射器產生的光脈衝在第一摻雜光纖和第
二摻雜光纖中能夠產生足夠高的增益。同時，T3不能太長，以免在T3時間內產生較大的ASE
脈衝噪聲。 控制單元根據第一光電探測器的信號來控制第一泵浦雷射二級管的泵浦功率；控 制單元根據第二光電探測器的信號來控制第二泵浦雷射二級管的泵浦功率；控制單元根據 第三光電探測器的信號來控制源雷射器及噪聲抑制雷射器的輸出脈衝光功率，穩定納秒脈 衝光纖雷射器的輸出雷射功率。 所述源雷射器和噪聲抑制雷射器在未發出光脈衝的時候工作在閾值電流附近，可 以延長雷射器使用壽命。
本發明的納秒脈衝光纖雷射器的具體的工作原理如下 控制單元利用脈衝電流驅動源雷射器產生脈衝雷射，脈衝雷射依次通過光纖耦合 器、四埠光纖環形器傳輸到第一摻雜光纖，經第一摻雜光纖產生一級放大，然後再經過第 一光纖光柵反射，再次通過第一摻雜光纖，產生二級放大；經過二級放大後的脈衝雷射再次 通過四埠光纖環形器並進入第二摻雜光纖產生第三級放大，經過第二光纖光柵反射，再 次通過第二摻雜光纖，產生四級放大，最後經由四埠光纖環形器輸出埠輸出。如上所 述，經過四級放大後，脈衝峰值功率達可達到數十瓦到上百瓦。 源雷射器產生一個脈衝雷射之後，控制單元控制噪聲抑制雷射器產生一個脈衝激 光，該脈衝雷射經四埠光纖環形器進入第一摻雜光纖，並通過第一摻雜光纖，以抑制ASE 的產生，經過第一摻雜光纖放大後的脈衝雷射經過第一光纖光柵，通過第三光纖光柵，絕大 部分的雷射通過第三光纖光柵，被第一光電探測器探測到；小部分的雷射被第三光纖光柵 反射，經過四埠光纖環形器之後，進入第二摻雜光纖，抑制第二摻雜光纖中的ASE噪聲， 經過第二摻雜光纖放大後的脈衝雷射經過第二光纖光柵，被第二光電探測器探測到。如上 所述，源雷射器和噪聲抑制雷射器在控制單元的控制下，依次產生雷射脈衝序列。
本發明的納秒脈衝光纖雷射器採用四埠光纖環形器及光纖光柵結構，在兩段摻 雜光纖上實現四級光脈衝放大，能夠產生峰值功率達幾十到上百瓦的高信噪比的脈衝激 光；並利用噪聲抑制雷射器來實現摻雜光纖中反轉粒子數的控制，從而抑制了光纖放大器 中產生的ASE背景噪聲，並使得輸出脈衝雷射的波形非常平坦；同時採用增益鉗制技術來 控制脈衝光通過摻雜光纖的增益，使得源雷射器和噪聲抑制雷射器在未發送光脈衝的時候工作在閾值電流附近，提高了使用壽命，能夠用於超過十千米的光纖拉曼傳感器。
圖1是本發明的納秒脈衝光纖雷射器的光路結構圖； 圖2是本發明的納秒脈衝光纖雷射器的源雷射器和噪聲抑制雷射器輸出脈衝激 光的時序圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖來詳細說明本發明。
實施例1 : 如圖1所示，本實施例的納秒脈衝光纖雷射器包括控制單元17、源雷射器1、噪聲 抑制雷射器2、光纖耦合器3、第一波分復用器7、第二波分復用器8、第一泵浦雷射二級管5、 第二泵浦雷射二級管6、第一摻雜光纖9、第二摻雜光纖10、第一光纖光柵11、第二光纖光柵 12、第三光纖光柵13、第一光電探測器14、第二光電探測器15、第三光電探測器16和四埠 光纖環形器4;四埠光纖環形器4具有輸入埠、輸出埠和第二埠、第三埠 ；源雷射 器1的雷射中心波長在第一光纖光柵11和第二光纖光柵12的反射帶內，噪聲抑制雷射器 2的雷射中心波長在第三光纖光柵13的反射帶內；所述源雷射器1和噪聲抑制雷射器2的 輸出端通過光纖耦合器3與四埠光纖環形器4的輸入埠相連；第一泵浦雷射二級管5、 四埠光纖環形器4的第二埠通過第一波分復用器7依次與第一摻雜光纖9、第一光纖光 柵11、第三光纖光柵13、第一光電探測器14串接；第二泵浦雷射二級管6、四埠光纖環形 器4的第三埠通過第二波分復用器8依次與第二摻雜光纖10、第二光纖光柵12、第二光 電探測器15串接；光纖耦合器3還與第三光電探測器16相連；控制單元17分別與第一光 電探測器14、第二光電探測器15、第三光電探測器16、源雷射器1、噪聲抑制雷射器2、第一 泵浦雷射二級管5和第二泵浦雷射二級管6相連。 上述源雷射器1、噪聲抑制雷射器2、光纖耦合器3、第一波分復用器7、第二波分復 用器8、第一泵浦雷射二級管5、第二泵浦雷射二級管6、第一摻雜光纖9、第二摻雜光纖10、 第一光纖光柵11、第二光纖光柵12、第三光纖光柵13、第一光電探測器14、第二光電探測器 15、第三光電探測器16和四埠光纖環形器4中需要相連的部件均採用光纖熔接機熔接。
上述第一光纖光柵11和第二光纖光柵12的反射帶相同，第一光纖光柵11和第二 光纖光柵與第三光纖光柵13的反射帶不重疊。
工作過程 控制單元17利用脈衝電流驅動源雷射器1產生一個峰值功率為幾毫瓦的脈衝激 光，脈衝雷射依次通過光纖耦合器3、四埠光纖環形器4傳輸到第一摻雜光纖9，經第一摻 雜光纖9產生一級放大，然後再經過第一光纖光柵11反射，再次通過第一摻雜光纖9，產生 二級放大；經過二級放大後的脈衝雷射再次通過四埠光纖環形器4並進入第二摻雜光纖 10產生第三級放大，經過第二光纖光柵12反射，再次通過第二摻雜光纖10，產生四級放大， 最後經由四埠光纖環形器4輸出埠輸出。如上所述，經過四級放大後，最後輸出的雷射 脈衝峰值功率達可達到數十瓦到上百瓦。第一泵浦雷射二級管5的作用是經過第一波分復 用器7將其泵浦光注入到第一摻雜光纖中9，實現第一摻雜光纖9內摻雜離子的電子能級反轉；第二泵浦雷射二級管6的作用是經過第二波分復用器8將其泵浦光注入到第二摻雜光 纖10中，實現第二摻雜光纖10內摻雜離子的電子能級反轉。 源雷射器1產生一個脈衝雷射後，經過T2時間，控制單元17控制噪聲抑制雷射器 2產生一個脈衝雷射，該脈衝雷射經四埠光纖環形器4進入第一摻雜光纖9，以抑制ASE 的產生，經過第一摻雜光纖9放大後的脈衝雷射通過第一光纖光柵11後經第三光纖光柵13 反射，絕大部分的雷射通過第三光纖光柵13，被第一光電探測器14探測到；小部分的雷射 被第三光纖光柵13反射，經第一摻雜光纖9放大後，通過四埠光纖環形器4進入第二摻 雜光纖10，抑制第二摻雜光纖10中產生的ASE噪聲，經過第二摻雜光纖10放大後的脈衝激 光經過第二光纖光柵12，被第二光電探測器15探測到。如上所述，源雷射器1和噪聲抑制 雷射器2在控制單元17的控制下，依次產生雷射脈衝，最終在四埠光纖環行器的輸出端 口輸出放大後的源雷射脈衝序列。控制單元根據第一光電探測器14的信號來反饋控制第 一泵浦雷射二級管5的泵浦功率；根據第二光電探測器15的信號來反饋控制第二泵浦雷射 二級管6的泵浦功率；根據第三光電探測器16的信號來反饋控制源雷射器1及噪聲抑制激 光器2的輸出脈衝光功率，使得脈衝光纖雷射器輸出脈衝雷射功率穩定。
源雷射器1發出一個光脈衝之後就工作在閾值電流附近，此時雷射器仍發出微弱 的雷射，該微弱雷射和噪聲抑制雷射器2輸出的脈衝雷射同時注入到第一摻雜光纖9和第 二摻雜光纖10中，受增益鉗製作用，源雷射器1輸出的微弱雷射增益很小，由此產生的背景 噪聲對脈衝光纖雷射器的影響幾乎可以忽略不記。 源雷射器1輸出的光脈衝寬度在納秒量級，納秒脈衝放大後的脈衝波形失真量很 小，通過控制單元17控制第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中的反轉粒子數能夠使得輸 出脈衝雷射波形非常平坦。 如圖2所示，控制單元17控制源雷射器1發出一個寬度為T0的光脈衝後，經過T1 時間間隔，控制噪聲抑制雷射器2發出一個寬度為T2的光脈衝；然後再經過T3時間間隔， 控制源雷射器l發出下一個光脈衝。如上重複，產生雷射序列。在T3這段時間裡，將彌補 前一段時間內噪聲抑制雷射器2產生的脈衝雷射對第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中 的反轉粒子數過多的消耗，使第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中的反轉粒子數恢復到較 高的水平，從而保證了源雷射器1產生的光脈衝在第一摻雜光纖9和第二摻雜光纖10中能 夠產生足夠高的增益。同時，T3不能太長，以免在T3時間內產生較大的ASE脈衝噪聲。
權利要求
一種納秒脈衝光纖雷射器，其特徵在於包括控制單元、源雷射器、噪聲抑制雷射器、光纖耦合器、第一波分復用器、第二波分復用器、第一泵浦雷射二級管、第二泵浦雷射二級管、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器和四埠光纖環形器；所述四埠光纖環形器具有輸入埠、輸出埠和第二埠、第三埠；所述源雷射器的雷射中心波長在第一光纖光柵和第二光纖光柵的反射帶內，所述噪聲抑制雷射器的雷射中心波長在第三光纖光柵的反射帶內；所述源雷射器和噪聲抑制雷射器的輸出端通過光纖耦合器與四埠光纖環形器的輸入埠相連；所述第一泵浦雷射二級管、四埠光纖環形器的第二埠通過第一波分復用器依次與第一摻雜光纖、第一光纖光柵、第三光纖光柵、第一光電探測器串接；所述第二泵浦雷射二級管、四埠光纖環形器的第三埠通過第二波分復用器依次與第二摻雜光纖、第二光纖光柵、第二光電探測器串接；所述光纖耦合器還與第三光電探測器相連；所述控制單元分別與第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、源雷射器、噪聲抑制雷射器、第一泵浦雷射二級管和第二泵浦雷射二級管相連。
2. 根據權利要求1所述的納秒脈衝光纖雷射器，其特徵在於所述第一光纖光柵與第二 光纖光柵的反射帶相同，第一光纖光柵與第三光纖光柵的反射帶不重疊。
3. 根據權利要求1所述的納秒脈衝光纖雷射器，其特徵在於所述源雷射器和噪聲抑制 雷射器中心波長在摻雜光纖的增益譜範圍之內，源雷射器中心波長在通信C波段1550nm附 近。
4. 根據權利要求1或2所述的納秒脈衝光纖雷射器，其特徵在於所述光纖耦合器、波分 復用器、四埠光纖環形器、第一摻雜光纖、第二摻雜光纖均採用光通信用單模光器件。
5. 根據權利要求1所述的納秒脈衝光纖雷射器的控制方法，控制單元接收第一光電探 測器、第二光電探測器和第三光電探測器的信號，反饋控制源雷射器、噪聲抑制雷射器、第 一泵浦雷射二級管和第二泵浦雷射二級管的驅動電流，其特徵在於包括如下循環步驟控 制單元控制源雷射器發出 一個寬度為T0的光脈衝，經過T1時間間隔後，控制噪聲抑制雷射 器發出一個寬度為T2的光脈衝；然後再經過T3時間間隔後，源雷射器發出下一個光脈衝。
6. 根據權利要求5所述的納秒脈衝光纖雷射器的控制方法，其特徵在於控制單元根據 第一光電探測器的信號來控制第一泵浦雷射二級管的泵浦功率；控制單元根據第二光電探 測器的信號來控制第二泵浦雷射二級管的泵浦功率；控制單元根據第三光電探測器的信號 來控制源雷射器及噪聲抑制雷射器的輸出脈衝光功率。
7. 根據權利要求5或6所述的納秒脈衝光纖雷射器的控制方法，其特徵在於所述源激 光器在未發出光脈衝的時候工作在閾值電流附近。
8. 根據權利要求5或6所述的納秒脈衝光纖雷射器的控制方法，其特徵在於所述噪聲 抑制雷射器在未發出光脈衝的時候工作在閾值電流附近。
全文摘要
本發明提出了一種背景ASE噪聲小、脈衝峰值功率高、脈衝平坦、使用壽命長的納秒脈衝光纖雷射器及其控制方法。該雷射器主要包括控制單元、源雷射器、噪聲抑制雷射器、光纖耦合器、四埠光纖環形器、四級光纖放大部分和反饋部分。上述納秒脈衝光纖雷射器採用四埠光纖環形器及光纖光柵結構，實現了四級光脈衝放大，能夠產生高峰值功率、高信噪比的光脈衝序列；並利用噪聲抑制雷射器來實現摻雜光纖中反轉粒子數的控制，從而抑制了光纖放大器產生的ASE背景噪聲，並使得輸出脈衝雷射的波形非常平坦；同時採用增益鉗制技術來控制脈衝光通過摻雜光纖的增益，使得源雷射器和噪聲抑制雷射器在未發送光脈衝的時候工作在閾值電流附近，提高了使用壽命。
文檔編號H01S3/083GK101771234SQ20101010300
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者徐海峰 申請人:奇瑞汽車股份有限公司