基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器

摘要

基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器，属于光信息技术领域，为了解决现有多波长掺铥光纤激光器阈值高、稳定性差、结构复杂的技术问题，激光泵浦源与波分复用器的a端连接，波分复用器的b端和c端分别与单模掺铥光纤和第一偏振控制器连接，第一偏振控制器的另一端和第一耦合器d1端连接，第一耦合器的d3端和第二偏振控制器连接，第二偏振控制器另一端和保偏掺铥光纤连接，保偏掺铥光纤另一端和第二耦合器的e1端连接，第二耦合器的e2端和第一耦合器的d4端连接，第二耦合器的e3端和e4端连接，第一耦合器的d2端作为输出端，掺铥光纤另一端和环行器的f1端连接，环行器的f2端和f3端连接，形成全光纤激光线性腔激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于马赫-曾德(M-Z)干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激 光器，属于光信息技术领域。

背景技术

掺铥光纤激光器工作在人眼安全波段，在激光雷达、遥感、医疗、自由空 间光通信等领域具有较好的应用前景，已成为当今最具发展潜力的激光技术之 一。

多波长掺铥光纤激光器在波分复用能够替代由多个传统激光器组合的复杂 结构，并同时满足多信道数的要求，可很大简化系统结构，降低成本。

目前关于多波长掺铥光纤激光器的发明与研究尚处于起步阶段，现有的多 波长掺铥光纤激光器主要有以下几种方案：1、采用非线性偏振旋转与四波混频 效应；2、采用非线性光纤环形镜；3、采用高双折射光纤布拉格光栅。方案1 与方案2均基于非线性效应，非线性效应可有效抑制模式竞争，但需要在激光 腔内引入百米以上的高非线性光纤，阈值高，稳定性差，结构复杂，不利于器 件集成与小型化。方案3所得到的多波长激光波长数受限，并且波长数不可调 谐，难以产生3个以上波长输出。因此，简化多波长光纤激光器结构同时并有 效地抑制由铥原子均匀加宽导致的模式竞争，是提高多波长光纤激光器性能， 降低成本的最有效方法。

发明内容

本发明为了解决现有多波长掺铥光纤激光器阈值高、稳定性差、结构复杂 的技术问题，提出了一种基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器。

基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器，包括激光泵浦源、波分 复用器、单模掺铥光纤、第一偏振控制器第二偏振控制器、第一耦合器、第二 耦合器、保偏掺铥光纤和环行器；

其特征是，激光泵浦源与波分复用器的a端连接，波分复用器的b端和c 端分别与单模掺铥光纤和第一偏振控制器连接，第一偏振控制器的另一端和第 一耦合器d1端连接，第一耦合器的d3端和第二偏振控制器连接，第二偏振控 制器另一端和保偏掺铥光纤连接，保偏掺铥光纤另一端和第二耦合器的e1端连 接，第二耦合器的e2端和第一耦合器的d4端连接，第二耦合器的e3端和e4 端连接，第一耦合器的d2端作为输出端，掺铥光纤另一端和环行器的f1端连接， 环行器的f2端和f3端连接，形成全光纤激光线性腔激光器结构。

泵浦源采用1573nm的激光二极管，波分复用器的a、b、c端分别为1570nm 端、公共端和2000nm端。

单模掺铥光纤长度优选4m，保偏掺铥光纤长度优选4m。

本发明的有益效果：本发明采用一种新型结构的M-Z全光纤干涉仪，很大 程度提高了输出激光稳定性，降低阈值功率，简化了结构，通过调节第二偏振 控制器(4-2)改变两干涉臂的光强比，可改变M-Z干涉仪滤波峰值强度，从而 实现波长数为1-4个可调谐，波长间隔为2.3nm，单波长线宽为0.045nm，波长 间隔可通过改变保偏光纤6长度改变，保偏掺铥光纤6同时作为相位延迟器和 饱和吸收体，可吸收线性腔内的自激振荡模，减弱自激振荡模和多波长激光之 间的模式竞争，优化输出光谱，提高输出激光稳定性，输出多波长激光一小时 内波长稳定性优于0.02nm，功率稳定性优于0.5dB。单波长可调谐范围接近 20nm。

本发明结构简单、成本低、阈值低、稳定性高及易于集成，在波分复用、 光纤传感、光通信等领域具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器结构示意图。

图2中(a)为一小时内单波长激光输出光谱；(b)为一小时内双波长激光 输出光谱；(c)为一小时内三波长激光输出光谱；(d)为一小时内四波长激光 输出光谱。

图3为1.91μm波段单波长激光光谱。

图4展示了单波长可调谐范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，基于M-Z干涉仪的线性腔多波长掺铥光纤激光器，包括激光 泵浦源1、波分复用器2、单模掺铥光纤3、第一偏振控制器4-1第二偏振控制 器4-2、第一耦合器5-1、第二耦合器5-2、保偏掺铥光纤6、环行器7。

该激光器的各部件连接均采用光纤熔接，1573nm激光泵浦源1与波分复用 器2的a端连接，波分复用器2的b端与单模掺铥光纤3一端连接，波分复用 器2的c端与第一偏振控制器4-1一端连接，第一偏振控制器4-1的另一端与第 一耦合器5-1的d1端连接，单模掺铥光纤3的另一端与环行器7的f1端连接， 环行器7的f2端与f3端连接，构成反馈环结构。

其中，1573nm激光二极管泵浦源1最大输出为250mW，波分复用器2的a、 b、c端分别为1570nm端、公共端、2000nm端。单模掺铥光纤3长度优化为4m， 在250mW泵浦条件下对应转换效率最高。

本发明中M-Z干涉仪包括3dB第一耦合器5-1、3db第二耦合器5-2、第二 偏振控制器4-2、保偏掺铥光纤6，第一耦合器5-1的d3端与第二偏振控制器4-2 连接，第二偏振控制器4-2的另一端与保偏掺铥光纤6连接，保偏掺铥光纤6 长度优化为4m，第二偏振控制器4-2与保偏掺铥光纤6构成可变相位延迟，保 偏掺铥光纤6另一端与第二耦合器5-2的e1端连接，构成马赫-增德干涉仪的一 个干涉臂，第二耦合器5-2的e3与e4端连接，构成反射式光路，第二耦合器 5-2的e2端与第一耦合器的d4端连接，构成M-Z干涉仪的另一个干涉臂，第一 耦合器的d2端作为输出端。

开启激光泵浦源1，在175mW-250mW范围内调节激光泵浦源1功率可改 变激光输出功率。泵浦光通过波分复用器2注入4m单模掺铥光纤3，产生的2μm 波段背向放大自发辐射光经第一偏振控制器4-1，再由第一耦合器5-1的d1端注 入M-Z干涉滤波器，放大自发辐射光被第一耦合器5-1分为强度相同的两部分， 分别经过两个干涉臂传播，其中沿d3端至e1端干涉臂传播的光经第二偏振控 制器4-2和保偏掺铥光纤6后产生附加相位延迟，导致经两臂后的放大自发辐射 光产生固定光程差，在第二耦合器5-2处形成干涉，经第二耦合器5-2反射后在 第一耦合器5-1出再次形成干涉，从而实现梳状滤波，滤波后的部分宽带光由第 一耦合器的d1端返回腔内再由环行器7反馈，从而在线形腔内持续振荡，形成 多波长激光输出。

图2(a)、(b)、(c)、(d)分别为一小时内单波长、双波长、三波长、四波 长的输出光谱，记录间隔为10分钟，通过调节第二偏振控制器(4-2)改变两干 涉臂的光强比，可改变M-Z干涉仪滤波峰值强度，从而实现波长数调谐。波长 间隔可通过改变保偏掺铥光纤6长度实现调谐，调谐规律为：长光纤对应短波 长间隔，呈线性变化规律。

图3为1.91μm处单波长激光输出光谱，其边模抑制比为45dB，3dB线宽 为0.045nm。

第二偏振控制器4-2与保偏掺铥光纤6的引用有效地优化了M-Z干涉仪的 滤波特性，传统的反射式M-Z干涉仪的梳状滤波周期需要通过改变两干涉臂臂 长差改变，操作繁琐，通常实现1nm以上的滤波间隔，臂长差需精确到0.1mm 以内，对工艺要求较高。该结构仅通过改变保偏掺铥光纤6长度就可实现滤波 周期改变，操作简单有效。其中保偏掺铥光纤6另一作用是作为饱和吸收体， 可吸收线性腔内的自激振荡模，减弱自激振荡模和多波长激光之间的模式竞争， 优化输出光谱，提高输出激光稳定性，其波长稳定性小于0.02nm，功率稳定性 小于0.5dB。

调节第二偏振控制器4-2，使输出波长数保持为一个，再调节第一偏振控制 器4-1，可实现单波长的调谐范围(1895nm-1915nm)接近20nm。如图4所示。