一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器

摘要

本发明公开了一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器。所述光纤环形腔激光器包括经扭转处理过的稀土掺杂光纤(101)，第一偏振控制器(102)，第一偏振转换器(103)，窄带滤波器(104)，输出耦合器(105)，双向线起偏器(110)，精细滤波器(112)，波分复用器(113)，第二偏振转换器(114)，第二偏振控制器(115)，泵浦激光器(111)，第一隔离器(106)，第二隔离器(109)，第三偏振控制器(107)和第四偏振控制器(108)。该光纤环形腔激光器能够有效抑制空间烧孔效应，减少圆偏振光的使用，降低系统研发风险，并减小环境变化引起的偏振态扰动对系统稳定性的影响，提高了光纤环形腔激光器的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器。

背景技术

目前，在光纤通信技术领域中，光纤环形腔激光器具有成本低廉、结构紧凑、抗电 磁干扰等优点，在光纤传感、遥感以及光纤通信领域具有广泛的应用。当增益光纤中相 向传输的两束光形成驻波时，会发生空间烧孔效应，该效应会在增益光纤中形成增益光 栅，导致相向传播的两束光发生耦合，进而引起多纵模、模式竞争等效应。所以，若要 获得双向单纵模激光，则必须抑制空间烧孔效应。

现有技术方案中，已经分别实现了线偏振双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器和圆偏 振双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器。对于线偏振双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器而 言，由于使用非互易器件来产生相互正交的线偏振光，顺逆时针方向上两个正交线偏振 光走过的光路不同，因此激光器顺逆时针两个方向上的本征频率不同，存在频率偏置， 这样当外界环境变化时(如温度变化)会引起频率偏置涨落，进而影响激光器的频率稳 定性和应用范围。

而对于圆偏振双向单纵模掺铒光纤环形腔激光器而言，一般需要对所有器件的尾 纤进行扭转处理，以获得一定的圆保偏能力，而光纤圆保偏技术及器件的不成熟导致了 环形腔中光的圆偏振态不能很好的保持，易受震动、温度等环境因素的影响，进而影响 系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器，能够有效抑制空间烧 孔效应，减少圆偏振光的使用，降低系统研发风险，并减小环境变化引起的偏振态扰动 对系统稳定性的影响，提高了光纤环形腔激光器的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器，所述光纤环形腔激光器包括经扭转处理过 的稀土掺杂光纤(101)，第一偏振控制器(102)，第一偏振转换器(103)，窄带滤 波器(104)，输出耦合器(105)，双向线起偏器(110)，精细滤波器(112)，波 分复用器(113)，第二偏振转换器(114)，第二偏振控制器(115)，泵浦激光器 (111)，第一隔离器(106)，第二隔离器(109)，第三偏振控制器(107)和第四 偏振控制器(108)，其中：

在所述稀土掺杂光纤(101)内相向传输的是两束同频率、同偏振态的圆偏振光， 在所述稀土掺杂光纤(101)以外的部分，相向传输的是两束同频率、同偏振态的线偏 振光；

所述第一偏振控制器(102)的一端与所述稀土掺杂光纤(101)的一端相连，用于 精细调节所述稀土掺杂光纤(101)中的圆偏振态；

所述第一偏振转换器(103)的一端与所述第一偏振控制器(102)的另一端相连， 用于实现线偏振态与圆偏振态之间的相互转换；

所述窄带滤波器(104)的一端与所述第一偏振转换器(103)的另一端相连，用于 实现单峰窄带滤波功能；

所述输出耦合器(105)包含四个端口，其中两个端口作为输入端，另外两个端口 作为输出端，该输出耦合器(105)作为输入端的一个端口与所述窄带滤波器(104) 的另一端相连；

所述双向线起偏器(110)的一端与所述输出耦合器(105)作为输入端的另一个端 口相连，用于实现双向线偏振态起偏；

所述精细滤波器(112)的一端与所述双向线起偏器(110)的另一端相连，所述窄 带滤波器(104)和所述精细滤波器(112)作为复合滤波器，用于共同实现光频极窄 带滤波，得到单纵模激光；

所述波分复用器(113)的一端与所述精细滤波器(112)的另一端相连，用于将泵 浦激光耦合入光纤环形腔；

所述第二偏振转换器(114)的一端与所述波分复用器(113)的另一端相连，用于 实现线偏振态与圆偏振态之间的相互转换；

所述第二偏振控制器(115)的一端与所述第二偏振转换器(114)的另一端相连， 所述第二偏振控制器(115)的另一端与所述稀土掺杂光纤(101)的另一端相连，用 于精细调节所述稀土掺杂光纤(101)中的圆偏振态；

所述泵浦激光器(111)与所述波分复用器(113)的泵浦输入端相连，用于产生泵 浦激光；

所述第一隔离器(106)的一端与所述输出耦合器(105)作为输出端的一个端口相 连，用于隔离该输出端出射的反射光；

所述第二隔离器(109)的一端与所述输出耦合器(105)作为输出端的另一个端口 相连，用于隔离该另一个输出端出射的反射光；

所述第三偏振控制器(107)的一端与所述第一隔离器(106)的另一端相连，用于 调节所述第一隔离器(106)输出光的偏振态，该第三偏振控制器(107)的另一端输 出的为顺时针激光；

所述第四偏振控制器(108)的一端与所述第二隔离器(109)的另一端相连，用于 调节所述第二隔离器(109)输出光的偏振态，该第四偏振控制器(107)的另一端输 出的为逆时针激光。

所述光纤环形腔激光器的环形腔由互易器件构成，顺逆时针两个方向的激光本征频 率相同。

所述稀土掺杂光纤(101)为掺铒光纤或铒镱共掺光纤，并使用线保偏器件保持传 输光的线偏振态。

所述窄带滤波器(104)、输出耦合器(105)、双向线起偏器(110)、精细滤波 器(112)和波分复用器(113)均为线保偏器件，且尾纤均为线保偏光纤。

所述第一偏振转换器(103)和所述第二偏振转换器(114)与所述稀土掺杂光纤 (101)相连的尾纤均为普通单模光纤，并对其进行扭转处理，且另一端尾纤为单模线 保偏光纤。

所述窄带滤波器(104)为透射式单峰滤波器，双向互易工作。

所述精细滤波器(112)为梳状滤波器，由第一3dB耦合器(201)和第二3dB耦合 器(202)构成，具体包括：光纤马赫-曾德尔Mach-Zehnder梳状滤波器、光纤环形腔 滤波器或光纤法布里-珀罗Fabry-Perot腔滤波器。

所述泵浦激光器(111)采用980纳米nm泵浦激光二极管或者1480nm泵浦激光二极 管。

所述输出耦合器(105)为90/10耦合器或者80/20耦合器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述光纤环形腔激光器包括经扭转处理过 的稀土掺杂光纤(101)，第一偏振控制器(102)，第一偏振转换器(103)，窄带滤 波器(104)，输出耦合器(105)，双向线起偏器(110)，精细滤波器(112)，波 分复用器(113)，第二偏振转换器(114)，第二偏振控制器(115)，泵浦激光器 (111)，第一隔离器(106)，第二隔离器(109)，第三偏振控制器(107)和第四 偏振控制器(108)。该光纤环形腔激光器能够有效抑制空间烧孔效应，减少圆偏振光 的使用，降低系统研发风险，并减小环境变化引起的偏振态扰动对系统稳定性的影响， 提高了光纤环形腔激光器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例所提供双向互易单纵模光纤环形腔激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例所举实例中顺逆时针输出功率随泵浦功率的变化曲线示意图；

图3为本发明实施例所举实例中顺时针输出端的光谱示意图；

图4为本发明实施例所举实例中逆时针输出端的光谱示意图；

图5为本发明实施例所举实例中用来验证工作状态和顺逆时针激光频率的装置结构 简图；

图6为本发明实施例所举实例中顺时针输出端的时域扫描波形示意图；

图7为本发明实施例所举实例中逆时针输出端的时域扫描波形示意图；

图8为本发明实施例所举实例中顺逆时针输出先通过一个3dB耦合器合束处理后的 时域扫描波形示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的线偏振光和圆偏振光相结合的方案，可以克服原有线偏振系 统中的频率偏置涨落问题，减少了圆偏振光的使用，降低了系统研发风险，减小了环境 变化引起的圆偏振态扰动对系统性能的影响，下面将结合附图对本发明实施例作进一步 地详细描述，本实施例的各部件在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相 同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，且下面通过参考附图描述的实施例是示 例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制，如图1所示为本发明实施例 所提供双向互易单纵模光纤环形腔激光器的结构示意图，图1中的光纤环形腔激光器包括 经扭转处理过的稀土掺杂光纤(101)，第一偏振控制器(102)，第一偏振转换器 (103)，窄带滤波器(104)，输出耦合器(105)，双向线起偏器(110)，精细滤波 器(112)，波分复用器(113)，第二偏振转换器(114)，第二偏振控制器(115)， 泵浦激光器(111)，第一隔离器(106)，第二隔离器(109)，第三偏振控制器 (107)和第四偏振控制器(108)，其中：

在所述稀土掺杂光纤(101)内相向传输的是两束同频率、同偏振态的圆偏振光， 这两束光不会发生干涉，进而可以克服稀土掺杂光纤(101)中的空间烧孔效应；在所 述稀土掺杂光纤(101)以外的部分，相向传输的是两束同频率、同偏振态的线偏振 光，使用线保偏器件保持传输光的线偏振态，可以减小环境变化引起的偏振态扰动对系 统稳定性的影响。

在具体实现过程中，所述稀土掺杂光纤(101)可以是掺铒光纤或铒镱共掺光纤 等，并进行扭转处理，以减小环境变化对其中传输的圆偏振光偏振态的影响。例如该稀 土掺杂光纤(101)可以为50cm长的Liekki Er30-4/125掺铒光纤，且进行了扭转处 理，扭转率为每米70圈。

所述第一偏振控制器(102)的一端与所述稀土掺杂光纤(101)的一端相连，用于 精细调节所述稀土掺杂光纤(101)中的圆偏振态。

所述第一偏振转换器(103)的一端与所述第一偏振控制器(102)的另一端相连， 用于实现线偏振态与圆偏振态之间的相互转换。

所述窄带滤波器(104)的一端与所述第一偏振转换器(103)的另一端相连，用于 实现单峰窄带滤波功能，具体来说：所述窄带滤波器(104)可以为透射式单峰滤波 器，双向互易工作，例如该窄带滤波器(104)可以采用透射式单峰滤波器，其中心波 长为1550nm，半高宽为0.2nm。

所述输出耦合器(105)包含四个端口，其中两个端口作为输入端，另外两个端口 作为输出端，该输出耦合器(105)作为输入端的一个端口与所述窄带滤波器(104) 的另一端相连；具体实现中，该输出耦合器(105)可以是90/10耦合器或者80/20耦合 器，例如该输出耦合器(105)可以为90/10耦合器，其中10％端口作为两个输出端。

所述双向线起偏器(110)的一端与所述输出耦合器(105)作为输入端的另一个端 口相连，用于实现双向线偏振态起偏。

所述精细滤波器(112)的一端与所述双向线起偏器(110)的另一端相连，所述窄 带滤波器(104)和所述精细滤波器(112)作为复合滤波器，用于共同实现光频极窄 带滤波，得到单纵模激光；在具体实现中：所述精细滤波器(112)可以为梳状滤波 器，由第一3dB耦合器(201)和第二3dB耦合器(202)构成，例如可以由光纤马赫-曾 德尔Mach-Zehnder梳状滤波器、光纤环形腔滤波器或光纤法布里-珀罗Fabry-Perot腔 滤波器来实现，具体可由第一3dB耦合器(201)和第二3dB耦合器(202)构成光纤 Mach-Zehnder梳状精细滤波器(112)，其臂长差为20cm，其自由谱宽约为1GHz，每个 通带的3dB带宽约为333MHz。

所述波分复用器(113)的一端与所述精细滤波器(112)的另一端相连，用于将泵 浦激光耦合入光纤环形腔。

所述第二偏振转换器(114)的一端与所述波分复用器(113)的另一端相连，用于 实现线偏振态与圆偏振态之间的相互转换。

所述第二偏振控制器(115)的一端与所述第二偏振转换器(114)的另一端相连， 所述第二偏振控制器(115)的另一端与所述稀土掺杂光纤(101)的另一端相连，用 于精细调节所述稀土掺杂光纤(101)中的圆偏振态。

所述泵浦激光器(111)与所述波分复用器(113)的泵浦输入端相连，用于产生泵 浦激光；具体实现中，该泵浦激光器(111)可以是980nm泵浦激光二极管或者1480nm 泵浦激光二极管，其泵浦输入端是980nm输入或者1480nm输入，例如，若所述波分复用 器(113)为980nm/1550nm波分复用器，则泵浦激光器(111)为980nm泵浦激光二极 管。

所述第一隔离器(106)的一端与所述输出耦合器(105)作为输出端的一个端口相 连，用于隔离该输出端出射的反射光。

所述第二隔离器(109)的一端与所述输出耦合器(105)作为输出端的另一个端口 相连，用于隔离该另一个输出端出射的反射光。

所述第三偏振控制器(107)的一端与所述第一隔离器(106)的另一端相连，用于 调节所述第一隔离器(106)输出光的偏振态，该第三偏振控制器(107)的另一端输 出的为顺时针激光。

所述第四偏振控制器(108)的一端与所述第二隔离器(109)的另一端相连，用 于调节所述第二隔离器(109)输出光的偏振态，该第四偏振控制器(107)的另一端 输出的为逆时针激光。

另外，整个光纤环形腔激光器的环形腔由互易器件构成，顺逆时针两个方向的激光 本征频率相同，从而克服频率偏置涨落问题。这里，所述的互易器件是指当激励端口和 响应端口互换位置时，响应不因这种互换而有所改变的特性。对于二端口器件而言，表 现为左端口到右端口的传输特性与右端口到左端口的传输特性相同。

另外，在具体实现过程中：

上述窄带滤波器(104)、输出耦合器(105)、双向线起偏器(110)、精细滤波 器(112)、波分复用器(113)均为线保偏器件，且尾纤均为线保偏光纤。

上述第一偏振转换器(103)和第二偏振转换器(114)与稀土掺杂光纤(101)相 连的尾纤均为普通单模光纤，并对其进行扭转处理，另一端尾纤为单模线保偏光纤，具 体可采用全光纤1/4波片或者分立器件在线1/4波片来实现。

下面以具体实例来对上述双向互易单纵模光纤环形腔激光器的输出功率和性能进行 说明：

如图2所示为本发明实施例所举实例中顺逆时针输出功率随泵浦功率的变化曲线示 意图，从图2中发现，顺逆时针两个方向的泵浦功率阈值均为7.3mW，由于顺时针输出 是后向泵浦输出，相同的泵浦功率下，顺时针输出的输出功率要比逆时针输出的输出功 率大。

当泵浦功率为33.1mW时，仔细调整第一偏振控制器(103)和第二偏振控制器 (115)，可以使得顺逆时针输出功率相当，此时测得顺逆时针输出的光谱，如图3所 示为顺时针输出端的光谱示意图，图3中：激光中心波长为1549.927nm，3dB谱宽为 0.014nm，峰值功率为-25.2dBm；如图4所示为逆时针输出端的光谱示意图，图4中：激 光中心波长为1549.922nm，3dB谱宽为0.015nm，峰值功率为-24.8dBm。

下面进一步对本发明实施例所提供的双向互易单纵模光纤环形腔激光器是否处于 双向单纵模的工作状态进行验证，如图5所示为用来验证工作状态和顺逆时针激光频率 的装置结构简图，采用图5中的扫描环形腔(301)对图1中所示的顺逆时针两个输出端 分别进行扫描，经扫描环形腔(301)输出的激光通过光电探测器(302)后，将波形 显示在示波器(303)上，其中所述扫描环形腔(301)自由谱宽约为100MHz，扫描范 围(半个扫描周期)约为230MHz。

在本实施例所举例子中，该双向互易单纵模光纤环形腔激光器的整个环形腔腔长 为4.4m，环形腔纵模间距为45MHz，并且整个系统由互易器件构成，这样考虑到整个激 光器环形腔的腔长为4.4m，激光器环形腔纵模间距为45MHz，如果系统工作在单纵模状 态，则示波器(303)上每半个扫描周期就应该对应两个吸收峰，以此作为依据来验证 该光纤环形腔激光器是否处于双向单纵模的工作状态。

如图6为本发明实施例所举实例中顺时针输出端的时域扫描波形示意图，图6中： 对应每半个扫描周期，扫描波形上有两个吸收峰；如图7为本发明实施例所举实例中逆 时针输出端的时域扫描波形示意图，图7中：对应每半个扫描周期，扫描波形上有两个 吸收峰。这样由上述描述可知，本发明实施例所提供的双向互易单纵模光纤环形腔激光 器的确工作在双向单纵模状态。

下面再进一步对本发明实施例所提供的双向互易单纵模光纤环形腔激光器的顺逆 时针激光频率是否相同进行验证，如图8所示为顺逆时针输出先通过一个3dB耦合器合 束处理后的时域扫描波形示意图，所采用的验证装置依然如图5所示，只是此时图5中的 输入信号变为图1中顺时针输出端和逆时针输出端先通过一个3dB耦合器合束，再经过 光电探测器之后的信号，然后调整第三偏振控制器(107)和第四偏振控制器(108) 就可以得到图8所示的时域扫描波形。从图8中可以发现，对应每半个扫描周期，扫描波 形上有两个吸收峰，这意味着顺逆时针激光频率是相同的。

综上所述，本发明实施例能够有效抑制空间烧孔效应，减少圆偏振光的使用，降低 系统研发风险，并减小环境变化引起的偏振态扰动对系统稳定性的影响，同时能克服原 有线偏振系统中的频率偏置涨落问题，提高了光纤环形腔激光器的性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。