基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐窄线宽光纤激光器

摘要

本发明涉及一种基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐窄线宽光纤激光器，包括：LD激光器、WDM耦合器、掺铒光纤环、光隔离器、环形器、光纤光栅、相移光纤光栅调谐器、光耦合器、波长计、输入及控制电路和输出光耦合器。其中WDM耦合器、掺铒光纤、隔离器、环形器、相移光纤光栅调谐器、光耦合器构成环形腔，利用环形器、光纤光栅、相移光纤光栅调谐器组成腔内可调滤波器，通过改变两光纤光栅之间的空气间隙长度从而改变了相移光纤光栅的相移量，进而实现输出激光波长的调谐。本发明利用可调相移光纤光栅、光耦合器、波长计、输入及控制电路、输出光耦合器组成输入及反馈控制回路，通过反馈控制获得需要的激光波长，同时保证激光输出波长的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器的技术领域，尤其涉及一种基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐 窄线宽光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是在光纤放大器技术基础上发展起来的。作为一种新型的光源它具有独特的 优点：光纤输出灵活，可以在恶劣的环境下工作，结构紧凑，能量密度高，抗电磁干扰性强， 转换效率高，可调谐等等。在光纤通信、光纤传感、军事、工业加工、光信息处理和全色显 示等领域有着广阔的应用前景。特别是可调谐光纤激光器在波分复用光纤通信和光纤传感应 用中扮演这极其重要的角色。

光纤光栅是利用光纤光敏性产生的一种光无源器件，它在光纤纤芯上形成空间周期性折 射率分布，折射率调制改变了光在该区域的传播行为方式，即满足一定条件的波会被反射， 是一种滤波器件。相移光纤光栅是一种非均匀周期光栅，特点是在光纤光栅轴向折射率中引 入突变或者不连续的相移点，从而在光栅阻带中打开一个或者多个线宽极窄的透射窗口，使 得光栅对某一个或者多个特定波长具有更高的选择度，而且相移光纤光栅的窗口位置可以随 相移量的大小发生改变，透射窗口的强度以及线宽也可以随着相移点位置的不同而不同。

可调谐光纤激光器虽然目前已获得广泛的使用，但也存在诸多问题有待进一步解决，特 别是对输出波长的有效快速调谐以及压窄线宽的问题。目前国内多采用光纤光栅调谐方案， 并已提出光纤光栅的机械调谐方案、热调谐和电磁调谐。其中机械调谐、电磁调谐虽简单易 行，但由于受光纤光栅本身应变特性的限制，很难获得大的调谐范围。而热调谐也存在着调 谐速度慢、精度低、热迟滞等问题。另外，目前的可调谐光纤激光器在输出波长稳定性上也 存在问题，主要是因为温度、应变等因素会影响输出激光的波长，从而限制了光纤激光器的 精度稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种结构简单，操作方便，调谐速度快且输出波长稳定 度高的新型窄线宽的光纤激光器。采用空气间隙可调的相移光纤光栅，通过PZT改变空气间 隙长度，从而改变相移量，以此实现光纤激光器输出激光的调谐。引入反馈机制，提高了输 出激光波长值的精度稳定性。

本发明的技术解决方案如下：一种基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐窄线宽光纤激光 器，包括LD激光器、WDM耦合器、掺铒光纤、隔离器、环形器、光纤光栅、相移光纤光栅调 谐器、光耦合器、波长计、输入及控制电路和输出光耦合器；其中，WDM耦合器、掺铒光纤、 隔离器、环形器、相移光纤光栅调谐器、光耦合器依次连接构成环形腔；LD激光器通过WDM 耦合器输入端与环形腔相连；光纤光栅通过环形器输入端与环形腔相连；光耦合器输出端与 输出光耦合器相连；输出光耦合器的输出端B为反馈激光信号采集点；波长计检测激光波长， 检测信号传输给输入及控制电路，输入及控制电路控制信号连接到相移光纤光栅调谐器上； 输出光耦合器输出端A输出激光。

所述的可调谐窄线宽光纤激光器，采用环形器、光纤光栅和相移光纤光栅调谐器组成腔 内可调滤波器，光纤光栅主要抑制相移光纤光栅调谐器透射谱阻带两侧的光，相移光纤光栅 调谐器具有极窄的透射窗口，透射光波长可调，实现可调窄线宽滤波。

其中，相移光纤光栅调谐器、光耦合器、输出光耦合器、波长计、输入及控制电路依次 连接组成反馈控制回路，通过反馈控制获得需要的激光波长，同时保证激光输出波长的稳定 性。

其中，相移光纤光栅调谐器包括PZT调谐电路、PZT、光纤光栅套管基座、光纤光栅套 管、左端光纤光栅、右端光纤光栅、两个光纤固定点；将一根光纤光栅从中间切断为所述的 左端光纤光栅和右端光纤光栅，然后将两段光纤光栅插入所述的光纤光栅套管；光纤光栅套 管放置在光纤光栅套管基座上，左端光纤光栅和光纤光栅套管基座在所述的两个光纤固定点 中的一个固定点固连在一起；PZT左端固连在光纤光栅套管基座上，PZT右端和右端光纤光 栅通过所述的两个光纤固定点中的另一个固定点固连在一起。

其中，相移光纤光栅部分由一根普通光纤光栅从中切断后、再耦合制作而成，通过调节 两根光纤光栅中间的空气间隙长度，可以改变相移光纤光栅的相移量，从而改变光纤光栅透 射窗口的位置。

其中，相移光纤光栅调谐器通过PZT调谐电路调谐PZT的长度；PZT的长度变化使得与 之固连的右端光纤光栅产生位移，从而改变了两段光纤光栅之间空气间隙大小，从而改变光 纤光栅透射窗口的位置。

其中，所述输入及控制电路，包括单片机和激光波长值输入键盘，其中单片机中集成了 串口、D/A模块及I/O接口，波长计通过串口与单片机连接，激光波长值输入键盘通过I/O 接口与单片机相连；单片机将得到的实际激光波长值和需要的激光波长值进行比较，获得误 差值，通过数模转换为电信号传输给PZT调谐电路，实现激光波长反馈控制。

其中，光纤光栅套管内径125微米至126微米；所述的两个光纤固定点采用胶固定或焊 接固定。

具体的，本发明的一种基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐窄线宽光纤激光器如图1所 示，包括LD激光器1、WDM耦合器2、掺铒光纤3、隔离器4、环形器5、光纤光栅6、相移 光纤光栅调谐器7、光耦合器8、波长计9、输入及控制电路10、输出光耦合器11。

其中，相移光纤光栅调谐器7包括PZT调谐电路21、PZT 22、光纤光栅套管基座23、 光纤光栅套管24、左端光纤光栅25、右端光纤光栅26、光纤固定点27、28。

WDM耦合器2、掺铒光纤3、隔离器4、环形器5、相移光纤光栅调谐器7、光耦合器8 接在环形腔光纤上。LD激光器1通过WDM耦合器2输入端与环形腔相连；光纤光栅6通过环 形器5输入端与环形腔相连；光耦合器8输出端与输出光耦合器11相连。输出光耦合器11 的输出端B为反馈激光信号采集点；波长计9检测激光波长，检测信号传输给输入及控制电 路10，输入及控制电路10控制信号连接到相移光纤光栅调谐器7上。输出光耦合器11输出 端A为激光输出。

所述的可调谐窄线宽环形光纤激光器，采用环形器5、光纤光栅6和相移光纤光栅调谐 器7组成腔内可调滤波器。参见图4所示，光纤光栅6的反射谱为图4中4-2，相移光纤光 栅的透射谱为图4中4-1。光纤光栅6主要抑制相移光纤光栅调谐器7透射阻带两侧的光， 而相移光纤光栅调谐器7在透射阻带中打开一个极窄的透射窗口，从而同时实现了窄线宽与 旁瓣抑制的激光输出。

所述的可调谐窄线宽环形光纤激光器，采用新型的相移光纤光栅制作方法，相移光纤光 栅部分由一根普通光纤光栅从中切断制作而成，通过调节两根光纤光栅中间的空气间隙长 度，可以改变相移光纤光栅的相移量，从而改变光纤光栅透射窗口的位置。参见图5所示， 左端光纤光栅25为固定的光纤光栅，右端光纤光栅26为可移动的光纤光栅，则移动右端光 纤光栅26可改变两光纤光栅之间的空气间隙距离。参见图6所示，当空气间隙的长度变长 时，相移光纤光栅透射峰值波长的位置向长波方向移动，从而使得输出激光波长变大。相应 的当空气间隙的长度变短时，相移光纤光栅透射峰值波长的位置向短波方向移动，从而使得 输出激光波长变小。且轴向位移量与相移峰值波长基本呈线性关系。基于此实现了光纤激光 器的输出激光波长调谐。

所述的可调谐窄线宽环形光纤激光器，采用新型的相移光纤光栅调谐器7，利用PZT 22 的压电效应，通过PZT调谐电路21控制PZT 22两端电压从而改变PZT 22的长度，以此使 得固连在PZT 22上的右端光纤光栅26发生位移，改变了两光纤光栅之间的空气间隙距离。 由上述相移光纤光栅原理可见，改变两光纤光栅之间的空气间隙距离可实现相移峰值波长的 调谐，进而实现了输出激光波长的调谐。

所述的可调谐窄线宽环形光纤激光器，采用实时反馈控制回路，监测实际输出激光波长 值，与需要的激光波长值进行差分放大反馈回相移光纤光栅调谐器7，通过自动调节相移光 纤光栅调谐器7中相移光纤光栅的相移量以稳定输出激光波长。例如当实际激光波长大于需 要的激光波长时，由图6可知，需要相移光纤光栅调谐器7调节空气间隙长度变短，则可减 小相移光纤光栅的透射波长，从而减小实际激光波长以达到需要的激光波长值。反之当实际 激光波长小于需要的激光波长时，由图6可知，需要相移光纤光栅调谐器7调节空气间隙长 度变长，则可增大相移光纤光栅的透射波长，从而增大实际激光波长以达到需要的激光波长 值。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用新型的空气间隙型相移光纤光栅，可实现更加方便的相移量的改变；

2.本发明采用新型的相移量调谐装置，成本低、装置简单且操作容易；相对于以往的 调谐方式，调谐速度快、精度高；

3.本发明采用环形器、光纤光栅和相移光纤光栅调谐器组成腔内可调滤波器，有效减 少了振荡的纵模数，并且使得输出激光波长线宽更窄；

4.本发明采用反馈控制电路，提高了输出激光波长的精度稳定性。

附图说明

图1是可调谐相移光纤光栅环形激光器的结构示意图；

图2是相移光纤光栅调谐器的结构示意图；

图3是输入及控制电路的结构示意图；

图4是光纤光栅6的反射谱和相移光纤光栅调谐器7透射谱的示意图；

图5是光纤光栅位移示意图；

图6是光纤光栅位移对相移光纤光栅透射峰值波长的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的一种基于间隙可调相移光纤光栅的可调谐窄线宽光纤激光器的结构示意 图。包括LD（Laser Diode）激光器1、WDM（Wavelength Division Multiplexer）耦合器2、 掺铒光纤3、隔离器4、环形器5、光纤光栅6、相移光纤光栅调谐器7、光耦合器8、波长 计9、输入及控制电路10和输出光耦合器11。WDM耦合器2、掺铒光纤3、隔离器4、环形 器5、相移光纤光栅调谐器7、光耦合器8接在环形腔光纤上。LD激光器1通过WDM耦合器 2输入端与环形腔相连；光纤光栅6通过环形器5输入端与环形腔相连；光耦合器8输出端 与输出光耦合器11相连。输出光耦合器11的输出端B为反馈激光信号采集点。波长计9检 测激光波长，检测信号传输给输入及控制电路10，输入及控制电路10控制信号连接到相移 光纤光栅调谐器7上。输出光耦合器11输出端A输出激光。

其中，相移光纤光栅调谐器7包括PZT调谐电路21、PZT 22、光纤光栅套管基座23、 光纤光栅套管24、左端光纤光栅25、右端光纤光栅26、光纤固定点27、28。

其中，输入及控制电路10包括单片机41和激光波长值输入键盘42。

参见图1所示，泵埔光源采用LD激光器1，采用980nm半导体激光器。WDM耦合器2 采用980/1550WDM。LD激光器1输出的泵埔光由WDM耦合器2耦合进掺铒光纤3的增益介质； 放大后的光经过隔离器4进入环形器5。环形器5内的光按照图1中的方向传播，由光纤光 栅6反射之后进入相移光纤光栅调谐器7。经由光耦合器8采集激光，最后激光由输出光耦 合器11输出端A输出。光耦合器8和输出光耦合器11采集激光信号，而采集的激光由波长 计9检测得到激光波长值。波长计9将检测得到的波长值传输给输入及控制电路10，输入及 控制电路10将得到的激光波长与需要的激光波长进行差分放大，将放大的电信号传输给相 移光纤光栅调谐器7，对应相移光纤光栅调谐器7中的PZT调谐电路21，通过PZT调谐电路 21调节空气间隙长度来稳定输出激光波长。

图2是相移光纤光栅调谐器7的结构示意图。将一根光纤光栅从中间切断为左端光纤光 栅25和右端光纤光栅26，然后将两段光纤光栅插入光纤光栅套管24。光纤光栅套管24固 连在光纤光栅套管基座23上，左端光纤光栅25和光纤光栅套管基座23在光纤固定点27固 连在一起。PZT 22左端固连在光纤光栅套管基座23上，右端光纤光栅26与PZT 22之间留 有间隙，PZT 22右端和右端光纤光栅26通过光纤固定点28固连在一起。通过PZT调谐电路 21调谐PZT 22的长度。PZT 22的长度变化使得与之固连的右端光纤光栅26产生位移，从 而改变了两段光纤光栅之间空气间隙的距离，从而实现了相移量的改变。空气间隙长度变化 的调节原理如图5所示。

图3是输入及控制电路的结构示意图。其中，单片机41中集成了串口、I/O接口及D/A 模块等通用器件，激光波长值输入键盘42采用普通数字键盘。将波长计9通过单片机41上 的串口连接到单片机41上，单片机接收波长计输入的实际激光波长值。激光波长值输入键 盘42输入需要得到的激光波长值，通过I/O接口将波长值信号输入单片机41。单片机41 内的程序将实际激光波长值与需要得到的激光波长值进行比较，获得误差值，通过D/A模块 转换为电信号传输给PZT调谐电路21。当实际激光波长值大于需要得到的激光波长值时，单 片机41输出信号给PZT调谐电路21，控制PZT22缩短，则使得两相移光纤光栅之间的空气 间隙长度变短，进而减小了实际激光波长值。当实际激光波长值小于需要得到的激光波长值 时，单片机41输出信号给PZT调谐电路21，控制PZT22伸长，则使得两相移光纤光栅之间 的空气间隙长度变长，进而增大了实际激光波长值。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解 本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来 讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而 易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。