一种可转换的双波长锁模全光纤激光器及产生方法

摘要

本发明提供一种结构简单，工作稳定，实施方便的可转换双波长锁模全光纤激光器及产生方法，有望在光通信、光学传感、光学检测领域得到广泛应用。该激光器包括依次通过单模光纤连接的波分复用器、掺杂光纤、输出耦合器、偏振控制器、三端口环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和锁模器件，其中所述波分复用器的输入端连接泵浦光源。其中三端口环形器、第一光纤光栅和第二光纤光栅组成的光谱滤波结构，在两相近波长处实现可转换的、稳定的双波长锁模。该光纤激光器及产生方法具有锁模运行稳定、调谐方便、成本低廉、常温运转的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光系统，具体涉及一种可转换的双波长锁模全光 纤激光器及产生方法。

背景技术

由于全光纤激光器具有结构紧凑、成本低廉、环境稳定性高等优点，其 在光通信、医疗检测、工业加工等领域得到了广泛地研究和应用。能够在双 波长运转的锁模全光纤激光器在很多领域都有着非常重要的应用，例如密集 波分复用系统、光纤传感与测量、以及光谱检测等。在一些应用场合下，要 求激光器输出脉冲可以在两个相邻波长之间来回切换。

目前，实现双波长锁模脉冲输出的光纤激光器有主动锁模技术和被动锁 模技术两种选择，主动锁模技术有着重复频率高、线宽窄等优点，但引入的 主动调制器件破坏了全光纤结构，且成本较高。被动锁模技术如非线性环形 镜(NOLM)、非线性偏振旋转技术(NPR)、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、 以及基于单壁碳纳米管(SWCNT)和石墨烯(Graphene)的锁模器件，被广 泛用于超短脉冲的产生。其中，由于其具有较低的生产成本、较高的损伤阈 值、亚皮秒的恢复时间等优点，碳纳米管被看做理想的可饱和吸收材料。通 常，双波长被动锁模光纤激光器利用其腔型自身结构形成的光谱滤波效应实 现双波长或多波长的输出。在腔内加入偏振依赖器，如偏振相关光隔离器 (PS-ISO)、保偏光纤(PMF)、偏振分束器(PBS)等，利用双折射对光偏振 态的影响产生滤波效应，然而其锁模波长位置不易控制，且易受周围环境影 响。基于增益光纤的增益滤波效应也可以实现双波长的运转，但其锁模波长 位置固定，同时对泵浦功率非常敏感，其应用受到很大限制。

发明内容

本发明提供一种结构简单，工作稳定，实施方便的双波长锁模全光纤激 光器，能够在两相近波长间实现转换，其有望在光通信、光学传感、光学检 测领域得到广泛应用。

本发明的技术方案如下：

一种可转换的双波长锁模全光纤激光器，包括通过单模光纤连接为闭环 的波分复用器、掺杂光纤、输出耦合器、偏振控制器、光谱滤波组件和锁模 器件；所述波分复用器的输入端连接泵浦光源；所述光谱滤波组件由三端口 环形器、第一光纤光栅和第二光纤光栅组成，所述三端口环形器包括a端、b 端和c端，a端与偏振控制器连接，c端与第二光纤光栅连接，b端与第一光 纤光栅连接，光经偏振控制器处理后由a端口进入三端口环形器，然后被与b 端相连的第一光纤光栅反射，最后由c端口输出至第二光纤光栅，不在第二 光纤光栅带宽内的光透过第二光纤光栅进入锁模器件。

上述器件间连接均采用单模光纤熔接，所述偏振控制器夹在输出耦合器 和三端口环形器之间的单模光纤上。

上述波分复用器的波分范围为980nm/1550nm，上述泵浦光源为工作波 长为980nm附近的单模半导体激光器。

上述输出耦合器的输出比例为10％；掺杂光纤是型号为Coractive的C300 掺铒光纤。

上述第一光纤光栅的中心波长为1549.5nm，反射带宽为6nm；第一光纤 光栅为啁啾光栅光纤，啁啾率为2nm/cm。

上述第二光纤光栅的中心波长为1550nm，反射带宽为1nm；第二光纤 光栅为均匀光纤光栅。

上述锁模器件是基于单壁碳纳米管的锁模器件，其主体是由单壁碳纳米 管与聚乙烯醇混合制成的薄膜。

该可转换双波长的锁模全光纤激光产生方法包括以下步骤：

1)光依次通过由单模光纤连接的波分复用器、掺铒光纤、输出耦合器、 偏振控制器、三端口环形器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和锁模器件；

2)光经由单向运转的三端口环形器进入第一光纤光栅，第一光纤光栅反 射带宽内的光通过三端口环形器后进入第二光纤光栅；

3)第一光纤光栅的反射光谱被分成Ⅰ和Ⅱ两部分；

4)由于第一光纤光栅和第二光纤光栅形成的滤波效应，满足两次光谱滤 波的光能够在谐振腔内实现震荡；

5)当泵浦功率为13±2mW时，激光器通常在Ⅰ处实现自启动锁模状态；

6)当泵浦功率超过18±2mW时，在偏振控制器的控制下，锁模中心波 长在Ⅰ或Ⅱ处实现转换，且两波长处锁模状态具有相似的带宽、脉冲宽度和 重复频率，且状态稳定。

上述泵浦光源选用工作波长为980nm的单模半导体激光器，通过980 nm/1550nm波分复用器为掺铒光纤提供；掺铒光纤的型号为Coractive C300， 在1550nm处色散系数为-9ps/nm/km，长度为5m；输出耦合器的输出比为 10％。

上述锁模是通过基于单壁碳纳米管的可饱和吸收体实现的，其制作流程 为：将单壁碳纳米管水分散液与聚乙烯醇水溶液混合均匀后滴于表面皿上， 蒸发烘干制成薄膜，然后将薄膜切成2mm²大小后夹在两个跳线头之间，并 将跳线头用法兰盘固定，制成锁模器件。

本发明的优点如下：

1、该光纤激光器所用器件为构造光纤激光器所用的通用器件，可商品化， 成本低廉。

2、该光纤激光器采用碳纳米管作为制作锁模器件的材料，具有生产成本 低、制作方法简单、饱和阈值低、以及锁模运行稳定等优点。

3、该光纤激光器采用了光纤光栅作为波长选择器件，具有输出脉冲中心 波长稳定的优点。

4、该光纤激光器使用了啁啾光纤光栅，引入很大负色散，使输出脉冲的 光谱宽度和脉冲宽度恒定，不易受外界环境影响。

5、该光纤激光器可转换双波长的实现是基于同一光纤光栅的反射，能够 在相近波长处实现稳定的锁模，同时两波长处锁模的重复频率几乎相同。

6、该光纤激光器采用了全光纤结构，故其结构简单易于调整，稳定性好。

7、该掺铒光纤激光器工作在1550nm波段，对应与光通信波段，因此在 光通信、光学传感、光学检测方面有很大的应用前景。

8、在对使用光纤光栅进行特定选择后，能够在任意所需位置实现可转换 的双波长乃至多波长锁模。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中两个光纤光栅的滤波光谱图；

图3为本发明在两波长处锁模的光谱图；

图4为本发明两波长处脉冲的自相关曲线图；

图5为本发明两波长处脉冲的频谱图；

图6为本发明两波长处的脉冲序列。

附图标记如下：

1—泵浦光源；2—波分复用器；3—掺铒光纤；4—输出耦合器；5—偏振 控制器；6—三端口环形器；7—第一光纤光栅；8—第二光纤光栅；9—锁模 器件。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提供的一种结构简单，工作稳定，实施方便的可转换 双波长锁模全光纤激光器包括依次通过单模光纤连接的波分复用器2、掺铒光 纤3、输出耦合器4、偏振控制器5、三端口环形器6、第一光纤光栅7、第二光 纤光栅8和锁模器件9。泵浦光源1选用工作波长为980nm的单模半导体激光 器，通过980nm/1550nm波分复用器2为掺铒光纤3提供泵浦；掺铒光纤3的型 号为Coractive C300，在1550nm处色散系数为-9ps/nm/km，长度为5m；输出 耦合器4的输出比为10％。三端口环形器6的端口a与输出耦合器4相连，端口b 与第一光纤光栅7相连，端口c与第二光纤光栅8相连，同时保证激光器单向运 转。第一光纤光栅7的反射带宽为6nm，中心波长为1549.5nm；第二光纤光栅 8的反射带宽为1nm，中心波长为1550nm。偏振控制器5在输出耦合器4和三 端口环形器6之间，是常用标准器件。锁模器件9是基于单壁碳纳米管的可饱 和吸收体，其制作流程为：将单壁碳纳米管水分散液与聚乙烯醇水溶液混合 均匀后滴于表面皿上，蒸发烘干制成薄膜，然后将薄膜切成2mm²大小后夹在 两个跳线头之间，并将跳线头用法兰盘固定，制成锁模器件。器件尾纤及腔 内其他单模光纤长度约为28m，在1550nm处色散系数D约为17ps/nm/km。

试验中使用光谱分析仪(YOKOGAWA-6370B)来监测输出脉冲的光谱， 使用自相关仪测量输出脉冲的宽度。使用10-GHz光电探测器将输出脉冲转化 为电信号后，用示波器和频谱分析仪观察激光器的输出脉冲序列和锁模状态。

本发明工作原理如下：

本发明提供的光纤激光器采用基于单壁碳纳米管的锁模器件实现自启动 锁模。第一光纤光栅通过三端口环形器插入激光谐振腔内，能够起到光谱滤 波作用，只有在其反射带宽内的光可以通过。由三端口环形器c端口输出的光 被第二光纤光栅光谱滤波，只有不在其反射带宽内的光可以通过。由于三端 口环形器只允许单向运转，被第二光纤光栅反射的光不能在腔内传输。两次 光谱滤波的效果如图2所示，第一光纤光栅的反射光谱被分成Ⅰ和Ⅱ两部分， 其3-dB带宽分别为2.1nm和2.9nm。此时，只有同时满足两次光谱滤波的光可 以在腔内传输，这样也形成实现双波长锁模的条件，光可以分别在Ⅰ或Ⅱ处 实现锁模。通过偏振控制器调节腔内的线性双折射，可以在两个波长间转换。

本发明的实验结果如下：

当阈值功率约13mW时，激光器可以实现自启动锁模。此时，受掺铒光 纤的影响，通常在Ⅰ处首先出现锁模状态。当功率约18mW时，通过调节偏 振控制器，可以两个波长之间相互转换。此时，Ⅰ和Ⅱ处的输出光谱如图3 所示，其中心波长分别为1551.2nm和1548.6nm，带宽都在0.6nm左右。受 较窄滤波光谱的限制，两波长输出光谱的一侧边带都受到抑制，使能量集中 在脉冲上。脉冲的自相关曲线如图4所示，Ⅰ处输出脉冲的半峰值全宽度为 8.7ps，以双曲正割形(sech²)脉冲来拟合，可以得到脉冲宽度为5.7ps；Ⅱ 处输出脉冲的半峰值全宽度为9.3ps，以双曲正割形(sech²)脉冲来拟合，可 以得到脉冲宽度为6ps。由于第一光纤光栅为啁啾光纤光栅，被其反射的光经 历很大的负色散，在激光器中脉冲的光谱带宽和脉冲宽度主要由第一啁啾光 纤光栅决定，其他参数的变化对其影响较小。图5为两波长处的输出单脉冲 序列，其脉冲间隔分别为78ns和83ns。图6为两波长处输出脉冲的100Hz 和1GHz范围的频谱图，显示在两波长处锁模状态稳定，其重复频率分别为 12.12MHz和12.11MHz。

综上所述，本发明提供的激光器具有全光纤结构，能够实现工作稳定的 可转换的双波长锁模。通过合理的设计，利用两个光纤光栅在两个相近波长 (1551.2nm和1548.6nm)处实现可转换的双波长锁模。两波长处锁模状态 具有相似的带宽、脉冲宽度和重复频率，且状态稳定，不易受外界环境影响。