基于超连续谱的连续运转高功率多波长光纤光源

摘要

本发明涉及一种光纤光源，特别是基于超连续谱技术实现连续运转的高功率多波长输出的光纤光源。现在国内外用于产生多波长光源的方法有几种，但是都存在缺陷。本发明的技术构成：将中心波长为1.24μm的大功率连续波喇曼光纤激光器的输出光作为泵浦光，进入由普通单模光纤和光纤光栅构成的嵌套结构的超连续谱腔，在喇曼散射、调制不稳定性和四波混频等光纤非线性效应的作用下，泵浦光的能量转化为位于1.31μm波段的下一级斯托克斯光，并以其为中心展形成宽超宽带连续谱，经过滤波器后被光谱分割,从而获得1.31μm波段的多个波长输出。本发明的有益效果：输出功率高、时间稳定性好、可室温下正常工作、温度稳定性好、便于集成，成本低、工艺简单、易于工业化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光源，特别是基于超连续谱技术实现连续运转的高功率多波长输出的光纤光源。

背景技术

现在国内外用于产生多波长光源的方法一般有以下几种：(1)由波长接近的多个分布反馈(Distributed Feedback，DFB)激光器组构成的多波长光源[Sudoh T.K.，Nakano Y.，et al.，“Wavelength trimming technology for multiple wavelength distributed feedback laser arrays byphoto induced refractive index change”，Electron.Lett.，1997，33(3)：216-217]；(2)采用选择性反馈或者加入滤波器的方法对掺铒光纤激光器的输出进行光谱分割[Wysocki P.F.et al.，“Characteristics of erbium-doped superfluorescent fiber sources for interferometric sensorapplications”，J.Lightwave Technol，1994，12(3)：550-567]；(3)对脉冲泵浦产生的超连续谱进行光谱分割[Morioka，T.，“Supercontinuum lightwave source for next generation opticalnetworks”，LEOS 2002，10-14 Nov.2002，vol.1：117-118]。其中方法(1)由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔匹配相当困难，同时使用多个DFB激光器使成本过高，工艺复杂。方法(2)虽然避免了同时使用多个激光器耦合，但是掺铒光纤激光器只在1550nm波段存在较宽的增益谱，且受温度影响很大，常温下无法提供较宽的输出谱进行光谱分割。方法(3)虽然可以弥补上述两个方法的不足，但是采用的泵浦源是脉冲激光器，多波长输出以脉冲方式工作，而且难以得到较高功率输出。因此，这几种方法都存在缺陷，在实际应用中受到很大限制。

发明内容

本发明的目的：以较低的成本，简单的结构，在1.31μm波段实现全光纤型、输出功率大于1w的高功率连续运转多波长输出。

技术构成：将中心波长为1.24μm的大功率连续波喇曼光纤激光器的输出光作为泵浦光，进入由普通单模光纤和光纤光栅构成的嵌套结构的超连续谱腔，在喇曼散射、调制不稳定性和四波混频等光纤非线性效应的作用下，泵浦光的能量转化为位于1.31μm波段的下一级斯托克斯光，并以其为中心展形成宽超宽带连续谱，连续谱经过滤波器后被光谱分割，从而获得1.31μm波段的多个波长输出。

本发明的具体技术方案是：

基于超连续谱的连续运转高功率多波长光纤光源，它包括喇曼光纤激光器、超连续谱腔、滤波器，其特点在于：喇曼光纤激光器包括磷硅喇曼光纤、光纤光栅和，以及泵浦源，在磷硅喇曼光纤的前、后两端分别熔接全反射光栅和部分反射光栅构成单级的喇曼腔，采用泵浦源对其进行泵浦，构成单波长输出喇曼光纤激光器；超连续腔采用嵌套式结构，它包括普通单模光纤、光纤光栅和，以及前述喇曼腔；将普通单模光纤直接焊接在喇曼光纤激光器的输出端，全反射光栅和部分反射光栅构成超连续腔的反馈系和单模光纤共同作为超连续增益介质，增长增益光纤长度的目的；利用光纤光栅构成的反馈系统，喇曼腔被嵌套于超连续腔内放置；梳状滤波器位于超连续谱腔的输出端，对展宽的光谱进行分割，输出连续运转的多个波长。

本发明的有益效果：新型多波长光源具有可以在1.31μm波段输出多个波长、输出功率高、时间稳定性好、可以在室温下正常工作、温度稳定性好、光纤化程度高便于集成，并且成本低、工艺简单、易于工业化生产。这种多波长光源突出的特点就是可以在1.31μm波段实现较高功率且连续运转的多波长输出；实验装置采用了独特的嵌套式结构，综合利用了喇曼增益光纤和普通单模光纤做为宽带谱的增益介质，有效的提高了增益介质的长度，从而进一步提高了转化效率；实验装置简单，所用光纤是普通的单模光纤，不需要特殊的光纤；整个结构采用光纤光栅作为反馈系统，实现了全光纤化，有利于集成和于光纤通信系统的耦合，大大降低了耦合损耗。利用这种技术，可以在色散零点(1.31μm通信窗口)附近实现多个波长的输出，有效避免色散对多波长输出的影响，无须使用昂贵的色散补偿等特种光纤，满足光通信系统在这一通信窗口工作的需要。所以，这是一种在1.31μm波段以连续方式运转、输出平均功率高、可常温正常工作、成本低、工艺简单的多波长光源。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2光纤中四波混频效应致光谱展宽效果示意图

图中：1.激光器  2.全反射光纤光栅  3.全反射光栅  4.磷硅喇曼光纤  5.部分反射光栅  6.单模光纤  7.部分反射光栅，8.梳状滤波器，9.喇曼腔

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：

基于超连续谱的连续运转高功率多波长光纤光源，它包括喇曼光纤激光器、超连续谱腔、滤波器，其特点在于：喇曼光纤激光器包括磷硅喇曼光纤4、光纤光栅3和5，以及泵浦源1，在磷硅喇曼光纤的前、后两端分别熔接全反射光栅3和部分反射光栅5构成单级的喇曼腔9，采用泵浦源1对其进行泵浦，构成单波长输出喇曼光纤激光器；超连续腔采用嵌套式结构，它包括普通单模光纤6、光纤光栅2和7，以及前述喇曼腔9；将普通单模光纤6直接焊接在喇曼光纤激光器的输出端，全反射光栅2和部分反射光栅7构成超连续腔的反馈系统，其中光栅2位于喇曼腔的输入端，光栅7则安置在单模光纤6的尾端，从而达到将磷硅光纤4和单模光纤6共同作为超连续增益介质，增长增益光纤长度的目的；利用光纤光栅构成的反馈系统，喇曼腔9被嵌套于超连续腔内放置；梳状滤波器8位于超连续谱腔的输出端，对展宽的光谱进行分割，输出连续运转的多个波长。

全反射光纤光栅2的中心波长是1315nm。

全反射光栅3和部分反射光栅5的中心波长为1245nm。

部分反射光栅7的中心波长是1315nm。

泵浦源是输出波长为1070nm的掺镱双包层光纤激光器或其它激光器。

普通单模光纤6的中心波长为1315nm，增益介质是零色散点为1310nm的普通单模光纤。

这种基于对超连续谱进行光谱分割而构成的多波长输出最突出的优势就在于利用了单模光纤在1.31μm波段的零色散特性，使光纤中的各种非线性效应的转化效率大大提高，从而利用较低的成本、简单的结构即可获得连续运转的超宽带谱，进而获得多个波长的连续输出。

这种多波长光源的物理机理可以通过光纤中的非线性效应来解释。首先，输出波长为1070nm的泵浦光源1发出的激光进入磷硅光纤4后，利用4中频移量为1330cm^-1的喇曼散射效应，并由于全反射光栅3和部分反射光栅5的反馈作用，在1245nm处形成高功率激光输出。接着，1245nm的激光在磷硅光纤4和单模光纤6中，受到其中频移量为440cm^-1的喇曼散射效应作用，转化为波长为1315nm的斯托克斯光，并在2和7的反馈作用下获得较高功率。

此后，波长为1315mn的光在磷硅光纤4和单模光纤6内由于光纤非线性效应进发生展宽。最先产生的非线性效应是调制不稳定性，根据光纤中的非线性薛定锷方程，当光纤中的光波位于光纤的反常色散区时，会在其两侧产生新的光谱成分，增益最大处与原传输光的频率差为，Ω_s＝[2γP_pexp(-αL)/|β₂|]^1/2。对于非线性系数γ为0.47W^-1km^-1，损耗α为0.36dB/km，色散系数β₂为-0.303pa²/km的单模光纤，功率为2W、波长为1315nm的光波将在1307.4nm和1322.6nm处产生最大增益，即在约15nm范围内产生展宽。

功率增加后，则出现四波混频效应。对简并的四波混频效应，频率为ω_p的光波在光纤中可以产生同时满足频率匹配(2ω_p＝ω_s+ω_as)和相位匹配(κ＝(k_s+k_as-2k_p)+2γP_p＝0)的两个频率为ω_s和ω_as的新光波，而使光谱展宽。由于单模光纤在1.31μm波段的零色散特性，相位匹配条件在很大的波长范围内很容易满足，使光谱展宽的效率大大提高。对于前述单模光纤中，由于调制不稳定性产生的功率为2W、中心波长为1315nm、宽度为15nm的光波，可在从1200nm到1450nm的范围内新光波，即光谱可展宽至100nm以上(图2)。由此，光波得到大范围展宽。

最后，展宽后的光波通过梳状滤波器8，在光谱上被均匀分割为多份，形成多波长输出。