一种双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器

摘要

本发明涉及光纤传感技术领域。本发明提供了一种双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器，所述激光器包括：第一光纤1，集总损耗器件3，第二光纤2，耦合装置4；其中，所述耦合装置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8；所述各器件构成一混合环形腔。所述两段光纤具有不同的布里渊频移特性，两束同样波长的窄线宽激光由耦合装置4的第一和第二端口注入所述环形腔，分别在顺时针和逆时针方向产生两束激射的布里渊斯托克斯波，并分别从第一和第二端口输出，从而实现双方向激射，且每一激射方向仅有一个激射波长。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种应用在光纤激光陀螺仪和光纤温度应力传感的双方向，双波长同时激射的光纤布里渊激光器。

背景技术

受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)是一种光学非线性过程，当入射的泵浦光功率达到产生SBS的阈值时，泵浦波通过电致伸缩产生声波，导致介质折射率的周期性调制形成折射率光栅，光栅的布拉格衍射作用使得大部分的输入泵浦光功率将转为频率降低的背向散射斯托克斯波功率，在此过程中，泵浦波、背向散射斯托克斯波和声波满足能量守恒和动量守恒条件，使得斯托克斯波的频移与声波传播速度有关，由于不同介质中声波传播速度有差异，背向斯托克斯波的频移将会因不同介质而发生变化。SBS在光纤传感、光纤放大器、声光相互作用器件等领域有重要应用。

通过将光纤置于谐振腔内，利用光纤的布里渊增益可以构成光纤布里渊激光器，其由于阈值低、线宽窄、增益方向敏感、斯托克斯波频移在微波频率量级等特点而被广泛应用于超窄线宽激光器、微波技术和光纤激光陀螺等领域。

光纤布里渊激光器的重要应用之一是布里渊光纤激光陀螺仪(Brillouin Fiber Optical Gyroscope，BFOG)，它的原理示意图如图1所示。光纤与光纤耦合装置构成光纤环形腔。同一波长的两束窄线宽泵浦激光从光纤耦合装置的1，2两端口注入光纤环形腔，分别在顺时针方向和逆时针方向产生单模布里渊激光激射。顺时针和逆时针布里渊激光分别从光纤耦合装置1，2端口输出。当布里渊激光器存在转动角速度时，基于萨格奈克(Sagnac)效应，腔内沿顺时针和逆时针传播的两束激光会产生频差。通过测量两束激光的频差可以获得布里渊激光器角速度的大小。制约BFOG性能的重要问题之一是BFOG中存在“闭锁”现象，即当角速度小于一定的阈值时，顺时针和逆时针的激光由于相互耦合频率变得相同，不再能通过频差的测量得到角速度的大小。闭锁效应使得BFOG的角速度传感出现死区，测量的范围缩小，降低了测量精度。

目前已经提出的消除闭锁现象的方法包括：(1)引入机械抖动产生频率偏置消除闭锁效应；(2)对两束泵浦光进行移频，使得它们具备不同的频率，从而使产生的顺时针和逆时针布里渊激光具有频率偏置，进而消除闭锁效应；(3)采用两个不同频率的泵浦源实现顺时针和逆时针布里渊激光的频率偏置，进而消除闭锁效应。前两种方法需要额外的机械装置或调制器等附加设备，使整个系统复杂庞大；第三种方法对两个泵浦光源的波长稳定性要求极高，大大增加了系统成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种波长稳定、结构简洁紧凑且成本较低的、能够消除闭锁现象的双方向、双波长同时激射的光纤布里渊激光器。

为实现上述目的，本发明的双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器包括：第一光纤1，集总损耗器件3，第二光纤2，耦合装置4，所述耦合装置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8；其中，所述第一光纤的一端与所述第四端口(8)连接，其另一端与所述集总损耗器件(3)的一端连接；所述第二光纤的一端与第三端口(7)连接，其另一端与所述集总损耗器件(3)的另一端连接，以构成一环形腔。

进一步地，所述第一光纤1和第二光纤2具有不同的布里渊频移特性；

进一步地，L₁/L₂≈g₂/g₁，其中，L₁，L₂分别为第一光纤1和第二光纤2的长度，g₁，g₂分别为第一光纤1和第二光纤2的峰值布里渊增益系数；

进一步地，由所述耦合装置的第一端口5入射的泵浦光首先进入第二光纤2，经集总损耗器件3后进入第一光纤1，由第一端口5输出激射的顺时针传播布里渊斯托克斯波；由所述耦合装置的第二端口6入射的泵浦光首先进入第一光纤1，经集总损耗器件3后进入第二光纤2，由第二端口6输出激射的逆时针传播布里渊斯托克斯波；

进一步地，所述由所述耦合装置的第一端口5入射的泵浦光和所述由所述耦合装置的第二端口6入射的泵浦光具有相同的波长；

进一步地，所述由第一端口5和第二端口6输出的激射的布里渊斯托克斯波具有不同的斯托克斯频移量。

与现有技术相比，本发明的优势在于采用一个泵浦波长的泵浦光即可实现双方向，双波长的布里渊激光激射，且无需复杂的附加光学或机械装置，因此具有结构简单，性能稳定，便于实现，成本低等优点，在光纤激光陀螺仪和光纤温度应力传感领域有重要的应用价值。

附图说明

图1现有技术的布里渊光纤激光陀螺仪结构示意图；

图2是本发明的双方向双波长同时激射的布里渊激光器的结构示意图；

图3是本发明实施例的泵浦光由端口6注入混合腔内普通单模光纤激射的斯托克斯波与泵浦波拍频的测量结果；

图4是本发明实施例的泵浦光由端口5注入混合腔内TrueWave光纤激射的斯托克斯波与泵浦波拍频的测量结果；

图5是本发明实施例的双向泵浦时布里渊激光器激射的两个波长的斯托克斯波与泵浦波拍频的测量结果；

图6是本发明实施例的双向泵浦时布里渊激光器激射的两个波长的斯托克斯波之间的拍频的测量结果。

具体实施方式

本发明的核心思想在于：采用两段具有不同布里渊频移特性的光纤构成混合环形腔，在混合环形腔的双方向同时注入同一波长的泵浦光，使得两段光纤产生的布里渊斯托克斯波在两方向分别激射，从而实现双方向，双波长的布里渊激光输出。

本发明提出的双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器，结合附图和实施例说明如下。

如图2所示，本发明的双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器包括：第一光纤1，集总损耗器件3，第二光纤2，耦合装置4，所述耦合装置4具有第一端口5，第二端口6，第三端口7，第四端口8；其中，所述第一光纤的一端与所述第四端口(8)连接，其另一端与所述集总损耗器件(3)的一端连接；所述第二光纤的一端与第三端口(7)连接，其另一端与所述集总损耗器件(3)的另一端连接，以构成一混合环形腔结构。

其中，所述第一光纤1和第二光纤2可以是任意石英单模光纤、硫系玻璃单模光纤、氟化物单模光纤或聚合物单模光纤；所述集总损耗器件可以是能够引入集总损耗的任意器件，其实体可以是具有熔焊点损耗的熔焊点、具有活动接头损耗的活动接头、具有光纤弯曲损耗的弯曲的光纤或具有集总光纤器件损耗的光纤器件；所述耦合装置包括各种光纤耦合器件和基于体光学材料的耦合器件以及由若干以上器件构成的光纤耦合装置，比如光纤耦合器、由两个光纤耦合器构成的光纤马赫增德尔干涉仪等。

进一步地，所述第一光纤1和第二光纤2具有不同的背向斯托克斯频移量(即布里渊频移量)，分别表示为f₁和f₂；两段光纤具有不同的峰值布里渊增益系数，分别表示为g₁和g₂；两段光纤的长度分别为L₁和L₂。两段光纤的长度满足L₁/L₂≈g₂/g₁，使得在相同泵浦功率下两段光纤的峰值布里渊增益大致相等。

具体实施过程中，如图2所示，两束同样波长的窄线宽布里渊激光由环腔耦合装置第一端口5和第二端口6注入环形腔，分别在顺时针和逆时针方向产生两束激射的布里渊斯托克斯波，并分别从耦合装置的第一端口5和第二端口6输出。

更具体地，如果集总损耗器件3的集总损耗值大到明显可以影响通过两段光纤的泵浦光功率水平，从耦合装置4的第一端口5入射的泵浦光首先进入第二光纤2，然后经集总损耗器件3后进入第一光纤1，因此，在第二光纤2中通过的泵浦光功率强于第一光纤1中的泵浦光功率；由于光纤中的布里渊增益G∝gLP，其中g是光纤的峰值布里渊增益，L是光纤长度，P是泵浦功率。由L₁/L₂≈g₂/g₁，可以得到：这种情况下两段光纤的增益大小由泵浦功率决定。因此，从耦合装置4的第一端口5入射的泵浦光会率先激励起第二光纤2对应的斯托克斯波激射，形成频移为f₂的顺时针传播激光。同理，从耦合装置第二端口6入射的泵浦光首先进入光纤1，然后经集总损耗器件3后进入光纤2。因此，在第一光纤1中通过的泵浦光功率强于第一光纤1中的泵浦光功率，会率先激励起第一光纤1对应的斯托克斯波激射，形成频移为f₁的逆时针传播激光。由此实现了激光器的双方向激射，且每一个激射方向上仅有一个波长的斯托克斯波激射，其频移量分别对应第一光纤1和第二光纤2的布里渊频移。

更具体地，如果集总损耗器件3的集总损耗值小到不能明显影响通过两段光纤的泵浦光功率水平，甚至为零，从耦合装置4的第一端口5入射的泵浦光首先进入第二光纤2，然后经集总损耗器件3后进入第一光纤1。由于集总损耗器件3的损耗值很小甚至为零，在第二光纤2中通过的泵浦光功率与第一光纤1中通过的泵浦光功率近似一致。由于在光纤中的布里渊增益G∝gLP，其中g是光纤的峰值布里渊增益，L是光纤长度，P是泵浦功率。因此，第一光纤1和第二光纤2中的布里渊增益的大小关系由两段光纤的长度和峰值布里渊增益的乘积决定。可以假定g₁L₁<g₂L₂，则从耦合装置4的第一端口5入射的泵浦光会率先激励起第二光纤2对应的斯托克斯波激射，形成频移为f2的顺时针传播激光。从耦合装置4的第二端口6入射的泵浦光首先进入第一光纤1，然后经集总损耗器件3后进入第二光纤2。由于集总损耗器件的损耗值很小甚至为零，在第一光纤1中通过的泵浦光功率与第二光纤2中通过的泵浦光功率近似一致。同理，第一光纤1和第二光纤2中布里渊增益的大小关系由两段光纤的长度和峰值布里渊增益的乘积决定，由于g₁L₁<g₂L₂，依旧有耦合装置4的第二端口6入射的泵浦光会率先激励起第二光纤2对应的斯托克斯波激射，形成频移为f₂的逆时针传播激光。与前面不同的是，随着泵浦光功率增加，第一光纤1对应的斯托克斯波也会发生激射，形成频移为f₁的逆时针传播激光，同时大量消耗泵浦光，使进入第二光纤2的泵浦光功率减小，进而使频移为f₂的逆时针激光熄灭。由此实现了激光器的双方向激射，且每一个激射方向上仅有一个激射波长。

其中，本发明的双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器在顺时针和逆时针两个方向上的激射频率可以通过第一光纤1和第二光纤2的光纤种类、周围环境温度以及光纤所受应力的改变而改变。

具体地，所述激光器在顺时针和逆时针两个方向上激射的布里渊激光频移分别取决于所述第一和第二光纤的布里渊频移。光纤的布里渊频移由光纤的种类决定。由于不同种光纤的布里渊频移变化范围一般在9GHz～11GHz内，产生的激光频差(f₁-f₂)的量级范围在MHz～GHz；另一方面，光纤布里渊频移会受周围环境温度以及光纤所受应力的影响，这为激光频差的调整提供了可能的手段，也为利用该激光器实现温度和应力传感提供了可能。

此外，辅以成熟的光纤环形腔稳定技术，在光纤环形腔中引入通过电信号控制腔长的器件，如受压电陶瓷拉伸的光纤等，并通过检测输出激光功率提供腔长控制的反馈信号，实现光纤环形腔的腔长稳定，该激光器可以在顺时针和逆时针两个方向上分别实现不同激射频率的单纵模激光输出，利用他们的拍频信号可以实现消闭锁的BFOG。

下面将描述本发明的一个具体实施例。

本实施例的激光器的混合谐振腔结构如图2所示，第一光纤1选取的是普通单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)，第二光纤2选取的是TrueWave光纤(TWF)，这两种光纤的布里渊频移量以及光纤长度参数如表1所示；耦合装置选取由两个光纤耦合器构成的光纤马赫增德尔干涉仪；集总损耗器件为两段光纤的熔焊点。

表1

由耦合装置的第一和第二端口入射的泵浦光由波长可在1548nm～1550nm范围内进行调谐的半导体分布反馈激光器产生，线宽为4.5MHz。泵浦光经掺铒光纤放大器(EDFA)放大之后分成两束，分别由耦合装置4的端口5和6注入本实施例的混合环形腔。从零开始加大端口6注入的泵浦光功率，可以观察到SMF中产生的逆时针斯托克斯波首先激射，并随着泵浦光功率增加保持激射状态。从零开始加大端口5注入的泵浦光功率，可以观察到SMF中产生的顺时针斯托克斯波也首先激射，但随着泵浦光功率增加到一特定值，TWF中产生的顺时针斯托克斯波开始激射，同时SMF中产生的顺时针斯托克斯波激射被熄灭。在此状态下，混合环形腔实现了双方向双波长同时激射。端口6和端口5注入的泵浦光产生的布里渊斯托克斯波的激射结果分别如图3和图4所示。图3与图4说明两束泵浦光分别在逆时针方向和顺时针方向产生频移量为10.84GHz和10.55GHz的布里渊激光，它们的频移量分别与SMF和TWF的布里渊频移对应。图5是两束泵浦光同时注入混合腔的双方向激射的结果。图6是双方向同时产生的布里渊激光的拍频谱，由图中可以看出顺时针和逆时针的激射的斯托克斯光之间约300MHz的拍频结果，由此实现了双方向双波长同时激射的光纤布里渊激光器。

需要说明的是，本文中涉及的“第一”、“第二”“第三”、“第四”等词语仅用于方便说明的目的，不能将其理解为顺序或主次限定。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。