基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器

摘要

本发明公开了一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，该光纤激光器中的波分复用器(2)的a端口与泵浦源(1)的尾纤连接，波分复用器(2)的b端口与隔离器(3)的入纤之间连接有掺铒单模光纤(3A)，波分复用器(2)的c端口与保偏光纤环形器(7)的c端口连接；耦合器(5)的a端口与隔离器(3)的尾纤连接，耦合器(5)的b端口与保偏光纤环形器(7)的a端口之间连接有偏振控制器(6)，耦合器(5)的c端口输出波长范围为1552.0nm～1552.8nm的可调单频单偏振激光；保偏光纤环形器(7)的b端口与未抽运掺铒保偏光纤(3B)的一端为0°熔接，未抽运掺铒保偏光纤(3B)的另一端与偏振调制器(8)的a端口为45°熔接，偏振调制器(8)的b端口与双折射保偏光纤光栅(9)的入纤为45°熔接。本发明激光器输出的激光具有波长可调的单频、超窄线宽小于1KHz、单偏振大于等于20dB和可调谐范围大于等于0.5nm的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，更特别地说，是指一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频光纤激光器。

背景技术

光纤激光器在光通信、光传感、光谱学等领域有着广泛的应用。其中单频光纤激光器是一种极窄线宽的单频工作激光光源，作为一种单纵模工作激光器，线宽可以达到kHz量级，具有很长的相干长度，适用于高端测试、传感器、科学研究等领域。

获得窄线宽单纵模光纤激光输出的方法很多，例如采用光纤光栅构成分布反馈或者分布布拉格反射的线型腔结构、单向运转的环形腔结构以及复合腔结构。为获得大功率的激光输出，人们常常采用长腔环形腔结构。但是由于激光器的腔长与自由光谱范围成反比，因此长腔环形腔的纵模间隔很窄，这就给单纵模激光输出带来了困难。基于可饱和吸收体的光窄带滤波器可以很好的解决输出功率和单纵模之间的矛盾。自1992年首次提出瞬态光窄带滤波器以来，人们进行了大量的理论和实验研究。基于可饱和吸收体光窄带滤波器的光纤激光器的线宽普遍在kHz量级，与广泛使用的半导体激光器相比，大大体现了光纤激光器的窄线宽优点。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，该激光器采用高双折射保偏光纤光栅代替传统的单模光纤光栅作为选频元件，采用未抽运的保偏掺铒光纤作为饱和吸收体，同时采用具有高消光比的保偏环行器，再利用缠绕在PZT上的保偏光纤环构成偏振调制器，可以实现通过偏振态的改变来选取保偏光纤光栅的反射波长，从而对环形腔单频光纤激光器的输出波长进行调谐。获得了1552nm左右的窄线宽可调谐单频单偏振掺铒光纤激光器。

本发明的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，该光纤激光器由泵浦源、波分复用器、隔离器、耦合器、偏振控制器、保偏光纤环形器、偏振调制器、双折射保偏光纤光栅、掺铒单模光纤和未抽运掺铒保偏光纤组成。

波分复用器2的a端口与泵浦源1的尾纤连接，波分复用器2的b端口与隔离器3的入纤之间连接有掺铒单模光纤3A，波分复用器2的c端口与保偏光纤环形器7的c端口连接；耦合器5的a端口与隔离器3的尾纤连接，耦合器5的b端口与保偏光纤环形器7的a端口之间连接有偏振控制器6，耦合器5的c端口作为本发明光纤激光器的激光输出端，即输出波长范围为1552.0nm～1552.8nm的可调单频单偏振激光；保偏光纤环形器7的b端口与未抽运掺铒保偏光纤3B的一端为0°熔接，即A熔点，未抽运掺铒保偏光纤3B的另一端与偏振调制器8的a端口为45°熔接，即B熔点；偏振调制器8的b端口与双折射保偏光纤光栅9的入纤为45°熔接，即C熔点。

所述的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，其中的偏振调制器8、未抽运掺铒保偏光纤3B和双折射保偏光纤光栅9形成输出激光波长的调谐器。

所述的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，A熔点传输过程中的光的作用能够保证保偏光纤环行器7的b端口输出的线偏振光进入至掺铒保偏光纤3B后沿慢轴向右传输。

所述的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，B熔点与传输过程中的光的作用能够使在未抽运掺铒保偏光纤3B慢轴中传输的线偏振激光被分成功率相等的两束光分别进入偏振调制器8的慢轴和快轴，从而改变偏振调制器8上的电压，即可在偏振调制器8的输出端获得不同偏振态输出的激光。

所述的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，C熔点与传输过程中的光的作用能够使偏振调制器8的b端获得不同偏振态输出的激光经保偏光纤光栅9反射，由于反射波长的峰值与进入双折射保偏光纤光栅9的激光偏振态相关，改变输入激光的偏振态就能够获得具有不同反射峰值的波长，从而实现光纤激光器的调谐。

所述的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，偏振调制器8是一段长约3m的保偏光纤紧密缠绕在直径30mm的锆钛酸铅圆柱外表面，并用胶水固定。在偏振调制器8的两个电极施加5V～80V的电压后，偏振调制器8的快轴产生的相移为${\mathrm{\Delta \phi }}_x=\frac{2\pi }{\lambda }(n_x+L\frac{{\mathrm{dn}}_x}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L},$偏振调制器8的慢轴产生的相移为${\mathrm{\Delta \phi }}_y=\frac{2\pi }{\lambda }(n_y+L\frac{{\mathrm{dn}}_y}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L},$偏振调制器8的快、慢轴的相位差为$\mathrm{\Delta \phi }={\mathrm{\Delta \phi }}_x-{\mathrm{\Delta \phi }}_y=\frac{2\pi }{\lambda }[n_x-n_y+L\frac{d(n_x-n_y)}{\mathrm{dL}}]\mathrm{\Delta L}=\frac{2\pi }{\lambda }(\mathrm{\Delta n}+\frac{\mathrm{d\Delta n}}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L}.$

本发明的基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器优点在于：

1、采用双折射保偏光纤光栅作为选频元件，其反射带宽大，反射率高。能够结合未抽运的掺铒保偏光纤3B中左右两方向传输的激光进行滤波。

2、采用在PZT上缠绕保偏光纤构成偏振态调制器，提高了本发明激光器输出波长调谐的线性度。

3、本发明激光器输出的激光具有波长可调的单频、超窄线宽小于1KHz、单偏振大于等于20dB和可调谐范围大于等于0.5nm的特性。

附图说明

图1是本发明基于保偏光纤光栅的可调谐单频光纤激光器的结构图。

图2是本发明偏振调制器的快慢轴中光传输简示图。

图3是本发明波长调谐器的激光传输方向简示图。

图4是本发明双折射保偏光纤光栅的反射率关系曲线。

图5是本发明是不同电压加在PZT偏振调制器下的光纤激光器输出光谱。

图6是本发明光纤激光器输出波长与偏振调制器电压关系曲线。

图中：        1.泵浦源    2.波分复用器    3A.掺铒单模光纤

4.隔离器      5.耦合器    6.偏振控制器    7.保偏光纤环形器

8.偏振调制器  9.双折射保偏光纤光栅        3B.未抽运掺铒保偏光纤

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，该光纤激光器由泵浦源1、波分复用器2、隔离器4、耦合器5、偏振控制器6、保偏光纤环形器7、偏振调制器8、双折射保偏光纤光栅9、掺铒单模光纤3A和未抽运掺铒保偏光纤3B组成。

其中，偏振调制器8、未抽运掺铒保偏光纤3B和双折射保偏光纤光栅9形成输出激光波长的调谐器。

该光纤激光器上的各部件的连接关系为：

波分复用器2的a端口与泵浦源1的尾纤连接，波分复用器2的b端口与隔离器3的入纤之间连接有掺铒单模光纤3A，波分复用器2的c端口与保偏光纤环形器7的c端口连接；

耦合器5的a端口与隔离器3的尾纤连接，耦合器5的b端口与保偏光纤环形器7的a端口之间连接有偏振控制器6，耦合器5的c端口作为本发明光纤激光器的激光输出端，即输出波长范围为1552.0nm～1552.8nm的可调单频单偏振激光；

保偏光纤环形器7的b端口与未抽运掺铒保偏光纤3B的一端为0°熔接，即A熔点，未抽运掺铒保偏光纤3B的另一端与偏振调制器8的a端口为45°熔接，即B熔点；

偏振调制器8的b端口与双折射保偏光纤光栅9的入纤为45°熔接，即C熔点。

本发明设计的一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频光纤激光器，其光在整个光纤激光器中的走向为：

(a)波分复用器2的a端口接收泵浦源1出射的泵浦光，波分复用器2的c端口接收经过波长调谐器处理后的激光，然后波分复用器2的b端口输出泵浦光、激光给掺铒单模光纤3A；

(b)掺铒单模光纤3A对接收的泵浦光进行吸收，形成Er³⁺的粒子数反转；激光经过掺铒单模光纤3A时，引起Er³⁺的受激发射，从而完成对激光的光放大；即掺铒单模光纤3A输出放大后的激光给隔离器4；

(c)隔离器4一方面保持环形腔中激光的单向传输并阻止外界的反馈光经耦合器5输入光纤激光器环形腔后对激光器造成损坏，另一方面将经过掺铒单模光纤3A后残余的泵浦光滤除；

(d)进入耦合器5的激光经分光后，一部分光(50％的光)经过耦合器5的c端口(光纤激光器的输出端)输出到外界，另一部分光(50％的光)继续在光纤激光器环形腔中传输至偏振态控制器6；耦合器5的分光比为50∶50。

(e)另一部分光经偏振态控制器6对其偏振态进行调整后，以线偏振激光输入到保偏环形器7中，并从保偏环形器7的b端口输出；

(f)线偏振激光经未抽运掺铒保偏光纤3B后在B熔点被分解成相位相同的X偏振光和Y偏振光进入偏振调制器8中；参见图2所示，X偏振光沿快轴传输，Y偏振光沿慢轴传输；

(g)X偏振光和Y偏振光经偏振调制器8的相位调制后输出椭圆偏振光给双折射保偏光纤光栅9；

(h)椭圆偏振光在双折射保偏光纤光栅9中进行波长调整，从而实现光纤激光器的调谐；

(i)经双折射保偏光纤光栅9反射的椭圆偏振光经偏振调制器8后变为线偏振光，该线偏振光经过未抽运掺铒保偏光纤3B、保偏环形器7的b端口、波分复用器2、掺铒单模光纤3A和隔离器4后由耦合器5的C端口输出波长可调的单频单偏振激光(1552.0nm～1552.8nm)。

在本发明中，参见图2、图3所示，线偏振激光经未抽运掺铒保偏光纤3B后在B熔点被分解成相位相同的X偏振光和Y偏振光，是因为未抽运的掺铒保偏光纤3B作为饱和吸收体，在向右传输的激光与向左传输的激光作用下形成超窄带宽的滤波器，使得可调谐单频光纤激光器获得单频输出。

在本发明中，三个熔点(A熔点、B熔点、C熔点)与传输过程中的光的作用为：

A熔点：该种方式的连接关系能够保证保偏光纤环行器7的b端口输出的线偏振光进入至掺铒保偏光纤3B后沿慢轴(Y偏振光)向右传输。

B熔点：该种方式的连接关系能够使在未抽运掺铒保偏光纤3B慢轴中传输的线偏振激光被分成功率相等的两束光分别进入偏振调制器8的慢轴(Y偏振光)和快轴(X偏振光)，从而改变偏振调制器8上的电压，即可在偏振调制器8的输出端获得不同偏振态输出的激光。

C熔点：该种方式的连接关系能够使偏振调制器8的b端获得不同偏振态输出的激光经保偏光纤光栅9反射，由于反射波长的峰值与进入双折射保偏光纤光栅9的激光偏振态相关，改变输入激光的偏振态就能够获得具有不同反射峰值的波长，从而实现光纤激光器的调谐。

在本发明中，掺铒单模光纤3A对接收到的泵浦光放大处理是因为有源光纤是光纤激光器中的增益介质，掺铒单模光纤3A的纤芯中掺杂的铒离子(Er³⁺)吸收泵浦光的光子能量后，通过受激放大将能量传递给光纤激光的光子，实现对光纤激光的光放大。将泵浦源1发出的波长为980nm的泵浦光转变为1550nm左右的激光。

在本发明中，保偏光纤环行器7为保偏型，三个端口的尾纤均为熊猫型保偏光纤，并且具有较高的消光比，其中a端口到b端口的消光比为38dB，b端口到c端口的消光比为32dB。

在光纤传感应用中，偏振态稳定输出的激光光源非常重要。该保偏光纤环行器7是可调谐单频单偏振光纤激光器中偏振态控制的关键器件，其确保了可调谐单频光纤激光器获得稳定输出的单偏振激光输出。保偏光纤环行器7的b端口与未抽运的掺铒保偏光纤3B为对轴0°角熔接(A熔点)，该种方式的连接关系能够保证保偏光纤环行器7的b端口输出的线偏振光进入掺铒保偏光纤3B后沿慢轴传输，该未抽运的掺铒保偏光纤3B作为饱和吸收体形成超窄带宽的滤波器，使得环行腔掺铒光纤激光器获得单频输出。

在本发明中，未抽运掺铒保偏光纤3B一端与保偏光纤环行器7的b端口连接(A熔点)，掺铒保偏光纤3B的另一端与偏振调制器8的a端口连接(B熔点)，此种连接方式使得沿未抽运掺铒保偏光纤3B的慢轴传输的线偏振光进入偏振调制器8后被分成强度相等的两束线偏振光。该两束线偏振光分别沿偏振调制器8的快轴和慢轴传输。

参见图2所示，在本发明中，偏振调制器8是一段长约3m的保偏光纤紧密缠绕在直径30mm的锆钛酸铅(PZT)圆柱外表面，并用胶水固定。在PZT的两个电极施加电压(该电压为5V～80V)形成一定的电压差，就可以使其直径膨胀，从而拉伸紧密缠绕在其外表面的保偏光纤，使得保偏光纤中分别沿快轴和慢轴传输的线偏振的相位差发生变化，从而使得经过偏振调制器8后的输出线偏振光的偏振方向改变。

偏振调制器8的快轴产生的相移为：

${\mathrm{\Delta \phi }}_x=\frac{2\pi }{\lambda }(n_x+L\frac{{\mathrm{dn}}_x}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L}---\left(1\right)$

Δφ_x表示偏振调制器8的保偏光纤快轴产生的相移，单位为rad；

λ表示经未抽运掺铒保偏光纤3B输出的线偏振光的中心波长，单位为nm；

n_x表示偏振调制器8的保偏光纤快轴的折射率；

L表示偏振调制器8中缠绕在PZT圆柱上的保偏光纤长度，单位为m；

d表示微分算子；

表示偏振调制器8的保偏光纤的快轴折射率变化，单位为1/m；

ΔL表示保偏光纤长度的变化量，且ΔL＝(α·R·L)V，V表示加载在偏振调制器8电极上的电压，α表示偏振调制器8采用的PZT圆柱材料的电压膨胀系数，单位为1/(m·V)，R表示偏振调制器8采用的PZT圆柱的半径，单位为m。

偏振调制器8的慢轴产生的相移为：

${\mathrm{\Delta \phi }}_y=\frac{2\pi }{\lambda }(n_y+L\frac{{\mathrm{dn}}_y}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L}---\left(2\right)$

Δφ_y表示偏振调制器8的保偏光纤慢轴产生的相移，单位为rad；

λ表示经未抽运掺铒保偏光纤3B输出的线偏振光的中心波长，单位为nm；

n_y表示偏振调制器8的保偏光纤慢轴的折射率；

L表示偏振调制器8中缠绕在PZT圆柱上的保偏光纤长度；

d表示微分算子；

表示偏振调制器8的保偏光纤的慢轴折射率变化，单位为1/m；

ΔL表示保偏光纤长度的变化量，且ΔL＝(α·R·L)V，V表示加载在偏振调制器8电极上的电压，α表示偏振调制器8采用的PZT圆柱材料的电压膨胀系数，单位为1/(m·V)，R表示偏振调制器8采用的PZT圆柱的半径，单位为m。

联立式(1)和式(2)得到偏振调制器8的快慢轴的相位差为：

$\mathrm{\Delta \phi }={\mathrm{\Delta \phi }}_x-{\mathrm{\Delta \phi }}_y=\frac{2\pi }{\lambda }[n_x-n_y+L\frac{d(n_x-n_y)}{\mathrm{dL}}]\mathrm{\Delta L}---\left(3\right)$

$=\frac{2\pi }{\lambda }(\mathrm{\Delta n}+\frac{\mathrm{d\Delta n}}{\mathrm{dL}})\mathrm{\Delta L}$

Δφ表示偏振调制器8的快、慢轴的相位差，且Δφ＝Δφ_x-Δφ_y；

Δφ_x表示偏振调制器8的保偏光纤快轴产生的相移；

Δφ_y表示偏振调制器8的保偏光纤慢轴产生的相移；

λ表示经未抽运掺铒保偏光纤3B输出的线偏振光的中心波长；

n_x表示偏振调制器8的保偏光纤快轴的折射率；

n_y表示偏振调制器8的保偏光纤慢轴的折射率；

L表示偏振调制器8中缠绕在PZT圆柱上的保偏光纤长度；

d表示微分算子；

ΔL表示保偏光纤长度的变化量，且ΔL＝(α·R·L)V，V表示加载在偏振调制器8电极上的电压，α表示偏振调制器8采用的PZT圆柱材料的电压膨胀系数，单位为1/(m·V)，R表示偏振调制器8采用的PZT圆柱的半径，单位为m。

Δn表示偏振调制器8的快、慢轴之间的折射率差，且Δn＝n_x-n_y。

在本发明中，双折射保偏光纤光栅9首先它决定了可调谐单频单偏振光纤激光器的激射波长；其次光纤光栅的反射率越高，在作为饱和吸收体的未抽运的掺铒保偏光纤3B中左右两方向传输的激光形成的驻波效应就越强，超窄带宽的滤波效果也就越好。

双折射保偏光纤光栅9是将熊猫型应力双折射保偏光纤载氢后，利用紫外激光器及相位掩模板在其上刻写光栅。该制得的保偏光纤光栅9的两个反射峰的反射率接近100％，反射谱上两个反射峰已经部分重叠，每个反射峰的带宽均超过0.5nm，参见图4所示。

实施例：

应用如图1所示的可调谐单频单偏振光纤激光器结构，采用了波长为974nm的半导体激光器作为抽运源；抽运光经过980/1550波分复用器2耦合进入掺铒单模光纤3A，长度为4.8m的掺铒单模光纤3A作为增益有源光纤，在974nm的吸收系数为8.5dB/m，1550nm的吸收系数和增益系数分别为8.3dB/m和11.7dB/m。掺铒单模光纤3A的另一端与1550nm的光隔离器4相连，一方面光隔离器4可以抑制环形腔中的反向传输光，以提高光路的反向隔离度，增加环行腔掺铒光纤激光器的单频输出稳定性，另一方面也可以滤除残余的抽运光。隔离器4后加入一个1550nm的单模耦合器5来获得激光输出，分光比为50/50，其中耦合器5的c端口用于输出波长可调的单频单偏振激光。

向偏振调制器8的两个电极施加5V～80V的不同电压条件下，则可改变经过偏振调制器后进入保偏光纤光栅的光偏振态。采用光谱仪测量到的不同电压加在PZT偏振调制器下的光纤激光器输出光谱，如图5所示。图中可以看出在不同输出波长下光谱的形状没有发生变化，仍然保持单频窄线宽激光输出，此外，还可以看出光纤激光器的波长可调谐性好。光纤激光器输出波长与偏振调制器电压关系曲线，从图6中可以看出两者之间具有很好的线性关系。因此本光纤激光器的波长调谐的线性度好，具有很好的应用前景。

本发明的一种基于保偏光纤光栅的可调谐单频单偏振光纤激光器，采用特殊的高双折射保偏光纤光栅9代替传统的单模光纤光栅作为选频元件，采用未抽运保偏掺铒光纤3B作为饱和吸收体，同时采用具有高消光比的保偏环行器7，再利用缠绕在PZT上的保偏光纤环构成偏振调制器8，可以实现通过偏振态的改变来选取保偏光纤光栅的反射波长，从而对本发明光纤激光器的输出波长进行调谐。这是一种新颖的单频单偏振光纤激光器的调谐方式，其调谐范围为0.8nm，并且激光器的输出波长和PZT偏振调制器的调制电压具有很好的线性关系。本发明光纤激光器在光纤传感以及激光雷达等领域具有很好的应用前景。