一种基于石墨烯微光纤环调制的脉冲型窄线宽光纤激光器

摘要

本发明涉及光学工程、材料工程和光纤光学技术领域，具体涉及一种基于石墨烯微光纤环调制的脉冲型窄线宽光纤激光器。其结构特征为：由980纳米波段的单模光纤拉制并链接的微光纤环型谐振腔和增益型分布反馈布拉格光纤光栅级联而成，且使用石墨烯薄膜将微光纤环形谐振腔的一部分覆盖起来，并在石墨烯薄膜上的两侧覆盖金属电极，整个微光纤环形谐振腔固定在一个二氧化硅基片上。本发明通过常规980波段连续光源泵浦，可以产生既是窄线宽，又是可调脉冲的激光输出；还具有极强的实用性，其频域线宽为2～3k赫兹，最大调制速度为10G赫兹，信噪比为20分贝，可以被广泛的直接使用在全光纤的传感和通信系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程、材料工程和光纤光学技术领域，具体涉及光纤激光、 调制和传感技术。

背景技术

脉冲激光器作为一种重要的光学器件，在科学研究和工业生产中都具有重 要的广泛的应用，如高亮度光源，光信号发生源，激光切割刀，调制解调元件 等等。随着经济和科技的发展，人们对脉冲激光器提出了越来越高的需求，如： 超快，大功率，高速可调谐、光学传感等等。

特别是在长距离光传感领域，要求作为光源的脉冲激光器既具有可调的脉 冲特性，又具有窄线宽特性，还能输出高峰值功率，在理论和实际中都是巨大 的挑战。

当前，脉冲激光器在工作原理上一般分为三类，即：锁模脉冲激光器、调Q 脉冲激光器和外调制型脉冲激光器。单纯的锁模、调Q和外调制型脉冲激光器 都不能满足低插损、高速可调的窄线宽脉冲光输出的苛刻要求。具体的来说， 锁模激光器和调Q激光器一般难以进行重频和脉宽的调控，且从原理上不能实 现窄线宽的输出。外调制型脉冲激光器受制于外调制器，插入损耗较高，调制 速率低(兆赫兹级)。

另外，传统的脉冲激光器受材料、工艺和成本限制，更多的采用半导体结 构。然而，半导体脉冲激光器也存在诸多限制，很难输出大范围可调谐，高峰 值功率的脉冲。

光纤激光器的发展为这一问题提供了新的解决方案。基于全光纤的激光器 件具有低成本、低损耗、易接入、可拓展和可组网的独特优势，能输出更大的 功率，更高的带宽和更纯的模式，在现代光通信和光传感中扮演着越来越重要 的角色。基于全光纤的锁模、调Q和调制型脉冲激光器也在近年来不断被发明 和改进。即使如此，使用光纤结构，同时兼顾脉冲特性和窄线宽特性，也存在 难度，往往需要光纤激光器、光纤调制器、光纤滤波器等多个器件的组合，这 样就加大了系统的复杂度和成本。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了解决了传统窄线宽光纤激光器无法在同一 个器件中实现高速可调的脉冲光输出的问题，本发明提供了一种基于石墨烯微 光纤环调制的脉冲型窄线宽光纤激光器。

其结构特征为：由980纳米波段的单模光纤拉制并打环结的微光纤环型谐 振腔(MFR)和增益型分布反馈布拉格光纤光栅(DFB)通过耦合器级联而成； 在微光纤环形腔远离耦合区位置，覆盖一层宽度1毫米的长方形石墨烯薄膜， 而后在石墨烯薄膜没有覆盖到微光纤环形腔的两端上侧生长一对电极。使得该 微光纤环被安置在二氧化硅基片上，并通过范德华力固定紧贴。

其具体参数为：微光纤直径1微米，长度1～2厘米，微光纤环直径0.5毫 米，微光纤环打结耦合区域长度为5～6微米，石墨烯薄膜为0.38纳米厚1毫米 宽的单层石墨烯。石墨烯薄膜上的电极材料为金，用于施加±20伏特的调制电 压。二氧化硅基片面积为1平方厘米，厚度为3毫米。所采用的增益型分布反 馈布拉格光栅，刻写在铒镱双掺的单模光纤纤芯中，纤芯直径为6微米，光栅 长度为2厘米。

该基于石墨烯微光纤环调制的脉冲型窄线宽光纤激光器，其特征在于：以 980纳米波段激光作为泵浦光源，其输出为1550～1560纳米波段的窄线宽可调脉 冲，激射效率为0.5％～1％，输出信号为1550～1560纳米波段的可调脉冲，其频域 线宽为2～3k赫兹，最大调制速度为10G赫兹，信噪比为20分贝。

在该发明中，单层石墨烯起到重要作用，以完成对注入增益介质的泵浦的 脉冲化调制。单层石墨烯，厚度为0.38nm，作为一种二维材料，是目前已报道 的表面积/体积比最大的薄膜材料，具有独特的物理化学性质，其中最典型的之 一为基于费米能级的光电可调谐效应，通过外加电压调节石墨烯的载流子浓度， 可显著调节其光传输损耗，进而在特定波段调节本发明中的微光纤环的整体， 进而形成时域脉冲。另外，在该发明中，增益型分布反馈布拉格光纤光栅同时 作为激光的产生元件和窄线宽滤波器件，在反射端输出窄线宽的激光。受石墨 烯调制的脉冲泵浦激励，其输出也为脉冲。

本发明的工作过程为：通过980纳米波段的单模光纤，将980纳米连续光 泵浦注入为光纤环形谐振腔中，并形成干涉，且使干涉相消点(ResonantDip) 位于980纳米处。同时，通过石墨烯上的电极接入周期变化的调制电压，以调 节石墨烯覆盖区域的光衰减。当石墨烯覆盖区域衰减强时，光信号更难耦合进 入环形谐振腔，从而表现为强输出即干涉相消弱，当石墨烯覆盖区域衰减弱时， 环形谐振腔具有高Q特性，光信号更多的保留在环形谐振腔内，从而表现为弱 输出即干涉相消强。在输出端，即形成受电调制的脉冲泵浦。此泵浦注入增益 型分布反馈布拉格光纤光栅中，产生1550纳米波段的激光，并通过反射端输出。 此激光时域特性和泵浦一致，为基于石墨烯调制的脉冲激光。同时，分布反馈 布拉格光纤光栅本身具有窄线宽滤波特性，所以输出的脉冲激光也具有窄线宽 的特性。

综上所述，本发明具有低成本、低损耗，体积小、结构简单紧凑和制作简 单的特点，方便应用；通过常规980波段连续光源泵浦，可以产生既是窄线宽， 又是可调脉冲的激光输出；还具有极强的实用性，其频域线宽为2～3k赫兹，最 大调制速度为10G赫兹，信噪比为20分贝，可以被广泛的直接使用在全光纤的 传感和通信系统中。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的石墨烯覆盖微光纤环结构的显微图；

图3是本发明的是实施例系统图；

图4是应用本发明的调制结果示意图；

附图标记：1-微纳光纤打结构成的环形谐振腔，2-单层石墨烯薄膜，3-金 电极，4-980纳米波段单模光纤，5-1550纳米波段单模光纤，6-分布反馈布拉 格光纤光栅，7-二氧化硅基片，8-980纳米连续光泵浦，9-波分复用耦合器。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

结合图1、图2、图3、图4所示，将980纳米波段的单模光纤，通过熔融 拉锥方法制备为直径1微米的微光纤，长度2厘米，并通过探针牵引打结成Knot 环形，该微光纤环直径0.5毫米，微光纤环打结耦合区域长度为5微米。将该 微光纤环安置在二氧化硅基片上，并通过范德华力固定紧贴。在微光纤环形腔 远离耦合区位置，通过CVD方法和湿法转移技术，覆盖一层厚度0.38纳米，宽 度1毫米的单层石墨烯薄膜。而后，通过磁控溅射技术，在石墨烯薄膜没有覆 盖到微光纤环的两端上侧生长一对金电极。金电极覆盖面积1毫米*0.5毫米， 电极厚度130纳米。将微光纤环形谐振腔的输出端耦合到一个3分贝波分复用 耦合器中，波分复用耦合器另一端接增益型分布反馈布拉格光纤光栅，该分布 反馈布拉格光纤光栅刻写在铒镱双掺的单模光纤纤芯中，纤芯直径为6微米， 光栅长度为2厘米。

在激光工作过程中，由环形谐振腔的输入端注入980纳米波段的连续光泵 浦，同时在金电极上施加快速调制的±20伏特的调制电压。在环形谐振腔输出端， 即输出受快速调制的脉冲泵浦。在增益型分布反馈布拉格光纤光栅中，受泵浦 抽运，产生1550纳米波段的激光，并后向输出，并由波分复用耦合器分离为纯 净的1550纳米波段的受调制脉冲激光。该激光由于分布反馈布拉格光纤光栅的 滤波特性而呈现窄线宽特性。

上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制， 在本发明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都 落入本发明的保护范围。