基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器

摘要

基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，属于光纤通信、仪器仪表技术领域。泵浦源与波分复用器的输入端的一端相连，波分复用器的输出端通过第一光纤管道与掺铒光纤的一端相连，掺铒光纤的另一端通过第二光纤管道与环形器的1端口相连，环形器的2端口通过第三光纤管道与可调谐均匀光栅的一段相连，级联相移光栅的另一端通过第五光纤管道和光纤耦合器一的输入端的一端相连，本发明的优点是利用级联相移光栅作为多通道滤波器、可调谐均匀光栅进行波长切换、复合双环腔进行纵模滤波，实现了稳定的五波长、可切换单纵模激光输出。该发明将在超长距离通信传输、多参量光纤传感等领域发挥重要作用。

说明书

技术领域

本发明涉及基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，属于光纤通信、仪器仪表技术领域。

背景技术

掺铒光纤是目前最为成熟的稀土掺杂光纤，基于其制作的掺铒光纤激光器和放大器在光通信系统中得到了极大的发展和广泛的应用。掺铒光纤激光器工作在1550nm波段，具有色散小、损耗低、效率高、光束品质因子高等优势，因而被广泛应用于超长距离传输、激光雷达测距、智能光纤传感、相干光通信、引力波探测等领域。

多波长可切换、单纵模稳定输出一直是光纤激光器的重要研究方向。多波长可切换激光输出在波分复用、多参量光纤传感等领域中具有重要的研究价值。多通道滤波器以及波长选择机制是设计多波长可切换激光器的关键。对于多通道滤波器，常见有法布里-泊罗滤波器、啁啾摩尔光栅、重叠光栅、保偏光栅、取样光栅等。相移光栅具有透射带宽小、插入损耗低且与偏振态无关等诸多优点，常被用作单通道滤波器。常规研究一般通过增加相移点个数来实现更多的透射通道，但随着相移点的增多，制作难度也随之增加，尽管相移光栅的透射带宽很小，具有提高光纤传感精度，良好的波长选择特性等优势，很少被用作多通道滤波器，较大的设计难度成为了制约其用作多通道滤波器的最大瓶颈。

对于波长的选择，常见的方法主要有非线性偏振旋转效应、非线性放大环镜、声波效应、弯曲损耗依赖、外接反馈电路等方法，但这些方法不仅操作困难而且会带来高额的开销，并不是实现波长切换最优的方法。

单纵模输出可有效提高光束品质因子，提升光纤通信系统的稳定性。DFB、DBR激光可以比较容易地实现稳定的单纵模输出，但因其腔长太短，输出激光无法获得足够的增益。可饱和吸收体可以实现稳定的单纵模输出，但在同时保证滤波效果和足够的功率输出的情况下，很难选择合适的长度进行纵模滤波。因此，子环腔因其制作简单，成本低廉成为了纵模滤波器的主要研究方向，通过游标效应可以扩大纵模间隔，从而实现稳定的单纵模输出，但常规的通道滤波器带宽较大，传统的子环腔往往通过较短的腔长以及较小的腔长差来扩大自由谱范围以适配各个通道的带宽来实现单纵模滤波，这不仅会带来子环腔制作上的困难，同时也会增加激光器的不稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器。

基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，泵浦源与波分复用器的输入端的一端相连，波分复用器的输出端通过第一光纤管道与掺铒光纤的一端相连，掺铒光纤的另一端通过第二光纤管道与环形器的1端口相连，环形器的2端口通过第三光纤管道与可调谐均匀光栅的一段相连，环形器的3端口通过第四光纤管道与级联相移光栅的一端相连，级联相移光栅的另一端通过第五光纤管道和光纤耦合器一的输入端的一端相连，光纤耦合器一的输出端通过第六光纤管道和光纤耦合器二的输入端的一端相连，光纤耦合器二的输出端的一端通过第七光纤管道与光纤耦合器一的输入端相连，光纤耦合器二的另一输出端通过第八光纤管道和光纤耦合器三的输入端的一端相连，光纤耦合器三的输出端的一端通过第九光纤管道与光纤耦合器二的另一输入端相连，光纤耦合器三的另一输出端通过第十光纤管道与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端通过光纤第十一光纤管道与光纤耦合器四的输入端相连，光纤耦合器四的输出端的一端通过第十二光纤管道与波分复用器的另一输入端相连，光纤耦合器四的另一输出端通过第十三光纤管道输出激光。

本发明的优点是利用级联相移光栅作为多通道滤波器、可调谐均匀光栅进行波长切换、复合双环腔进行纵模滤波，实现了稳定的五波长、可切换单纵模激光输出。该发明将在超长距离通信传输、多参量光纤传感等领域发挥重要作用。

本发明相对于现有技术具有如下的技术效果：

提出了基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器。利用级联相移光栅作为多通道滤波器、通过调谐与之配套的均匀光栅进行通道选择，实现了五通道、可切换单波长稳定输出。通过由光纤耦合器一、光纤耦合器二、光纤耦合器三组成的子环腔滤波器进行纵模滤波，实现了稳定的单纵模输出。

考虑制作多通道相移光栅的困难，本发明通过级联两端相移光栅，成功仿真并制作了具有五通道的相移光栅滤波器。克服了相移光栅作为多通道滤波器制作上的困难，充分发挥了相移光栅极窄透射带宽的优势，为制作多通道相移光栅提供了技术启示。同时可调谐均匀光栅固定在了微位移平台上，通过改变均匀光栅轴向应力，使得与相移光栅配套的可调谐均匀光栅的中心波长随着轴向应力发生线性变化，该方法原理简单，操作方便，加之均匀光栅的极窄带宽，完美地实现不同通道的切换与选择。为保证子环腔良好的纵模滤波特性，子环腔的自由谱范围需为光栅3dB带宽的0.5至1倍，确保在FBG的反射带宽内只有一条复合子腔有效传输通带占优势。由于级联相移光栅极窄的透射带宽，子环腔的环长差不必控制在2cm以下(本发明子环腔的环长差扩大到了11.5cm)，降低了光纤熔接、切割、长度测量的难度，提高了子环腔的稳定性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器。

图2a为本发明的级联相移光栅的示意图。

图2b为本发明的级联相移光栅的仿真透射光谱示意图。

图3a为本发明的级联相移光栅的实际透射光谱示意图。

图3b为本发明的可调谐均匀光栅未加应力时反射谱光谱示意图。

图3c为本发明的波长选择示意图。

图4a为本发明的通道1的单波长输出光谱图，光信噪比＞53dB,插图为输出激光在一小时内的扫描光谱图，扫描时间间隔为6分钟。

图4b为本发明的通道2的单波长输出光谱图，光信噪比＞62dB,插图为输出激光在一小时内的扫描光谱图，扫描时间间隔为6分钟。

图4c为本发明的本发明的通道3的单波长输出光谱图，光信噪比＞65dB,插图为输出激光在一小时内的扫描光谱图，扫描时间间隔为6分钟。

图4d为本发明的本发明的通道4的单波长输出光谱图，光信噪比＞64dB,插图为输出激光在一小时内的扫描光谱图，扫描时间间隔为6分钟。

图4e为本发明的本发明的通道5的单波长输出光谱图，光信噪比＞66dB,插图为输出激光在一小时内的扫描光谱图，扫描时间间隔为6分钟。

图5为本发明的单纵模输出时0-100MHz纵模拍频图，插图为输出激光在一小时内的扫描纵模拍频图，扫描时间间隔为6分钟。

附图中出现英文的对应中文译文：Cascaded PS-FBG:级联相移光栅，PS-FBG：相移光栅，Wavelength:波长，Transmissivity:透射率，Power；功率，Frequency:频率，RFPower:射频功率，mm:毫米，nm：纳米，dBm：分贝毫瓦，OSNR：光信噪比，dB：分贝,MHz：兆赫兹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。

实施例1：如图1、图2a、图2b、图3a、图3b、图3c、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图5所示，基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，使用级联相移光栅作为多通道窄带滤波器；可调谐均匀光栅进行波长切换；复合双环腔作为纵模滤波器，实现了稳定的五波长、可切换稳定的单纵模激光输出。该激光器在多参量光纤传感，窄线宽激光输出、自由空间光通信等领域发挥重要的作用。

基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、环形器、可调谐均匀光栅、级联相移光栅、光纤耦合器一、光纤耦合器二、光纤耦合器三、偏振控制器、光纤耦合器四。

泵浦源与波分复用器的输入端的一端连接，波分复用器的输出端通过第一光纤管道与掺铒光纤的一端连接，掺铒光纤的另一端通过第二光纤管道与环形器的1端口连接，环形器的2端口通过第三光纤管道与可调谐均匀光栅的一段连接，环形器的3端口通过第四光纤管道与级联相移光栅的一端连接，级联相移光栅的另一端通过第五光纤管道和光纤耦合器一的输入端的一端连接，光纤耦合器一的输出端通过第六光纤管道和光纤耦合器二的输入端的一端连接，光纤耦合器二的输出端的一端通过第七光纤管道与光纤耦合器一的输入端连接，光纤耦合器二的另一输出端通过第八光纤管道和光纤耦合器三的输入端的一端连接，光纤耦合器的输出端的一端通过第九光纤管道与光纤耦合器二的另一输入端连接，光纤耦合器三的另一输出端通过光纤第十光纤管道与偏振控制器的一端连接，偏振控制器的另一端通过光纤第十一光纤管道与光纤耦合器四的输入端连接，光纤耦合器四的输出端的一端通过第十二光纤管道与波分复用器的另一输入端连接，光纤耦合器四的另一输出端通过第十三光纤管道输出激光。

980nm的泵浦源通过980/1550nm波分复用器注入环形器并对掺铒光纤进行光放大。环形器用于保证激光的单向传输，均匀光栅固定在微位移平台上，通过调节微位移平台的轴向位移来改变光栅轴向应力，从而达到波长切换的作用。级联相移光栅(两段提供多通道滤波，子环腔进行纵模滤波，最后光从光纤耦合器四(耦合比：90：10)的耦合器输出。

实施例2：如图1、图2a、图2b、图3a、图3b、图3c、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图5所示，基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，通过使用泵浦源、波分复用器器、掺铒光纤、环形器、可调谐均匀光栅、级联相移光栅、耦合器、偏振控制器设计制作激光器，实验原理简单，通过改变轴向应力，实现了五通道单波长、可切换单纵模激光输出。

基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，解决的技术问题是制作多通道相移光栅的困难以及光纤激光器无法保证单纵模输出的难题。

基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，包括：泵浦源01、波分复用器02、掺铒光纤03、环形器04、可调谐均匀光栅05、级联相移光栅06、光纤耦合器一07、光纤耦合器二08、光纤耦合器三09、偏振控制器10、光纤耦合器四11,泵浦源01与波分复用器02的输入端的一端相连，波分复用器02的输出端通过第一光纤管道021与掺铒光纤03的一端相连，掺铒光纤03的另一端通过第二光纤管道031与环形器04的1端口相连，环形器04的2端口通过第三光纤管道041与可调谐均匀光栅05的一段相连，环形器04的3端口通过第四光纤管道042与级联相移光栅06的一端相连，级联相移光栅06的另一端通过第五光纤管道061和光纤耦合器一07的输入端的一端相连，光纤耦合器一07的输出端通过第六光纤管道071和光纤耦合器二08的输入端的一端相连，光纤耦合器二08的输出端的一端通过第七光纤管道081与光纤耦合器一07的输入端相连，光纤耦合器二08的另一输出端通过第八光纤管道082和光纤耦合器三09的输入端的一端相连，光纤耦合器三09的输出端的一端通过第九光纤管道091与光纤耦合器二08的另一输入端相连，光纤耦合器三09的另一输出端通过第十光纤管道092与偏振控制器10的一端相连，偏振控制器10的另一端通过光纤第十一光纤管道101与光纤耦合器四11的输入端相连，光纤耦合器四11的输出端的一端通过第十二光纤管道111与波分复用器02的另一输入端相连，光纤耦合器四11的另一输出端通过第十三光纤管道112输出激光。

其中，光纤激光器的主腔由：980/1550nm波分复用器02、第一光纤管道021、掺铒光纤03、第二光纤管道031、环形器04、第三光纤管道041、可调谐均匀光栅05、第四光纤管道042、级联相移光栅06、第五光纤管道061、第十光纤管道092、偏振控制器10、第十一光纤管道101、90：10光纤耦合器四11、第十二光纤管道111组成。

多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器的主腔腔长为18.2米,根据公式

泵浦源01产生的泵浦光通过980/1550nm波分复用器02进入光路，掺铒光纤03实现粒子数反转，并产生光的受激辐射光放大作用，环形器04确保了光的单向传播，可调谐均匀光栅05实现了通道选择，通过改变轴向应力来改变中心波长从而进行波长选择。级联相移光栅06作为多通道滤波器提供了五通道极窄带宽滤波。偏振控制器10用于调整腔内因光纤材质不均匀所产生的双折射，耦合器四11的10％端口用于输出激光，剩余90％激光继续在腔内循环震荡。

其中，如图2a示，级联相移光栅06由两段长度L＝10mm的相移光栅级联而成，第一段相移光栅的相移点在0.3L处，相移量为π；第二段相移光栅的相移点在0.7L处相移量为π，两段光栅之间没有任何间隔。图2b为根据传输矩阵分析法仿真的级联相移光栅透射谱，图3a为实测透射谱，通过比较分析，级联相移光栅的实测光谱与理论分析相吻合。级联相移光栅五个通道的3dB带宽分别为0.02nm,0.021nm,0.018nm,0.021nm,0.024nm，该级联光栅仅通过两个单相移点的相移光栅级联的方法实现了五通道相移光栅的制作，既降低了制作难度，同时也保证了相移光栅极窄带宽的优势。为保证良好的通道选择特性，可调谐均匀光栅05的3dB带宽设计为0.066nm。可调谐均匀光栅05波长切换实例如图3c所示，通过调节位移平台位移量，可调谐均匀光栅05的中心波长发生变化，其超窄带宽反射谱可以很好地覆盖每一个通道，实现良好的通道滤波，如图4a、图4b、图4c、图4d、图4e所示，级联相移光栅的每个通道都能实现稳定的单波长激光输出，可以在高光信噪比的情况下稳定工作60分钟。

其中，子环腔纵模滤波器可拆解为第一环形腔和第二环形腔，第一环形腔由光纤耦合器一07、第六光纤管道071、光纤耦合器二08以及第七光纤管道081，第二环形腔由光纤耦合器二08、第八光纤管道082、光纤耦合器03、第九光纤管道091组成。光纤耦合器一07、光纤耦合器二08、光纤耦合器三09的耦合比分别为50：50、90：10以及50：50，第六光纤管道071、第七光纤管道081、第八光纤管道082、第九光纤管道091的长度分别为90.9cm、100.8cm、83.5cm、96.7cm。相比其他常规的多个耦合器构成的干涉环，该子环腔滤波器实现了稳定的纵模滤波如图3a、图3b、图3c所示，该第一环形腔和第二环形腔的腔长差为11.5cm，由于级联相移光栅05的极窄透射带宽，子环腔的环长差不必控制在2cm以下，降低了光纤熔接、切割、长度测量的难度，提高了子环腔的稳定性。

实施例3：如图1、图2a、图2b、图3a、图3b、图3c、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图5所示，基于级联相移光栅的多波长可切换单纵模掺铒光纤激光器，包括：泵浦源01、波分复用器02、掺铒光纤03、环形器04、可调谐均匀光栅05、级联相移光栅06、光纤耦合器一07、光纤耦合器二08、光纤耦合器三09、偏振控制器10、光纤耦合器四11,泵浦源01与波分复用器02的输入端的一端相连，波分复用器02的输出端通过第一光纤管道021与掺铒光纤03的一端相连，掺铒光纤03的另一端通过第二光纤管道031与环形器04的1端口相连，环形器04的2端口通过第三光纤管道041与可调谐均匀光栅05的一段相连，环形器04的3端口通过第四光纤管道042与级联相移光栅06的一端相连，级联相移光栅06的另一端通过第五光纤管道061和光纤耦合器一07的输入端的一端相连，光纤耦合器一07的输出端通过第六光纤管道071和光纤耦合器二08的输入端的一端相连，光纤耦合器二08的输出端的一端通过第七光纤管道081与光纤耦合器一07的输入端相连，光纤耦合器二08的另一输出端通过第八光纤管道082和光纤耦合器三09的输入端的一端相连，光纤耦合器三09的输出端的一端通过第九光纤管道091与光纤耦合器二08的另一输入端相连，光纤耦合器三09的另一输出端通过光纤第十光纤管道092与偏振控制器10的一端相连，偏振控制器10的另一端通过光纤第十一光纤管道101与光纤耦合器四11的输入端相连，光纤耦合器四11的输出端的一端通过第十二光纤管道111与波分复用器02的另一输入端相连，光纤耦合器四11的另一输出端通过第十三光纤管道112输出激光。

泵浦源01提供980nm的泵浦光，产生的泵浦光通过980/1550nm波分复用器02进入光路，掺铒光纤03实现粒子数反转，并产生光的受激辐射光放大作用，环形器04确保了光的单向传播，可调谐均匀光栅05实现了通道选择，通过改变轴向应力来改变中心波长从而进行波长选择，级联相移光栅06作为多通道滤波器提供了五通道极窄带宽滤波，偏振控制器10用于调整腔内因光纤材质不均匀所产生的双折射，耦合器四11的10％端口用于输出激光，剩余90％激光继续在腔内循环震荡。

级联相移光栅06由两段长度L＝10mm的相移光栅级联而成，第一个相移光栅的相移点位于0.3L处，相移大小为π，第二个相移光栅的相移点位于0.7L处，相移大小为π，五通道的中心波长分别为：1549.94nm,1550.06nm,1550.16nm,1550.24nm,1550.36nm；3dB带宽分别为0.020nm,0.021nm,0.018nm,0.021nm,0.024nm。

子环腔可拆解为第一环形腔和第二环形腔，第一环形腔由光纤耦合器一07、第六光纤管道071、光纤耦合器二08以及第七光纤管道081，第二环形腔由光纤耦合器二08、第八光纤管道082、光纤耦合器03、第九光纤管道091组成，光纤耦合器一07、光纤耦合器二08、光纤耦合器三09的耦合比分别为50：50、90：10以及50：50，第六光纤管道071、第七光纤管道081、第八光纤管道082、第九光纤管道091的长度分别为90.9cm、100.8cm、83.5cm、96.7cm，环长差为11.5cm。

可调谐均匀光栅05的中心波长为1549.83nm,3dB带宽为0.066nm，可调谐均匀光栅05固定在微位移平台上，通过微位移平台改变光栅的轴向应力从而改变光栅的中心波长，实现波长切换操作。

所述的偏振控制器10为挤压式偏振控制器，其方位角和相位延迟量可以分别进行连续调节，通过旋转挤压器和机械挤压光纤的方式来改变传输光波的偏振态，进而将任何输入偏振态转换成所需的输出偏振态。

光纤耦合器四11的耦合比为90：10，10％端口用作输出端，90％的端口与波分复用器02的另一输入端相连。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。