專利名稱：一種室溫工作的多波長同時激射的摻鉺光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多波長同時激射的摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)已經(jīng)成為長距離通信干線和光網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。波分復(fù)用技術(shù)就是為了充分利用光纖低損耗窗口的帶寬資源，把多個不同波長的光信號組合到一起在一根光纖中傳輸，因此，多波長激光光源是不可缺少的。傳統(tǒng)的多波長信號源由一系列單波長DFB半導(dǎo)體激光器組合而成，技術(shù)相對簡單，缺點是系統(tǒng)龐大、成本高，在考慮帶有光交叉節(jié)點的光網(wǎng)絡(luò)時問題就更加突出。從簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、便于運行維護和降低成本的角度考慮，特別在系統(tǒng)部件調(diào)試或元器件測試的場合，能夠同時給出多個波長輸出的激光光源有很大的優(yōu)勢。此外，寬帶多波長激光器在光傳感領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
針對這一應(yīng)用目標，人們做了不少研究。Rie Hayashi等人在2003年12月在光子技術(shù)快報(IEEE Photonics Technology Letters)上發(fā)表的題為“16-Wavelength 10-GHzActively Mode-Locked Fiber Laser With Demultiplexed Outputs Anchored on theITU-T Grid”文章中，采用冷卻到液氮溫度(77K)的摻鉺光纖為增益介質(zhì)，采用環(huán)形器、鈮酸鋰外調(diào)制器等構(gòu)成的反饋環(huán)作為諧振腔的一端，一個反射率為90％的波導(dǎo)陣列作為諧振腔的另一端同時也作為波長選擇器，實現(xiàn)了同時16個波長、重復(fù)率10GHz、波長間隔100GHz的鎖模脈沖輸出。采用摻鉺光纖實現(xiàn)多波長輸出的一個致命問題是，摻鉺光纖屬于均勻展寬介質(zhì)，只有在很低的溫度下才可能實現(xiàn)多波長同時穩(wěn)定振蕩，這在實用場合將是個很大的問題。
K.Cheng，等人在2003年的國際光通信年會(OFC’2003)上發(fā)表了題為“All-FiberRoom Temperature Multi-Frequency Laser with Ultra Low Cavity Loss”的文章，報道了在摻鉺光纖諧振腔內(nèi)引入聲光移頻機制，結(jié)合使用熔燒雙錐光纖梳狀濾波器和增益平坦濾波器在室溫下實現(xiàn)了多波長輸出。Yong Wook Lee等人2004年1月在光子技術(shù)快報(IEEE Photonics Technology Letters)上發(fā)表的題為“Multiwavelength-Switchable SOA-Fiber Ring Laser Based onPolarization-Maintaining Fiber Loop Mirror and Polarization Beam Splitter”文章中，報道了采用半導(dǎo)體放大器(SOA)作增益介質(zhì)，采用保偏光纖反射環(huán)鏡和偏振分光器等構(gòu)成梳狀濾波器，室溫下實現(xiàn)了17個波長輸出。Nam Seong Kim等人在2002年國際光通信年會(OFC’2002)發(fā)表的文章“CW Depolarized Multiwavelength RamanFiber Ring Laser with over 58 channels and 50GHz Channel spacing”中，報道采用3個波長的6個半導(dǎo)體激光器泵浦的16km長色散補償光纖(DCF)得到的拉曼增益，采用光纖F-P可調(diào)濾波器作為波長選擇元件，在環(huán)形腔結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了多達58個波長的輸出，波長間隔為50GHz。采用半導(dǎo)體SOA或拉曼增益，或者采用聲光移頻的方法都可以克服均勻展寬問題，在室溫下就可以實現(xiàn)多波長振蕩。但是，半導(dǎo)體SOA不是全光纖器件，耦合損耗偏大，輸出功率受到限制；拉曼增益系數(shù)較小，一般要求較長的光纖長度和較大的泵浦功率，這對輸出特性的改善有很大的限制；而采用聲光移頻的辦法對設(shè)備的要求又比較苛刻等等。另一方面，采用光纖參量增益也可以實現(xiàn)多波長同時振蕩，相同光纖的參量增益系數(shù)比拉曼增益系數(shù)稍高，但在相位匹配和泵浦光的質(zhì)量方面的要求比拉曼增益要求高，目前還在研究階段。總之，到目前為止，同時實現(xiàn)多波長輸出的激光器的技術(shù)尚不能滿足應(yīng)用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種新結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔摻鉺光纖激光器，這種結(jié)構(gòu)在環(huán)形腔內(nèi)引入?yún)⒘克牟ɑ祛l的機制，利用這種機制可以抑制摻鉺光纖的均勻展寬特性，在室溫下就可以實現(xiàn)多波長同時激射。本發(fā)明只需引入一段無源的高非線性光纖，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。
本發(fā)明提出的一種室溫工作的多波長同時激射的摻鉺光纖激光器，由摻鉺光纖放大器、輸出耦合器和梳狀濾波器連接構(gòu)成環(huán)形激光腔，其特征在于，在該環(huán)形激光腔內(nèi)至少插入一段高非線性光纖。
所述摻鉺光纖放大器目前有多種商用產(chǎn)品可供選擇，例如C波段放大器，L波段放大器或者C+L波段放大器，可以根據(jù)多波長激光器的應(yīng)用目標所要求的波段范圍來選擇。
所述高非線性光纖目前已有商用產(chǎn)品可供選擇。高非線性光纖的零色散波長應(yīng)當(dāng)選在在摻鉺光纖的增益波長范圍附近。
所述梳狀濾波器可以采用熔燒雙錐光纖、雙折射光纖環(huán)鏡、法布里-珀羅腔等多種方法實現(xiàn)，是光電子領(lǐng)域比較成熟的技術(shù)，在各種多波長激光器中已經(jīng)普遍采用。目前已有商用產(chǎn)品可供選擇。
所述輸出耦合器為常規(guī)產(chǎn)品。
本發(fā)明的工作原理本發(fā)明提出的室溫多波長摻鉺光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，由摻鉺光纖放大器11、輸出耦合器12、高非線性光纖14和梳狀濾波器13一一相連構(gòu)成。與普通環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的區(qū)別是插入了一段高非線性光纖和一個梳狀濾波器，而梳狀濾波器在其它方法實現(xiàn)的多波長激光器中已經(jīng)普遍采用。摻鉺光纖放大器中含有光隔離器，因此腔內(nèi)的光只能單向運行。根據(jù)激光器的基本原理，在普通環(huán)形腔摻鉺光纖激光器中(即從圖1所示結(jié)構(gòu)中去掉高非線光纖和梳狀濾波器)，激光振蕩首先在腔損耗最小、一般是摻鉺光纖放大器增益最大的波長處產(chǎn)生。實際情況中，即使環(huán)腔中的摻鉺光纖放大器采用了增益平坦濾波措施，各波長處的增益也不可能完全相同，激光振蕩就會在增益最高的波長處首先開始振蕩，一般是多模振蕩。如果摻鉺光纖的增益譜中存在幾個大小比較接近的最大值，振蕩有可能在這些最大值處同時發(fā)生，即幾個波長可能同時振蕩。但是，由摻鉺光纖的均勻展寬特性決定，發(fā)生振蕩的模式之間存在競爭，此起彼伏，很不穩(wěn)定。
當(dāng)在環(huán)形腔內(nèi)加入梳狀濾波器和高非線性光纖之后，一方面，發(fā)生振蕩的波長除了受摻鉺光纖放大器增益最大值的影響之外，同時還要受到濾波器透過峰的影響。只有增益較大同時又在濾波器透過峰處的波長才能發(fā)生振蕩，但這不改變多模振蕩和模式之間相互競爭的局面。另一方面，不同波長的光進入高非線性光纖之后發(fā)生參量四波混頻，混頻的結(jié)果使光功率從功率較大的波長向功率較小的波長發(fā)生轉(zhuǎn)移，即原本功率小的波長得到了增益而原本功率大的波長受到損耗(負增益)。得到增益的波長如果落在梳狀濾波器的透過峰內(nèi)，就可以再次進入摻鉺光纖并且像輸入信號光那樣得到摻鉺光纖的增益，這種增益過程消耗摻鉺光纖中的上能級粒子數(shù)，對最早發(fā)生的振蕩有一種消弱作用。經(jīng)過多次循環(huán)之后，腔內(nèi)各波長的功率達到一種平衡，所有那些增益足以克服損耗的波長都可以維持振蕩。因此，通常情況下?lián)姐s光纖的均勻展寬特性受到抑制，室溫下多波長同時穩(wěn)定的激射得以實現(xiàn)。
衡量多波長激光器的技術(shù)指標有輸出波長數(shù)、覆蓋的波長范圍(帶寬)、各波長功率的差異(起伏程度)、輸出功率、消光比以及波長間隔、各波長的譜線寬度等。其中關(guān)鍵的技術(shù)指標是覆蓋的波長范圍、起伏程度和消光比。理論和實驗研究結(jié)果證明，覆蓋的波長范圍主要取決于摻鉺光纖放大器的平坦增益帶寬，放大器的平坦增益帶寬越寬，可能達到的覆蓋波長范圍越大。消光比和梳狀濾波器的對比度有關(guān)，但主要取決于摻鉺光纖放大器輸出的放大自發(fā)輻射(ASE)基底。而起伏程度除了和放大器的平坦增益帶寬有關(guān)之外，主要取決于各波長的光在高非線性光纖中獲得的參量四波混頻增益，因為這種四波混頻是實現(xiàn)多波長穩(wěn)定振蕩的關(guān)鍵。理論上，在對數(shù)坐標下，起伏程度與輸入高非線性光纖的平均功率密度、高非線性光纖的非線性系數(shù)和有效長度三個量的乘積成負線性關(guān)系，下面通過實施例將證明這一點。
因此，當(dāng)要求多波長輸出覆蓋的波長范圍較大而且起伏程度盡可能小的時候，選擇的摻鉺光纖放大器應(yīng)當(dāng)具有增益譜平坦的特性以保證寬的平坦增益帶寬，在足以克服腔損耗的前提下鎖定增益應(yīng)盡可能低而輸出功率大。增益低可以使ASE基底低而輸出的多波長激光的消光比高，功率大有利于減小起伏程度并且提高輸出功率。高非線性光纖除了要求零色散波長在摻鉺光纖的增益波長附近之外，還應(yīng)當(dāng)要求非線性系數(shù)高，色散小，色散斜率盡可能平坦。同時，高非線性光纖的長度在不使環(huán)形腔總損耗超過放大器增益的前提下可以適當(dāng)加長，采用現(xiàn)有產(chǎn)品的高非線性光纖一般在500m～2000m左右，以產(chǎn)生足夠強的參量四波混頻。輸出多波長激光的波長間隔取決于梳狀濾波器的波長間隔，覆蓋波長范圍和波長間隔決定之后，輸出波長數(shù)就已確定。多波長輸出的譜線寬度與梳狀濾波器每個“齒”的寬度有很大關(guān)系，而振蕩輸出的激光的譜線寬度一般會比“齒”的寬帶要小。因此梳狀濾波器的波長范圍、波長間隔和齒寬度等參數(shù)可以根據(jù)應(yīng)用要求來確定。
從實現(xiàn)多波長穩(wěn)定振蕩的目標而言，環(huán)形腔中摻鉺光纖放大器、輸出耦合器、高非線性光纖和梳狀濾波器可以按任意順序連接。但是，當(dāng)輸出的功率比例比較高的時候，如果把輸出耦合器放在高非線性光纖的輸入端，會影響輸入到高非線性光纖的功率密度；而當(dāng)功率密度比較高的時候，高非線性光纖中的四波混頻過程會使單個波長的譜線加寬，因此如果把輸出耦合器放在高非線性光纖的輸出端有可能得到略為加寬的譜線寬度。這些細微的差別可以根據(jù)應(yīng)用的要求進行選擇或折中。
本發(fā)明的特點及效果本發(fā)明的結(jié)構(gòu)綜合利用了摻鉺光纖增益高、泵浦轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點和高非線性光纖中參量四波混頻效應(yīng)造成的能量從高功率的波長向低功率波長擴散的特點，有效抑制了摻鉺光纖的均勻展寬特性，在室溫下實現(xiàn)多波長同時激射。


圖1為本發(fā)明提出的多波長摻鉺光纖激光器的原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一，C波段寬帶多波長摻鉺光纖激光器實驗裝置圖；圖3為本發(fā)明實施例一，在室溫下測量得到的C波段寬帶多波長輸出激光光譜；圖4為針對圖2所示裝置測量得到的輸出激光光譜起伏程度與高非線性光纖輸入總功率、高非線性光纖的非線性系數(shù)和非線性有效長度乘積之間的關(guān)系；圖5為本發(fā)明實施例二，C+L波段寬帶多波長摻鉺光纖激光器實驗裝置圖；圖6為本發(fā)明實施例二，在室溫下測量得到的C+L波段多波長輸出激光光譜。
具體實施例方式
對本發(fā)明提出的室溫寬帶多波長同時激射的摻鉺光纖激光器，結(jié)合實施例及附圖詳細說明如下實施例一，室溫下多波長同時激射的摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。摻鉺光纖放大器21、可變光衰減器251、耦合比為10∶90的定向耦合器22、高非線性光纖24、梳狀濾波器23和可變光衰減器252按順序依次連接構(gòu)成環(huán)形激光腔。其中，定向耦合器的公共端221與可變光衰減器251相連，90％端223與高非線性光纖24相連，10％端222為環(huán)形腔的輸出端。摻鉺光纖放大器具有增益譜自動平坦鎖定功能，增益波長覆蓋C波段范圍，平坦增益24dB，最大輸出功率18dBm。高非線性光纖長1450米，零色散波長在1548nm，1550nm處色散斜率為0.0155ps/nm2·km，非線性系數(shù)為11.9W-1km-1，損耗系數(shù)為0.73dB/km。梳狀濾波器是一個利用高雙折射光纖構(gòu)成的Sagnac干涉環(huán)濾波器，濾波峰的間隔周期為0.31nm。耦合比為10∶90的定向耦合器使腔內(nèi)10％的光被耦合輸出，其余90％的光反饋回到腔內(nèi)?？勺児馑p器251用于調(diào)整進入高非線性光纖的功率大小，而可變光衰減器252用于調(diào)節(jié)腔的總損耗，使得振蕩回到摻鉺光纖放大器的功率水平保持在放大器的鎖定輸入范圍之內(nèi)，以得到各波長功率比較均等的多波長激光輸出。實際使用時，可以通過改變定向耦合器22的耦合比、摻鉺光纖放大器的增益水平和輸入動態(tài)范圍來實現(xiàn)這種調(diào)整，這時，251和252可以取消。
本實施例用光譜儀在輸出端測量得到的輸出光譜如圖3所示。在從1539.28nm到1564.02nm的波長范圍內(nèi)有81個波長激光輸出，波長間隔為0.31nm，由所用梳狀濾波器的波長間隔決定。圖3的插圖擴大顯示了81個輸出波長中的少數(shù)幾個，可以看到，各波長的輸出譜線非常規(guī)整，實際上也非常穩(wěn)定。由插圖還可以看到，輸出激光譜線的消光比接近30dB，明顯大于梳狀濾波器約20dB的對比度。圖3所示的輸出光譜中，各波長的輸出功率水平有一定的差異，在波長1543nm附近和1555nm附近功率比較高，中間的1547nm附近大約要低7dB。這是由摻鉺光纖放大器在1543nm和1555nm附近增益略高而激光振蕩最先在那里開始造成的。圖4表示根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得到的多波長激光器輸出光譜的功率起伏程度與高非線性光纖的輸入總功率、高非線性光纖的非線性系數(shù)和非線性有效長度乘積PtotγLeff之間的關(guān)系，這里，增益起伏定義為輸出功率最大值和中間凹陷處最小值的功率差，以dB表示。圖4的曲線說明增大高非線性光纖的輸入總功率、高非線性光纖的非線性系數(shù)或長度有利于減小輸出譜中各波長的功率起伏。需要說明的是，在測量圖4所示的實驗數(shù)據(jù)過程中，覆蓋的波長范圍始終沒有變，如果將輸入總功率除以覆蓋的波長范圍，可以得到起伏程度與平均功率密度也有類似的負線性關(guān)系。另外，非線性有效長度與光纖的實際長度以及損耗系數(shù)有關(guān)，對于相同長度的光纖，損耗越大，有效長度越短。
實施例二，室溫下C+L波段寬帶多波長同時激射的摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖5所示。與圖2所示結(jié)構(gòu)不同的是，本實施例使用的參鉺光纖放大器由C波段放大和L波段放大兩個分支并聯(lián)組成。其中，C波段分支由一臺C波段摻鉺光纖放大器511和與其輸入端相連的可變光衰減器551組成，L波段分支由一個長波損耗器56、可變光衰減器552以及一臺L波段摻鉺光纖放大器512按順序連接構(gòu)成。兩個分支由兩只C+L波分復(fù)用耦合器521和522并聯(lián)連接構(gòu)成C+L寬帶放大組合。C+L寬帶放大組合、高非線性光纖54、梳狀濾波器53和10∶90定向耦合器523按順序依次連接構(gòu)成環(huán)形激光腔。C+L波分復(fù)用耦合器521的5212端和5213端分別與可變光衰減器551和長波損耗器56相連。5211端與與10∶90定向耦合器523的5233(90％)相連。C+L波分復(fù)用耦合器522的5222端和5223端分別與C波段摻鉺光纖放大器511的輸出端和L波段摻鉺光纖放大器512的輸出端相連。5221端與高非線性光纖54相連。梳狀濾波器53與10∶90定向耦合器523的公共端5231端相連，5232(10％)為環(huán)形腔的輸出端。
C波段和L波段兩臺摻鉺光纖放大器均具有增益譜自動平坦鎖定功能，平坦增益均為24dB，各自的最大輸出功率為18dBm。長波損耗器56是一個利用彎曲光纖制作的器件，對光的損耗隨波長加長而增大。所用高非線性光纖與圖2所用的相同。梳狀濾波器是一個基于F-P腔的產(chǎn)品濾波器(Micron Optics，Inc)，同時覆蓋C和L波段，波長間隔0.8nm，插入損耗2dB，對比度28dB。可變光衰減器551和552用來分別調(diào)整進入C波段和L波段摻鉺光纖放大器的功率水平，以得到盡可能平坦的多波長輸出激光譜。
如果摻鉺光纖放大器的輸出功率足夠大，長波損耗器56并非必須。另外，可變光衰減器551和552的損耗也可以降低甚至取消。但在本實施例的實驗條件下，摻鉺光纖放大器511和512的最大輸出功率有限，而512的輸出譜相當(dāng)平坦以至可以有多達4個波長的同時起始振蕩，結(jié)果造成輸入到高非線性光纖54的功率譜密度過低而不能達到所要求的參量四波混頻效應(yīng)，即輸出的多波長激光譜中各波長的功率差別較大。長波損耗器56的引入加上可變光衰減器552的恰當(dāng)調(diào)整，使得L波段最長波長的部分振蕩受到抑制而較短波長的部分功率相對集中，最后得到比較平坦的譜輸出。
圖6所示是實施例二測量得到的C+L波段寬帶多波長同時振蕩的輸出光譜圖。輸出譜在從1539.53nm到1562.79nm的范圍內(nèi)有30個波長的輸出，在從1567.69nm到1583.44nm的范圍內(nèi)有20個波長輸出，波長間隔為0.8nm。使用光譜儀在分辯率為0.01nm的條件下測量得到輸出光譜中單一波長的-10dB線寬為0.0432nm，明顯比梳狀濾波器原有的線寬(0.0844nm)要窄。輸出譜的消光比大于33dB，也比梳狀濾波器的對比度(28dB)要高，說明輸出的確實是振蕩激射輸出。
權(quán)利要求
1.一種室溫工作的多波長同時激射的摻鉺光纖激光器，由摻鉺光纖放大器、輸出耦合器和梳狀濾波器連接構(gòu)成環(huán)形激光腔，其特征在于，在該環(huán)形激光腔內(nèi)至少插入一段高非線性光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種室溫工作的多波長同時激射的摻鉺光纖激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由摻鉺光纖放大器、輸出耦合器和梳狀濾波器連接構(gòu)成環(huán)形激光腔，其特征在于，在該環(huán)形激光腔內(nèi)至少插入一段高非線性光纖。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)綜合利用了摻鉺光纖增益高、泵浦轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點和高非線性光纖中參量四波混頻效應(yīng)造成的能量從高功率的波長向低功率波長擴散的特點，有效抑制了摻鉺光纖的均勻展寬特性，在室溫下實現(xiàn)多波長同時激射。
文檔編號H04J14/00GK1588151SQ200410069040
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者劉小明, 王青 申請人:清華大學(xué)