专利名称：波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全光纤激光器，特别是涉及一种具有波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振输出特征的环形腔全光纤激光器，可作为光纤通信系统的理想光源，亦可作为光纤和光纤光栅传感测试系统中的重要光源，可广泛应用于光纤通信及光纤传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅是以输出光波长为信息的一种新型光子器件。光纤光栅的研制成功，有力地促进了光纤激光器的发展。光纤激光器是高速、大容量通信系统中的关键器件，它的较宽增益带宽、激光工作波长恰好处于光通信1550nm低损耗波段的独特优点，特别是本发明获得的具有波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振特征的环形腔掺铒光纤激光器已成为继半导体激光器之后的光通信系统用另一种重要的选择光源，并成为激光器研究领域的一大热点。检索结果表明，目前尚未见到一种同时具备波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振的环形腔全光纤激光器。
发明内容
本发明的目的旨在设计一种具有波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振特征的环形腔掺铒全光纤激光器。该激光器既可作为光纤通信系统的理想光源，亦可作为光纤和光纤光栅传感测试系统中的重要光源。其技术方案是这种波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，它包括半导体激光器LD1、波分复用器WDM2、掺铒光纤EDF3、光纤隔离器PI-ISO(4、5)、光纤偏振器PR6、光纤耦合器Coupler7、布拉格光纤光栅FBG8和激光输出端9，从半导体激光器输出的激光输出给波分复用器，入射到掺铒光纤，再依次传输给光纤隔离器4、光纤偏振器，与光纤耦合器腔内侧的一个端口连接，另一个端口与光纤隔离器5连接，通过光纤隔离器5的另一端与波分复用器相接，完成环形腔结构；光纤耦合器腔外侧，一个端口连接布拉格光纤光栅，另一端与激光输出端相接。
激光器工作过程中，经布拉格光纤光栅FBG引入腔内增益反馈，同时对布拉格光纤光栅FBG调谐装置进行适当调节，使其具有波长可调谐特性，激光束从耦合器另一端输出。布拉格光纤光栅调谐机构一般可采取如下几种方式①机械调谐装置，如悬臂梁调谐装置、简支梁调谐装置等。其材料为具有高弹性能的金属或非金属，如锰钢片或有机玻璃板材等。梁设计成均质、等厚、片状或等腰三角形状，FBG则粘贴于梁上的适当位置处。②电调谐装置，如铁电体、压电陶瓷、电磁管等。其形状可设计为均质管状或片状体。FBG即粘贴于其表面适当位置；③干涉仪调谐装置，如马赫-曾德尔(M-Z)光纤干涉仪、F-P光纤干涉仪等。其材料为全光纤构成，其特征具有梳状滤波器性能；④温度调谐装置，对光纤光栅采用具有温敏效应的聚合物进行无应力工艺封装处理，通过对封装后的光纤光栅加热调控即可达到波长调谐的目的。
对掺铒光纤激光器而言，噪声可使其信号的清晰度降低。为适应高速度、大容量光通信系统的要求，必须设法提高掺铒光纤激光器的信噪比。掺铒光纤激光器以掺铒光纤作工作物质，属于三能级系统。在激光振荡过程中，除经受激辐射放大产生激光外，还伴随着自发辐射(ASE)的产生，它与信号光子的相互作用而产生噪声，该噪声在掺铒光纤激光器整个荧光谱范围内均可能发生，其频带很宽，而且是双向传播，是掺铒光纤激光器噪声的主要来源。一般掺铒光纤激光器中只放置一只光纤隔离器，虽然保证了腔内的激光振荡的单向运行，但反向传播的ASE仍然可以通过耦合器与激光同时输出，同样影响激光器的信噪比。特别在光通信系统中，该噪声将随信号光被各级放大器不断放大，从而占用放大器中本来可以参与受激辐射的光子，使得放大器的增益下降，信噪比恶化。
降低掺铒光纤激光器ASE噪声的方法通常使用窄带滤波器的方法，但窄带滤波器的插入损耗较大(3dB以上)，将严重影响激光器的输出功率。本发明采用的方法是在激光器中反向插入一个隔离度大于50dB的光纤隔离器，这样可有效地压制反向传播的ASE，并且插入损耗很低(小于0.3dB)。
随着通信业务种类和通信容量的不断增大，对通信光源的单色性即线宽和单偏振提出了严格要求。为得到窄线宽、单偏振的激光输出，国内外先后提出过多种解决方案。但已有的方案易使激光输出产生固有的啁啾噪声，从而降低信号的信噪比。本发明的有益效果可获得窄线宽、单偏振激光输出，所获得的线宽可小于1GHz，相当于1550nm波段处的线宽小于0.008nm。
图1波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器结构2激光器改进前后的输出光谱(a)改进前(b)改进后图3激光器传输100km前后的眼图a.激光器传输后(0km)b.激光器传输后(100km)图4用2.5GHz的模拟信号调制时传输前后的波形图a、传输50km下载测得的波形b、传输100km后下载测得的波形其中1.半导体激光器LD，2.980/1550nm波分复用器WDM，3.掺铒光纤EDF，4.光纤隔离器PI-ISO，5.光纤隔离器PI-ISO，6.光纤偏振器PR，7.光纤耦合器Coupler，8.布拉格光纤光栅FBG，9.激光输出端。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行具体说明这种波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，它包括半导体激光器LD1、波分复用器WDM2、掺铒光纤EDF3、光纤隔离器PI-ISO(4、5)、光纤偏振器PR6、光纤耦合器Coupler7、布拉格光纤光栅FBG8和从激光输出端9，半导体激光器输出的激光输出给波分复用器，入射到掺铒光纤，再依次传输给光纤隔离器4、光纤偏振器，与光纤耦合器腔内侧的一个端口连接，另一个端口与光纤隔离器5连接，通过光纤隔离器5的另一端与波分复用器相接，完成环形腔结构；光纤耦合器腔外侧，一个端口连接布拉格光纤光栅，另一端与激光输出端相接。
光纤耦合器腔外侧耦合比小的端口连接激光输出端；耦合比大的端口连接布拉格光纤光栅。本发明中，光纤耦合器为30∶70光纤耦合器，耦合器的70％端接FBG以提供激光功率反馈，30％端接激光输出端以提供激光输出。
布拉格光纤光栅FBG8是在单模光纤上采用激光干涉法或掩模法制作而成，其中心波长为1060-1565nm的布喇格光纤光栅。
光纤隔离器4、5为与偏振无关隔离器PI-ISO，其中光纤隔离器4正向插入激光器腔体内，保证腔内激光的单向运行；另一个光纤隔离器5则反向插入腔内，以保证获得高信噪比的激光输出。
光纤偏振器6可以是专用光纤偏振器，亦可用与偏振有关隔离器改制而成。
该激光器可在常温下稳定工作。
实施例波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器结构如图1。带尾纤输出的980nm LD1激光经980/1550nm波分复用器WDM2入射到掺铒光纤EDF3中，其另一端接光纤隔离器PI-ISO4、光纤偏振器PR6及30∶70光纤耦合器Coupler7的腔内的其中一端，其腔内的另一端则连接光纤隔离器PI-ISO5，通过光纤隔离器5的另一端与980/1550nm波分复用器WDM2相接，最后完成环形腔结构。光纤耦合器腔外的两端口中，70％端接布喇格光纤光柵8以提供腔内激光反馈，光纤耦合器另一端(30％端)则提供激光输出。
在该环形腔全光纤激光器中，980nm LD激光为泵光源，其峰值波长为874.5nm，半宽度2.4nm，980nm激光经980/1550nm波分复用器WDM耦合入射到掺铒光纤EDF，掺铒光纤长度为7.5m，掺杂浓度为100×10-6，EDF起着激光增益放大的作用。光纤隔离器PI-ISO4可保证1550nm激光在该环形腔中的单向运转，而另一隔离器5(隔离度50dB)则可有效抑制腔内反向传播的自发辐射ASE，且其插入损耗极小。本实例中，激光腔中未加隔离器5激光信噪比为41.4dB，加入隔离器5后信噪比提高到了46.6dB。激光器中的光纤偏振器PR6插入，使得腔内只有偏振模式平行于该偏振器主轴方向的那些模式才能形成振荡，而其它偏振方向的模式均受到抑制，保证了激光器的单偏振特性。光纤光柵是我们采用相位掩模法自行研制而成，其反射中心波长为1555.8nm，反射率为98％，半宽度为0.1nm。在本实例中光纤光柵采用悬臂梁调谐装置使光纤光柵中心波长可在6nm范围内进行任意调谐。最终得到激光输出功率大于1.6mw、信噪比大于46dB、线宽小于1GHz波长可调谐的高质量激光输出。图2为该激光器改进前后的输出光谱。
为验证该激光器的实用性，我们将该激光器在自行研制的WDM传输系统中进行了100km的光传输实验。当调制信号为1.2Gb/s的归零码时，其传输前后的眼图如图3所示。由图可知，眼图的形状非常清晰。图4为用2.5GHz的模拟信号调制时传输前后的波形图，由图可以看到波形保持得很好，失真度很底。实验证明，该激光器可以用做WDM系统的光源，具有巨大的应用前景。
权利要求
1.一种波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于它包括半导体激光器LD(1)、波分复用器WDM(2)、掺铒光纤EDF(3)、光纤隔离器PI-ISO(4、5)、光纤偏振器PR(6)、光纤耦合器Coupler(7)、布拉格光纤光栅FBG(8)和激光输出端(9)，从半导体激光器输出的激光输出给波分复用器，入射到掺铒光纤，再依次传输给光纤隔离器(4)、光纤偏振器，与光纤耦合器腔内侧的一个端口连接，另一个端口与光纤隔离器(5)连接，通过光纤隔离器(5)的另一端与波分复用器相接，完成环形腔结构；光纤耦合器腔外侧，一个端口连接布拉格光纤光栅，另一端与激光输出端相接。
2.根据权利要求1所述的波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于光纤耦合器腔外侧耦合比小的端口连接激光输出端；耦合比大的端口连接布拉格光纤光栅。
3.根据权利要求2所述的波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于光纤耦合器为30∶70光纤耦合器，耦合器的70％端接FBG以提供激光功率反馈，30％端接激光输出端以提供激光输出。
4.根据权利要求1所述的波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于布拉格光纤光栅FBG(8)是在单模光纤上采用激光干涉法或掩模法制作而成，其中心波长为1060-1565nm的布喇格光纤光栅。
5.根据权利要求1所述的波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于光纤隔离器(4、5)是与偏振无关的隔离器(PI-ISO)，其中光纤隔离器(4)正向插入激光器腔体内，保证腔内激光的单向运行；另一个光纤隔离器(5)则反向插入腔内，以保证获得高信噪比的激光输出。
6.根据权利要求1所述的波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振环形腔全光纤激光器，其特征在于光纤偏振器(6)可以是专用光纤偏振器，亦可用与偏振有关隔离器改制而成。
全文摘要
本发明涉及一种全光纤激光器，特别是涉及一种具有波长可调谐、窄线宽、高信噪比单偏振输出特征的环形腔全光纤激光器，可作为光源，广泛应用于光纤通信及光纤传感技术领域。激光器主要包括半导体激光器、波分复用器等，从激光器输出的激光给波分复用器入射到掺铒光纤，再依次传输给光纤隔离器、光纤偏振器，与光纤耦合器腔内侧的一个端口连接，另一个端口与光纤隔离器连接，通过光纤隔离器的另一端与波分复用器相接，构成环形腔结构；光纤耦合器腔外侧，一个端口连接布拉格光纤光栅，另一端与激光输出端相接。本发明可获得窄线宽、单偏振激光输出，所获得的线宽可小于1GHz，相当于1550nm波段处的线宽小于0.008nm。
文档编号H01S3/067GK1556561SQ20031012202
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者开桂云, 张伟刚, 袁树忠, 董孝义 申请人:南开大学