专利名称：新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤激光器，适用于光纤通信、微波光子、光纤传感技术 领域。
技术背景采用相位抽样或者强度抽样，用一块相位抽样掩模版或者一块相位掩模版 加一块强度掩模版或者一块相位掩模版隔一段曝光的方法制作取样光纤光栅。普通光纤光栅只有一个反射峰，取样光纤光栅有N(N》2)个反射峰《沈旷轶"基 于超结构光纤光栅的宽带波分复用信道滤波器设计"中国北京交通大学硕士学 位论文2006》。由于保偏光纤快慢轴的有效折射率不同，有2个独立的偏振态， 在保偏光纤上制作的非抽样光栅有2个反射峰，这2个反射峰对应着独立的2 个偏振态《宁提纲等"利用光栅研究保偏光纤温度特性"中国激光33(8) 2006 p.l078 1080》；在保偏光纤上制作取样光栅，与普通光纤上写入条件相同 的情况下，保偏取样光纤光栅有2N (N》2)个反射峰，这2N个反射峰都是单 偏振的。 -光纤激光器是光纤通信、微波光子、光纤传感和激光系统中一种很有前途 的光源，它的优点主要体现在(l)半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的 WDM(波分复用)波长标准，且成本很高，而稀土掺杂光纤激光利用光纤光栅 等能非常准确地确定波长，且成本很低。(2)用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺 比较成熟，稀土离子掺杂过程简单，光纤损耗小。(3)釆用灵巧紧凑效率高的泵 浦成为可能。(4)光纤激光具有波导式光纤结构，可以在光纤芯层产生较高的功 率密度。光纤结构具有较高的面积-体积比，因而散热效果较好。与标准通信光 纤的兼容性好，可以采用光纤光栅、耦合器等多种光纤部件，减小对块状光学 元件的需求和光路机械调整的麻烦，极大地简化光纤激光的设计及制作。(5)宽带是光纤通信的主要发展趋势之一，而光纤激光可以通过掺杂不同的稀土离子，在380 3900 nm的宽带范围内实现激光输出，'波长选择容易且可调谐。(6)高 频调制下的频率啁啾效应小、抗电磁干扰，温度膨胀系数较半导体激光器小等。 而普通的非保偏光纤，由于制造工艺造成纤芯截面有一定的椭圆度，或是 由于光纤组分材料的热膨胀系数不均匀性，容易造成光纤截面上各向异性的应 力或外加应力，导致光纤折射率的各向异性。总之，当光纤截面的对称性遭到 破坏，由双折射形成的两个不同传输常数的正交偏振模之间会产生相互耦合， 由于两个偏振模的传输常数相差很小，因而模式耦合很强。光纤结构本身存在 的双折射和外界对光纤的作用都是随机的，因而偏振模之间的耦合是随机的， 因此一般情况下，光纤激光器输出的激光为偏振混乱的，无法达到半导体激光 器输出激光的偏振度，或者随机偏振耦合导致波长不稳定；这样的激光输出在 很多情况下都无法使用。现有的多波长光纤激光器由于模式竞争，常温下难以 实现多波长同时稳定激射。如果要实现多波长光纤激光器，需要的有源光纤为 保偏的，耦合器也要保偏的，并且要加入偏振控制、偏振检测来保证多波长光 纤激光的输出，或者需要在超低温的液氮中来消除模式竞争，产生多波长，可 靠性低，成木高，控制复杂，难以实用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器， 它能克服已有的多波长光纤激光的不足，实现不需要偏振控制的单偏振多波长 光纤激光器。本发明的技术方案一种新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器，构成该激光器的部件之 间的连接1) 在一个lxN耦合器的一字臂上，接入保偏取样光纤光栅；2) 把第一段有源光纤、第二段有源光纤、.......第N段有源光纤分别连接到耦合器的第一分叉臂、第二分叉臂........第N分叉臂上；N为自l起的连续自然数；3) 在第一段有源光纤、第二段有源光纤、.....第N段有源光纤的远离耦合 器端，分别接入第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅.......第N宽带光纤光栅;4) 利用泵浦耦合器把一字臂上的泵浦光或/和连接在第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅........第N宽带光纤光栅后面的第一泵浦光、第二泵浦光、.......第N泵浦光耦合进有源光纤；5) 保偏取样光纤光栅的任意N个反射峰分别与第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅........第N宽带光纤光栅形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端输出单偏振N波长激光。..有源光纤或为保偏有源光纤，均选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、 或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。任意选择宽带光纤光栅对准保偏取样光纤光栅反射峰的某一个峰，因此产 生的单偏振激光的波长间隔是等间距的，或者是不等间距的。输出的波长数可 以根据需要选择。本发明的有益效果具体如下已有的多波长光纤激光器需要的有源光纤为保偏的，耦合器也要保偏的， 并且要加入偏振控制、偏振检测来保证多波长^纤激光的输出，或者需要在超 低温的液氮中来消除模式竞争，产生多波长，可靠性低，成本高，控制复杂， 难以实用。而本发明采用比保偏有源光纤价格低得多的普通有源光纤作为增益介质， 只需要一个保偏取样光纤光栅，保证每个腔谐振在一个偏振态上。每个偏振态 的激光谐振腔是独立的，能消除常规的有源保偏光纤产生多波长模式竞争的问 题，不会出现随机模式耦合，引起波长或者偏振态的随机变化，不需要偏振控制，为了得到更好的激光质量，本发明也可以采用偏振控制来控制偏振态。由 于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带光纤光栅，使之与窄带保偏取样光纤光 栅的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求，比通常的多波长激光器更 容易实现，输出更稳定的单偏振态激光，具有更高的性价比。本发明降低了对 有源光纤的一致性要求，使有源光纤长度等特性的不一致不会引起单偏振双波 长激光器的实质性的影响。本发明可以选取保偏取样光纤光栅不同的反射峰构 成谐振腔，产生单偏振激光，因此本发明的多波长激光的波长和波长间隔可以 根据需要选择。本发明也可以采用已有的有源光纤为保偏的，耦合器也要保偏 的，并且要加入偏振控制、偏振检测的方式实现，但是可以降低对器件本身的 要求。本发明还具有受环境影响小、全光纤结构、结构紧凑、易于实施等特点。 本发明每个偏振态的激光谐振的腔是独立的，每个分叉臂产生的激光不会 互相耦合，不会形成偏振态随机变化及只有某一个波长输出或随机几个波长输 出的问题，不需要偏振控制；如果需要更加提高激光质量，也可以添加隔离器 和偏振控制装置。由于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带光纤光栅，使之与 窄带保偏光纤的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求。首次实现单偏 振多波长常温下的激光输出。
图l为新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器示意图。 图2为新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器采用的保偏取样光纤光 栅示意图。图3为N = 3新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器示意图。 图4为N = 3新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器采用的保偏取样 光纤光栅示意图。图5为N = 8新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器示意图。图6为N = 8新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器采用的保偏取样光纤光栅示意图。图7为N=16新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器示意图。 图8为N=16新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器采用的保偏取 样光纤光栅示意图。
具体实施方式
-下面结合附图及实施例对本发明新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光 器作进一步描述。 实施例一构成新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接，如图3和图4:1. 选择一个lx3耦合器，在耦合器的一字臂50接入保偏取样光纤光栅10。2. 选择适当长度的3段第一段掺铒有源光纤21、第二段掺铒有源光纤22 和第三段掺铒有源光纤23，把以上三段掺铒有源光纤分别连接到耦合器的第一 分叉臂51、第二分叉臂52和第三分叉臂53上。3. 在第一段掺铒有源光纤21、第二段掺铒有源光纤22和第三段掺铒有源光 纤23的远离耦合器端分别接入第一宽带光纤光栅1K第二宽带光纤光栅12和第 三宽带光纤光栅13，第一、第二、第三宽带光纤光栅ll、 12和13的反射谱互相 隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏 取样光纤光栅的反射率至少低ldB。4. 利用泵浦耦合器把一字臂上的泵浦光30耦合进掺铒有源光纤中。5. 保偏取样光纤光栅10的三个反射峰分别与第一、第二、第三宽带光纤光 栅ll、 12和13形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端40输 出单偏振三波长激光。6. 所述选择适当长度的掺铒有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由泵浦 光功率、吸收系数、激光腔中耦合器的损耗等决定。即各个腔的掺铒有源光纤最大长度就是在给定的泵浦光30作用下，第一段掺铒有源光纤21、第一宽带光纤光栅ll、 耦合器以及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时掺铒有 源光纤的长度就是第一腔的最大长度；在给定的泵浦光30作用下，第二段掺铒有源光纤22、第二宽带光纤光栅12、 耦合器及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时掺铒有源 光纤的长度就是第二腔的最大长度；；在给定的泵浦光30作用下，第三段掺铒有源光纤23、第三宽带光纤光栅13、 耦合器及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时掺铒有源 光纤的长度就是第三腔的最大长度；。产生三个波长激光时，只需要从保偏取样光纤光栅中选择三个单偏振反射 峰，如选取保偏取样光纤光栅三个单偏振反射峰101A、 IOIB、 102A，即在这种 情况下，N=3。图4中101A为保偏取样光纤光辨的一个单偏振反射峰，IOIB为 保偏取样光纤光栅的另外一个单偏振反射峰，102A为保偏取样光纤光栅的第三 个单偏振反射峰；lll为第一宽带光纤光栅ll的反射峰，121为第二宽带光纤光 栅12的反射峰，131为第三宽带光纤光栅13的反射峰。保偏取样光纤光栅的反射峰IOIA与第一宽带光纤光栅反射峰l 11 、第一段掺 铒有源光纤21构成一个谐振腔；保偏取样光纤光栅的另外一个反射峰101B与第 二宽带光纤光栅反射峰121、第二段掺铒有源光纤22构成一个谐振腔；保偏取样 光纤光栅的另外一个反射峰102A与第三宽带光纤光栅反射峰131、第三段掺铒有 源光纤23构成一个谐振腔，这三个腔在泵浦光30的作用下谐振，产生三个单偏 振波长的激光。在耦合器一字端40输出三波长单偏振激光。 实施例二构成新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接，如图5 和图6:1. 选择一个lx8耦合器，在耦合器的一字臂50接入保偏取样光纤光栅10。2. 选择适当长度的8段第一掺镱有源光纤21、第二掺镱有源光纤22........第八掺镱有源光纤28。把第一段掺镱有源光纤21、第二段掺镱有源光纤22........第八段掺镱有源光纤28分别连接到耦合器的第一分叉臂51、第二分叉臂 52、.......第八分叉臂58上。3. 在第一段掺镱有源光纤21、第二段掺镱有源光纤22........第八段掺镱有源光纤28的远离耦合器端，分别接入第一宽蒂光纤光栅ll、第二宽带光纤光栅12........第八宽带光纤光栅18，第一至八宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏取样光 纤光栅的反射率至少低ldB。4. 利用泵浦耦合器把连接在第一宽带光纤光栅ll、第二宽带光纤光栅12........第八宽带光纤光栅18的后面的第一泵浦光31、第二泵浦光32.......、第八泵浦光38耦合进掺镱有源光纤；5. 保偏取样光纤光栅10的任意8个反射峰分别与第一宽带光纤光栅11、第二宽带光纤光栅12........第八宽带光纤光栅18形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端40输出单偏振8波长激光。6. 所述选择的掺镱有源光纤的长度，最小长度为lcm，最大长度由泵浦光 功率、吸收系数、激光腔中耦合器的损耗等决定。即最大长度为在给定的第一泵浦光31作用下，第一段掺镱有源光纤21、第一宽带光纤光 栅ll、耦合器以及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时 掺镱有源光纤的长度就是第一腔的最大长度；在给定的第二泵浦光32作用下，第二段掺镜有源光纤22、宽带光纤光栅12、 耦合器及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时掺镱有源 光纤的长度就是第二腔的最大长度；在给定的第八泵浦光38作用下，第八段有源光纤28、第八宽带光纤光栅18、 耦合器及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时掺镱有源 光纤的长度就是第八腔的最大长度；只产生8个波长激光时，只需要从保偏取样光纤光栅中选择8个单偏振反射 峰，如选取保偏取样光纤光栅八个单偏振反射峰101A、 101B......108B，即在这种情况下，N=8。图8中101A为保偏取样光纤光栅的一个单偏振反射峰，101B 为保偏取样光纤光栅的另外一个单偏振反射峰，"......108B为保偏取样光纤光栅的第八个单偏振反射峰。lll为第一宽带光纤光栅ll的反射峰，121为第二宽带光纤光栅12的反射 峰，......，181为第八宽带光纤光栅18的反射峰。保偏取样光纤光栅的第一个反射峰101A与第一宽带光纤光栅反射峰111、第 一段掺镱有源光纤21构成一个谐振腔；保偏取样光纤光栅的第二个反射峰101B 与第二宽带光纤光栅反射峰121、第二段掺镱有源光纤22构成一个谐振腔；......保偏取样光纤光栅的第八个反射峰108B与第八宽带光纤光栅反射峰181、第八段 掺镱有源光纤218，构成一个谐振腔；这八个腔在第一泵浦激光31、第二泵浦激 光32、......、第八泵浦光38的作用下谐振，产生八个单偏振波长的激光。在耦合器一字端40输出乂 V波长单偏振激光。实施例三构成新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接，如图7 和图8:1. 选择一个lxl6耦合器，在耦合器的一字臂50接入保偏取样光纤光栅10。2. 选择适当长度的N46段第一段保偏铒镱共掺有源光纤21、第二段保偏铒镱共掺有源光纤22........第十六段保偏铒镱共掺有源光纤216。把第一段保偏铒镱共掺有源光纤21、第二段保偏铒镱共掺有源光纤22.......、第十六段保偏铒镱共掺有源光纤216连接到耦合器的第一分.叉臂51、第一分叉臂52........第十六分叉臂516上。3. 在第一段保偏铒镱共掺有源光纤21、第二段保偏铒镱共掺有源光纤22........第216段的远离耦合器端分别接入第一宽带光纤光栅11、第二宽带光纤光栅12........第十六宽带光纤光栅116;第一宽带光纤光栅ll、第二宽带光纤光栅12........第十六宽带光纤光栅116的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏取样光纤光栅的反射率 至少低ldB。4. 利用泵浦耦合器把一字臂上的泵浦光30和连接在第一宽带光纤光栅11、第二宽带光纤光栅12........第十六宽带光纤光栅116后面的第一泵浦光31、第二泵浦光32......第十六泵浦光316耦合进保偏铒镱共掺有源光纤。利用泵浦耦合器把连接在第一宽带光纤光栅ll、第二宽带光纤光栅12........第八宽带光纤光栅18的后面，第一泵浦光31、第二泵浦光32、.......第八泵浦光38耦合进掺镱有源光纤；5. 保偏取样光纤光栅10的任意16个反射峰分别与第一至第十六宽带光纤光栅ll、 12........ 116形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端40输出单偏振16波长激光。6. 第一至第十六段保偏铒镱共掺有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由 泵浦光功率、吸收系数、激光腔中耦合器的损耗等决定。即最大长度就是在给定的一字臂上的泵浦光30和第一泵浦光31作用下，第一段保偏铒镱共 掺有源光纤21、第一宽带光纤光栅ll、耦合器以及保偏取样光纤光栅10构成的 腔，刚好能激励产生激光，此时保偏铒镱共掺有源光纤的长度就是第一腔的最 大长度；在给定的一字臂上的泵浦光30和第二泵浦光32作用下，第二保偏铒镱共掺 有源光纤22、第二宽带光纤光栅12、耦合器及保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光，此时保偏铒镱共掺有源光纤的长度就是第二腔的最大长度； ..在给定的一字臂上的泵浦光30和第十六泵浦光316作用下，第十六段保偏铒 镱共掺有源光纤216、第十六宽带光纤光栅116、耦合器及保偏取样光纤光栅IO 构成的腔，刚好能激励产生激光，此时保偏铒镱共掺有源光纤的长度就是第十 六腔的最大长度；只产生16个波长激光时，只需要从保偏取样光纤光栅中选择16个单偏振反 射峰，如选取保偏取样光纤光栅十六个单偏振皮射峰101A、 101B......1016B,即在这种情况下，N=16。图8中，IOIA为保偏取样光纤光栅的一个单偏振反射 峰，IOIB为保偏取样光纤光栅的另外一个单偏振反射峰，......1016B为保偏取样光纤光栅的第十六个单偏振反射峰；lll为第一宽带光纤光栅ll的反射峰，121 为第二宽带光纤光栅12的反射峰，......1161为第十六宽带光纤光栅1016的反射峰。保偏取样光纤光栅的第一个反射峰101A与第一宽带光纤光栅反射峰111、第 一保偏铒镱共掺有源光纤21构成一个谐振腔；保偏取样光纤光栅的第二个反射 峰101B与第二宽带光纤光栅反射峰121 、第二保偏铒镱共掺有源光纤22构成一个 谐振腔；......保偏取样光纤光栅的第16个反射峰108B与宽带光纤光栅反射峰1161、保偏铒镱共掺有源光纤116构成一个谐振腔，这16个腔在泵浦激光31、 32......316的作用下谐振，产生16个单偏振波长的激光。在耦合器一字端40输出16波长单偏振激光。实施例四构成新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接，如图1和图2:1)在一个lxN耦合器的一字臂50上，接入fe偏取样光纤光栅10;2) 选择适当长度的N段有源光纤把第一段有源光纤21、第二段有源光纤22.......、第N段有源光纤2N连接到耦合器的第一分叉臂51、第二分叉臂52........第N分叉臂5N上；N为自l起的连续自然数；3) 在第一段有源光纤21、第二段有源光纤22........第N段有源光纤N的远离耦合器端，分别接入第一宽带光纤光栅ll、第二宽带光纤光栅12、.......第N宽带光纤光栅1N;4) 利用泵浦耦合器把一字臂上的泵浦光30或/和连接在第一宽带光纤光栅11、第二宽带光纤光栅12........第N宽带光纤光栅1N后面的第一泵浦光31、第二泵浦光32......第N泵浦光3N耦合进有源光纤。5) 保偏取样光纤光栅10的任意N个反射峰分别与第一宽带光纤光栅11、第二宽带光纤光栅12........第1N宽带光纤光栅1N形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端40输出单偏振N波长激光。第一至第N段保偏铒镱共掺有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由泵浦光 功率、吸收系数、激光腔中耦合器的损耗等决定。各个腔的有源光纤的最大长度选定同上述实施例。 保偏取样光纤光栅的反射峰选取是任意的，连续编号仅为了简化说明。 本发明提出的一种有效的、可靠的、能以一个以上单偏振波长输出的新型 单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器所使用的部件都是常用的部件。
权利要求
1.新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器，其特征在于，构成该激光器的部件之间的连接1)在一个1×N耦合器的一字臂(50)上，接入保偏取样光纤光栅(10)；2)把第一段有源光纤(21)、第二段有源光纤(22)、......、第N段有源光纤(2N)分别连接到耦合器的第一分叉臂(51)、第二分叉臂(52)、......、第N分叉臂(5N)上；N为自1起的连续自然数；3)在第一段有源光纤(21)、第二段有源光纤(22)、......、第N段有源光纤(2N)的远离耦合器端，分别接入第一宽带光纤光栅(11)、第二宽带光纤光栅(12)、......、第N宽带光纤光栅(1N)；4)利用泵浦耦合器把一字臂上的泵浦光(30)或/和连接在第一宽带光纤光栅(11)、第二宽带光纤光栅(12)、......、第N宽带光纤光栅1N后面的第一泵浦光(31)、第二泵浦光(32)、......、第N泵浦光(3N)耦合进有源光纤；5)保偏取样光纤光栅(10)的任意N个反射峰分别与第一宽带光纤光栅(11)、第二宽带光纤光栅(12)、......、第N宽带光纤光栅(1N)形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在耦合器的一字端(40)输出单偏振N波长激光。
2. 根据权利要求书l所述的新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器， 其特征在于有源光纤或为保偏有源光纤，均选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或 镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。..
全文摘要
本发明公开了一种新型单偏振多波长保偏取样光纤光栅激光器，它是在一个1×N耦合器一字臂(50)上，接入保偏取样光纤光栅(10)；把第一段有源光纤(21)至第N段有源光纤(2N)分别连到耦合器第一至第N分叉臂(51)至(5N)上；N为自1起的连续自然数；在第一段至第2N段有源光纤(21)至(2N)一端，分别接入第一至第N宽带光纤光栅(11)至(1N)；在耦合器一字臂上及各宽带光纤光栅后面，用泵浦耦合器把泵浦光(30)或/和第一至第N泵浦光耦合进有源光纤；保偏取样光纤光栅的任意N个反射峰分别与第一至第N宽带光纤光栅(11)至(1N)形成不同波长的激光谐振腔，在耦合器一字端(40)输出单偏振N波长激光。
文档编号H01S3/00GK101222106SQ200710303818
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者艳 刘, 史嫄嫄, 宁提纲, 毅 戴, 坚 李, 祁春慧, 治 童, 胡旭东, 丽 裴, 谭中伟, 乂 阮 申请人:北京交通大学