基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器的制作方法

本发明属于激光器领域，具体涉及一种基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器。

背景技术：

激光器在光纤通信、精确光相干测量、光纤分布式传感等领域有非常广泛的应用。石墨烯布拉格光栅反射带宽很窄可以很方便地从满足激光起振的多纵模激光中选出单一纵模，而光纤中的背向瑞利散射效应可以进一步有效压窄单纵模激光的线宽。但是在目前窄线宽激光器领域利用石墨烯布拉格光栅的进行波长调控主要是通过改变石墨烯布拉格光栅的应力以及温度等方法改变光栅的有效折射率，进一步改变石墨烯布拉格光栅的中心波长。但是这类机械或热调谐的方法它在调谐精度、调谐响应时间上都会受到机械步进距离以及温度响应时间的限制。

技术实现要素：

本发明提供一种基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器，以解决目前波长可调激光器波长调节精度较低且响应时间长的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器，包括第一泵浦激光器、掺杂光纤、第一环形器和石墨烯布拉格光栅，其中所述石墨烯布拉格光栅从内至外依次包括纤芯、包层和包裹着所述包层的石墨烯层，所述第一泵浦激光器的输出端通过所述掺杂光纤连接所述第一环形器的第一端，所述第一环形器的第二端连接所述纤芯；

通过调节所述包层的厚度，在所述包层上包裹石墨烯层，并调节传输给所述纤芯的泵浦光的光强来调节所述石墨烯布拉格光栅的调制折射率，实现所述石墨烯布拉格光栅中心波长的调节；在所述石墨烯布拉格光栅中心波长调节完成后，所述纤芯向所述第一环形器的第二端返回波长为调节后中心波长的激光信号，并由所述第一环形器的第三端输出。

在一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括第二泵浦激光器和第一波分复用器，所述第一波分复用器的第一输入端连接所述第一环形器的第二端，第二输入端连接所述第二泵浦激光器的输出端，所述第二泵浦激光器用于通过所述第一波分复用器，对传输给所述纤芯的泵浦光的光强进行调节。

在另一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括隔离器，所述隔离器的输入端连接所述掺杂光纤，输出端连接所述第一环形器的第一端。

在另一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括第二环形器和瑞利光纤，所述第二环形器的第一端用于输入所述激光信号，所述激光信号从其第二端传输给所述瑞利光纤的第一端，所述瑞利光纤基于所述激光信号产生瑞利散射信号并返回给所述第二环形器的第二端，再由所述第二环形器的第三端输出。

在另一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括反射镜，所述瑞利光纤的第二端连接所述反射镜。

在另一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括可调光衰减器，所述可调光衰减器位于所述瑞利光纤的第二端与所述反射镜之间。

在另一种可选的实现方式中，基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器还包括第二波分复用器和耦合器，所述第二波分复用器的第一输入端连接所述第一泵浦激光器的输出端，第二输入端连接所述第二环形器的第三端，公共端连接所述掺杂光纤；所述第一环形器的第三端连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端连接所述第二环形器的第一端，第二输出端作为所述波长可调激光器的输出端。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过调节石墨烯布拉格光栅的包层厚度以及传输给石墨烯布拉格光栅纤芯的泵浦光光强，不仅可以对布拉格光栅的中心波长进行调节，而且可以提高布拉格光栅中心波长调节的精确度和响应时间；

2、本发明通过采用石墨烯布拉格光栅，并通过对传输给石墨烯布拉格光栅纤芯的泵浦光进行调节，对石墨烯布拉格光栅的厚度进行调节，可以提高激光波长调节精度和响应时间；

3、本发明通过增加隔离器，可以对输入的泵浦光进行隔离，降低干扰；

4、本发明通过将激光信号传输给瑞利光纤，使瑞利光纤基于瑞利散射效应对激光信号的线宽进行压缩，可以降低激光信号的线宽，并且通过使瑞利光纤产生的前向传输的瑞利散射信号通过反射镜反射回瑞利光纤，可以对激光信号的线宽做进一步压缩，从而可以进一步降低激光信号的线宽；

5、本发明通过在瑞利光纤与反射镜之间增加可调衰减器，可以避免反射镜反射回来的瑞利散射信号被激光信号淹没；

6、本发明通过采用第二波分复用器和耦合器，对激光信号的线宽进行循环压缩，可以进一步降低激光信号的线宽。

附图说明

图1是本发明石墨烯布拉格光栅的一个实施例剖视图；

图2是本发明基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器的一个实施例结构示意图；

图3是本发明基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器的另一个实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

参见图1，为本发明石墨烯布拉格光栅的一个实施例剖视图。该石墨烯布拉格光栅由内向外依次可以包括纤芯101、包层102和包裹着所述包层102的石墨烯层103，通过调节所述包层102的厚度，在所述包层102上包裹石墨烯层103，并调节传输给所述纤芯101的泵浦光的光强来调节石墨烯布拉格光栅的调制折射率，实现所述石墨烯布拉格光栅中心波长的调节。

为了完全避免纤芯传输的激光穿透包层而降低激光的传输性能，市面上的石墨烯布拉格光栅包层通常较厚。相比于市面上的石墨烯布拉格光栅包层，本实施例中石墨烯布拉格光栅包层的厚度较薄，这样纤芯传输的泵浦光则有可能穿透包层而作用于石墨烯层上。由于石墨烯具有零带隙结构，因此石墨烯价带中的电子很容易吸收泵浦光跃迁到导带上，而且满足狄拉克分布，这一过程会直接导致石墨烯能带结构的电子分布发生改变。当改变泵浦光的光强时，石墨烯层的能带电子的分布也会发生变化。由于石墨烯布拉格光栅的中心波长是由纤芯折射率和周期决定的，而其纤芯已经被周期性的调制，因此石墨烯层的能带电子分布的变化会进一步导致光栅的调制折射率的改变，这样最终导致了石墨烯布拉格光栅反射谱的中心波长发生变化。由此，在包层厚度一定的情况下，本发明可以通过改变调控石墨烯的泵浦光光强来改变石墨烯布拉格光栅的中心波长。

在制作上述石墨烯布拉格光栅时，可以采用以下方法：首先，预制布拉格光栅；将商用C波段的布拉格光栅浸泡在氢氟酸溶液中进行腐蚀，将布拉格光栅的直径(包括纤芯和包层的直径之和)腐蚀至10到20微米，此时激光器波长调节的调节精度和响应时间都到达最高；其次，预制石墨烯片；将商用铜基PMMA(柔性聚甲基丙烯酸甲酯)-石墨烯利用化学置换的方法将铜基去除；最后，预制石墨烯布拉格光栅；将去除铜基的PMMA-石墨烯包裹到腐蚀的石墨烯布拉格光栅上，用丙酮蒸汽除去PMMA。

由上述实施例可见，本发明通过调节石墨烯布拉格光栅的包层厚度以及传输给石墨烯布拉格光栅纤芯的泵浦光光强，不仅可以对布拉格光栅的中心波长进行调节，而且可以提高布拉格光栅中心波长调节的精确度和响应时间。

参见图2，为本发明基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器的一个实施例结构示意图。该波长可调激光器可以包括第一泵浦激光器201、掺杂光纤202、第一环形器203和石墨烯布拉格光栅204，其中所述石墨烯布拉格光栅204如图1所示，从内至外依次包括纤芯101、包层102和包裹着所述包层102的石墨烯层103，所述第一泵浦激光器201的输出端通过所述掺杂光纤202连接所述第一环形器203的第一端，所述第一环形器202的第二端连接所述纤芯。本发明通过调节所述包层的厚度，在所述包层上包裹石墨烯层，并调节传输给所述石墨烯布拉格光栅204纤芯的泵浦光的光强来调节所述石墨烯布拉格光栅的调制折射率，实现所述石墨烯布拉格光栅中心波长的调节；在所述石墨烯布拉格光栅中心波长调节完成后，所述石墨烯布拉格光栅204纤芯向所述第一环形器203的第二端返回波长为调节后中心波长的激光信号，并由所述第一环形器203的第三端输出，由此，实现了激光的波长调整。

由上述实施例可见，本发明通过采用石墨烯布拉格光栅，并通过对传输给石墨烯布拉格光栅纤芯的泵浦光进行调节，对石墨烯布拉格光栅的厚度进行调节，可以提高激光波长调节精度和响应时间。

参见图3，为本发明基于石墨烯布拉格光栅的波长可调窄线宽激光器的另一个实施例结构示意图。图3与图1所示波长可调激光器还可以包括：第二泵浦激光器301和第一波分复用器302，所述第一波分复用器302的第一输入端连接所述第一环形器203的第二端，第二输入端连接所述第二泵浦激光器301的输出端，所述第二泵浦激光器301用于通过所述第一波分复用器302，对传输给所述纤芯的泵浦光的光强进行调节。为了对输入的泵浦光进行隔离，降低干扰，波长可调激光器还可以包括隔离器303，所述隔离器303的输入端连接所述掺杂光纤202，输出端连接所述第一环形器203的第一端。

为了对第一环形器203第三端输出的激光信号的线宽做进一步压缩，波长可调激光器还可以包括第二波分复用器304、耦合器305、第二环形器306、瑞利光纤307、可调光衰减器308和反射镜309，所述第二环形器306的第一端用于输入所述激光信号，所述激光信号从其第二端传输给所述瑞利光纤307的第一端，所述瑞利光纤307基于所述激光信号产生后向传输的瑞利散射信号并返回给所述第二环形器306的第二端，再由所述第二环形器306的第三端输出。瑞利光纤307的第二端还与反射镜309连接，这样瑞利光纤307产生的前向传输的瑞利散射信号可以被反射镜309反射回来，从而传输给第二环形器306的第二端，再由第二环形器306的第三端输出。本发明通过将激光信号传输给瑞利光纤，使瑞利光纤基于瑞利散射效应对激光信号的线宽进行压缩，可以降低激光信号的线宽，并且通过使瑞利光纤产生的前向传输的瑞利散射信号通过反射镜反射回瑞利光纤，可以对激光信号的线宽做进一步压缩，从而可以进一步降低激光信号的线宽。为了避免反射镜反射回来的瑞利散射信号被激光信号淹没，在瑞利光纤307的第二端与反射镜309之间还可以设置有可调光衰减器308。

另外，为了进一步对激光信号的线宽做循环压缩，所述第一环形器203的第三端连接所述耦合器305的输入端，所述耦合器305的第一输出端用于将所述激光信号输出，第二输出端作为所述波长可调激光器的输出端。所述第二波分复用器304的第一输入端连接所述第一泵浦激光器201的输出端，第二输入端连接所述第二环形器306的第三端，公共端连接所述掺杂光纤202。

本实施例中，从第一泵浦激光器201输出的泵浦光首先通过第二波分复用器304传输给掺杂光纤202，从掺杂光纤202出来的泵浦光先经过隔离器303，再进入到第一环形器203的第一端，然后通过第一波分复用器302的第一输入端进入到石墨烯布拉格光栅204中，与此同时第二泵浦激光器301输出的泵浦光通过第一波分复用器302的第二输入端与激光信号一起同时进入石墨烯布拉格光栅204。由于石墨烯布拉格光栅204只反射位于C波段的光，所以泵浦光将被完全透过，因此只有激光信号将被滤波后从石墨烯布拉格光栅204返回至第一环形器203的第二端。由于石墨烯布拉格光栅的反射谱的中心波长可以被第二泵浦激光器301输出的不同功率的泵浦光调控，因此当改变第二泵浦激光器301的输出功率，将有不同波长的激光信号被反射回第二环形器203的第二端。从第二环形器203的第三端出来的光将一部分通过耦合器305输出，另一部分将反馈回到激光腔中，从第二环形器306的第一端进入到瑞利光纤307中产生背向的分布瑞利光反馈，剩下的前向信号激光也将通过可调光衰减器308以及反射镜309重新反射到第二环形器306的第二端，并从第二环形器306的第三端输出重新进入到激光腔内，这样完成了激光腔内一次循环。

由上述实施例可见，本发明通过采用石墨烯布拉格光栅，并通过对传输给石墨烯布拉格光栅纤芯的泵浦光进行调节，对石墨烯布拉格光栅的厚度进行调节，可以提高激光波长调节精度和响应时间。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。