一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器的制作方法

本发明属于光通信器件的技术领域，特别涉及一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器。

背景技术：

国民经济发展迅速，信息时代已经到来，光纤通信技术已渗透到各种通信与信息网络中。光纤激光器是光纤通信的理想光源，与传统的固体激光器相比具有许多优势，近年来得到了广泛的研究。光纤激光器中的锁模光纤激光器是光通信系统中脉冲光源的理想选择。

锁模光纤激光器常见的结构有主动锁模和被动锁模光纤激光器。其中主动锁模光纤激光器输出脉冲宽度窄、频率啁啾小且频率可调谐，因而在超高速光纤通信中有很大的应用前景。

与本发明最接近的现有技术是如附图2所示的主动锁模光纤激光器系统，正弦电压信号作用于铌酸锂(linbo3)调制器，调制器将产生周期性的相位变化或是损耗，周期性的变化作用于谐振腔内循环的脉冲，它们之间的相互影响使得产生锁模序列。linbo3调制器是偏振敏感的，通常在调制器前放置一个偏振控制器来调节调制器的光场偏振态。中心波长通过可调谐滤波器进行调节。

但主动锁模光纤激光器输出激光的光谱比较窄，很难得到超窄脉冲，而且主动锁模光纤激光器的腔长一般都较长，容易受到外界的影响，导致其稳定性较差。

被动锁模光纤激光器结构简单、成本低且可靠性高，是真正的全光纤器件，利用光纤的非线性效应，可以产生最短的光学脉冲，但其输出脉冲重复频率的稳定性差，不能外界调控。

综上所述，目前现有的主动或被动锁模光纤激光器系统均各自存在固有的缺点，尤其由于现有锁模光纤激光器系统中没有采取有效的自动控制，使得输出光脉冲的稳定性受温度等环境因素的影响较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中锁模光纤激光器存在的缺点，提供一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器系统，以在环境温度不断变化的条件下能够产生稳定的超高速脉冲为目的。

本发明的技术方案如下：

一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器，其结构有，泵浦光源1与第五光耦合器25的输入端相连，第五光耦合器25的90％输出端与波分复用器2的980nm端相连，波分复用器2的1550nm端与第一光耦合器3的输入端相连；第一光耦合器3的10％输出端与可调光纤滤波器4的输入端相连，第一光耦合器3的90％输出端与第三光耦合器11的输入端相连；可调光纤滤波器4的输出端与由微波源6驱动的铌酸锂调制器5的输入端相连；铌酸锂调制器5的输出端与缠绕在第一pzt压电陶瓷7上的光纤的一端相连；所述的缠绕在第一pzt压电陶瓷7上的光纤的另一端与第二光耦合器8的一个输入端相连；第二光耦合器8的另一个输入端与第一光隔离器9的输入端相连；第一光隔离器9的输出端与掺铒光纤10的一端相连，掺铒光纤10的另一端与波分复用器2的公共端相连；

其特征在于，结构还有第三光耦合器11的40％输出端与第四光耦合器12的输入端相连，第三光耦合器11的60％输出端作为所述的一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器的输出端口；第四光耦合器12的一个50％输出端与第一光探测器13的输入端相连，另一个50％输出端与第二光探测器15的输入端相连；第一光探测器13的输出端与第一放大电路14的输入端相连，第一放大电路14的输出端与加法电路30的一个输入端相连，加法电路30的输出端与压电陶瓷驱动器31的输入端相连，压电陶瓷驱动器31的输出端与pzt压电陶瓷7相连；第五光耦合器25的10％输出端与第六光耦合器26的一个输入端相连，第六光耦合器26的另一输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤27的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤27的另一端与第六光耦合器26的一个输出端相连，第六光耦合器26的另一输出端与第三光探测器28的输入端相连，第三光探测器28的输出端与第二放大电路29的输入端相连，第二放大电路29的输出端与加法电路30的另一输入端相连；第二光探测器15的输出端与模/数转换器16的输入端相连，模/数转换器16的输出端与单片机17相连，单片机17的一个串口与第一电平转换芯片18相连，第一电平转换芯片18与可调光纤延迟线19的rs232接口相连，可调光纤延迟线19的输出端与第二光耦合器8的一个50％输出端相连，第二光耦合器8的另一个50％输出端与第二光隔离器23的输入端相连，第二光隔离器23的输出端与色散补偿光纤22的一端相连，色散补偿光纤22的另一端与黑磷可饱和吸收体21的一端相连；黑磷可饱和吸收体21的另一端与单模光纤20的一端相连，单模光纤20的另一端与可调光纤延迟线19的输入端相连；单片机17的另一个串口与第二电平转换芯片24相连，第二电平转换芯片24与可调光纤滤波器4的rs232接口相连。

有益效果：

1、本发明采用主被动混合锁模光纤激光器系统结构产生高速超短光脉冲输出，可以克服被动锁模光纤激光器系统无法控制输出脉冲重复频率及重复频率稳定性差的缺点，发挥被动锁模光纤激光器系统可以产生飞秒级光脉冲的优势；同时可以克服主动锁模光纤激光器系统输出稳定性差的缺点，发挥主动锁模光纤激光器系统输出重复频率可调的优势，使整个系统产生稳定的超短高速光脉冲。

2、本发明利用反馈信号控制压电陶瓷稳定主动锁模光纤激光器系统腔长，克服腔长漂移，使系统输出稳定；同时利用反馈信号控制可调光纤延迟线，进行延时反馈，使系统中的光脉冲更加优化，最终使整个系统产生稳定的超短高速光脉冲。

3、本发明将新型二维材料黑磷作为可饱和吸收体进行被动锁模产生超短高速光脉冲，基于黑磷的可饱和吸收体有超短的恢复时间，黑磷材料具有直接带隙的能带结构、吸收波长范围大等优点，可产生飞秒级超短脉冲。

4、本发明带有温度补偿功能，可根据环境温度变化自动补偿主动锁模光纤激光器系统腔长的变化，使输出光孤子脉冲更加稳定。

5、本发明结构简单，利用光探测器接收部分输出激光，利用单片机反馈控制可调光纤延迟线实现整个系统输出脉冲的优化，操作简单并可达到精确控制。

6、本发明可以利用单片机控制可调光纤滤波器实现对输出光孤子形状的调整，从而更有利于光纤激光器系统的自启动。

附图说明：

图1是本发明的一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器系统框图。

图2是传统的主动锁模光纤激光器系统框图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明各部分光路的具体结构。实施例中，元器件后面的括号中标注的本发明的优选的参数，但本发明的保护范围并不受这些参数的限制。

实施例1：本发明的具体结构

本发明的一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器结构如附图1所示，其结构有，泵浦光源1(980nm激光器，最大输出功率为1w)与第五光耦合器25(1×2标准单模光耦合器，分光比为10：90)的输入端相连，第五光耦合器25的90％输出端与波分复用器2(980/1550nm波分复用器)的980nm端相连，波分复用器2的1550nm端与第一光耦合器3(1×2标准单模光耦合器，分光比为10：90)的输入端相连；第一光耦合器3的10％输出端与可调光纤滤波器4(北京中讯光谱科技有限公司生产的wltf-be可调光纤滤波器)的输入端相连，其输出的光脉冲在主动锁模光纤激光器谐振腔中继续运行，第一光耦合器3的90％输出端与第三光耦合器11(1×2标准单模光耦合器，分光比为40：60)的输入端相连；可调光纤滤波器4的输出端与由微波源6驱动的铌酸锂调制器5(上海瀚宇光纤通信技术有限公司的mx-ln-20光强度调制器)的输入端相连；铌酸锂调制器5的输出端与缠绕在第一pzt压电陶瓷7上的光纤的一端相连；所述的缠绕在第一pzt压电陶瓷7上的光纤的另一端与第二光耦合器8(2×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的一个输入端相连；第二光耦合器8的另一个输入端与第一光隔离器9(1550nm偏振无关光隔离器)的输入端相连，第一光隔离器9使系统中的光脉冲单向运行，方向是附图1的顺时针方向；第一光隔离器9的输出端与掺铒光纤10(美国nufern公司生产的sm-esf-7/125掺铒光纤)的一端相连，掺铒光纤10的另一端与波分复用器2的公共端相连。上述结构构成了传统的主动锁模光纤激光器谐振腔。

本发明在传统的主动锁模光纤激光器谐振腔的基础上，还有基于黑磷可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器系统、基于无水乙醇填充光子晶体光纤的温度补偿系统、以及由两个自动反馈控制环构成的脉冲优化系统，结构为，第三光耦合器11的40％输出端与第四光耦合器12(1×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的输入端相连，第三光耦合器11的60％输出端作为所述的一种带有温度补偿的主被动混合锁模光纤激光器的输出端口，系统产生的光脉冲由此端口输出；第四光耦合器12的一个50％输出端与第一光探测器13(北京敏光科技有限公司的lsipd-ld50型光探测器)的输入端相连，另一个50％输出端与第二光探测器15(北京敏光科技有限公司的lsipd-ld50型光探测器)的输入端相连；第一光探测器13的输出端与第一放大电路14的输入端相连，第一放大电路14的输出端与加法电路30的一个输入端相连，加法电路30的输出端与压电陶瓷驱动器31(本课题组自制的装置，具体结构见专利zl200710055865.8)的输入端相连，压电陶瓷驱动器31的输出端与pzt压电陶瓷7(圆柱形压电陶瓷，外径50mm，内径40mm，高50mm)相连，以控制谐振腔的长度；第五光耦合器25的10％输出端与第六光耦合器26(2×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的一个输入端相连，第六光耦合器26的另一输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤27的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤27(由nktphotonics公司生产的pm-1550-01光子晶体光纤的空气孔填充无水乙醇构成)的另一端与第六光耦合器26的一个输出端相连，第六光耦合器26的另一输出端与第三光探测器28(北京敏光科技有限公司的lsipd-ld50型光探测器)的输入端相连，第三光探测器28的输出端与第二放大电路29的输入端相连，第二放大电路29的输出端与加法电路30的另一输入端相连；第二光探测器15的输出端与模/数转换器16(max197)的输入端相连，模/数转换器16的输出端与单片机17(stc12c5a60s2单片机)相连，单片机17接收数字量进行计算处理，单片机17的一个串口与第一电平转换芯片18(max232)相连，第一电平转换芯片18与可调光纤延迟线19(四川宇恒星光科技有限公司的vdl-40-15-s9-1-fa型电动光纤延迟线)的rs232控制端相连，使可调光纤延迟线19接收控制信号，进行延时反馈，稳定系统产生的光脉冲，可调光纤延迟线19的输出端与第二光耦合器8的一个50％输出端相连，第二光耦合器8的另一个50％输出端与第二光隔离器23(1550nm偏振无关光隔离器)的输入端相连，第二光隔离器23允许光脉冲通过方向是附图1的逆时针方向；第二光隔离器23的输出端与色散补偿光纤22(美国thorlabs公司的dcf38型色散补偿光纤)的一端相连，色散补偿光纤22的另一端与黑磷可饱和吸收体21(本课题组自制，将多层黑磷制作在一侧光纤接头的端面上，用光纤连接器将此接头与另一侧的光纤接头相连接，光纤连接器可采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的标准fc/pc光纤连接器)的一端相连；黑磷可饱和吸收体21的另一端与单模光纤20(标准单模光纤)的一端相连，单模光纤20的另一端与可调光纤延迟线19的输入端相连。单片机17的另一个串口与第二电平转换芯片24(max232)相连，第二电平转换芯片24与可调光纤滤波器4的rs232接口相连，以控制通过其光脉冲的谱宽，从而调节锁模光纤激光器输出光脉冲的形状。

实施例2本发明的工作过程及各主要部件的作用

附图1所示的结构中，泵浦光源1作为整个系统的激光泵浦源，泵浦光源1经过第五光耦合器25，一部分(90％)输出通过波分复用器2进入系统中；分光比为10：90的第一光耦合器3将腔内运行的激光分为两部分，一部分(90％)输出给第三光耦合器11，另一部分(10％)继续在主动锁模光纤激光器谐振腔内运行；分光比为40：60的第三光耦合器11将第一光耦合器3输出的激光分为两部分，一部分(60％)作为整个系统的激光输出，另一部分(40％)输出到第四光耦合器12作为系统的反馈信号；可调光纤滤波器4用于控制系统中激光的光谱宽度，进而改变输出光孤子脉冲的形状，单片机17的另一个串口与第二电平转换芯片24相连，第二电平转换芯片24与可调光纤滤波器4的rs232接口相连，从而可利用单片机17实现对可调光纤滤波器4的控制；第一光隔离器9用于保证主动锁模光纤激光器谐振腔中光的单向运行；掺铒光纤10在系统中产生增益作用，保证谐振腔内运行激光的能量不衰减；分光比为50：50的第二光耦合器8连接了主动锁模和被动锁模两部分结构，使基于黑磷的被动锁模光纤激光器系统和基于pzt的主动锁模光纤激光器系统有机的结合在一起，实现主被动混合锁模；黑磷可饱和吸收体21是将黑磷材料制作成可饱和吸收体，用于锁模超短脉冲的产生。第五光耦合器25的10％输出端与第六光耦合器26的一个输入端相连，第六光耦合器26的另一输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤27的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤27的另一端与第六光耦合器26的一个输出端相连，第六光耦合器26的另一输出端与第三光探测器28的输入端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤27是一温度敏感器件，当环境温度改变时会引起通过它的激光的相位产生变化，进而改变第三光探测器28的输出电流，再经第二放大电路29放大后输出给加法电路30的一个输入端。

第四光耦合器12将接收到光分成两路，一路输出给第一光探测器13，由第一光探测器13将光信号转换为电信号，再经过第一放大电路14放大后，输出给加法电路30的另一个输入端，加法电路30将第二放大电路29的输出信号(反映温度变化)与第一放大电路14的输出信号(反映输出光强变化)相加后输出给压电陶瓷驱动器14，压电陶瓷驱动器14将接收到的信号放大用于驱动pzt压电陶瓷7，进而控制缠在pzt压电陶瓷7上的光纤的长度对主动锁模光纤激光器谐振腔进行腔长补偿，保证系统锁模的可靠性。

第四光耦合器12输出的另一路输出给第二光探测器15，第二光探测器15将其转化为电流用于基于黑磷可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器系统的反馈延时；模/数转换器16接收第二光探测器15输出的电信号，并将模拟信号转换为数字信号，单片机17接收模/数转换器16输出的数字信号进行计算处理，并产生控制信号，第一电平转换芯片18用于连接单片机17的一个串口和可调光纤延迟线19的rs232控制端；使可调光纤延迟线19接收单片机17的控制信号，进行延时反馈控制，使整个系统输出的光脉冲得到优化。