一种饱和吸收体式光无源锁模器件及其制备方法与流程

本发明涉及一种光无源器件，具体涉及一种集饱和吸收体、光隔离器、光耦合器、波分复用器为一体的光无源锁模器件。

背景技术：

光无源器件是光纤通信中不可或缺的部分。为了适应信息社会对通信容量的要求，光纤通信已经取代电子通信。低损耗光纤、光纤激光器和掺铒光纤放大器是使光纤通信成为可能的三个关键技术。同时全光纤激光器具有结构紧凑、成本低廉、环境稳定性高等突出优点，其在光通信领域得到了广泛地研究和应用。为了有效的减少锁模光纤激光器中元器件的数目，缩小光纤激光器的体积，将多个关键器件(耦合器、光隔离器和波分复用器)融合为一个器件，是非常必要的。

目前，混合集成光无源器件主要将耦合器、光隔离器和波分复用器结合起来，其集成度较低。实现锁模脉冲输出的光纤激光器有主动锁模技术和被动锁模技术两种选择，主动锁模技术有着重复频率高、线宽窄等优点，但引入的主动调制器件破坏了全光纤结构，且成本较高。被动锁模技术如非线性环形镜(NOLM)、非线性偏振旋转技术(NPR)、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、以及基于碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)的锁模器件，被广泛用于超短脉冲的产生。其中，由于其具有较低的生产成本、较高的损伤阈值、亚皮秒的恢复时间等优点，碳纳米管被看做理想的可饱和吸收材料。通常，将碳纳米管薄膜饱和吸收体以独立方式用法兰盘夹持在光纤跳线头之间，这种方式下使用的饱和吸收体，其环境稳定性较差，且承受泵浦功率有限，使碳纳米管薄膜饱和吸收体的应用受到很大限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高集成化、工作稳定、损伤阈值高的饱和吸收体式光无源锁模器件，能够大大缩小光纤激光器中的元器件数量和提高光纤激光器的阈值承受过滤，其有望在光通信、光学传感、锁模光纤激光器领域得到广泛应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种饱和吸收体式光无源锁模器件，包括依次放置的耦合器、光隔离器芯和波分复用器；所述耦合器包括第一双光纤准直器和分光片；所述波分复用器包括第二双光纤准直器和波分复用片；在耦合器的端面和/或波分复用器的端面覆盖薄膜饱和吸收体；所述薄膜饱和吸收体为具有饱和吸收特性的纳米材料；信号光通过光隔离器芯实现单向传输，通过薄膜饱和吸收体实现模式锁定。

进一步地，所述薄膜饱和吸收体是由碳纳米管与聚乙烯醇混合制成的薄膜。

进一步地，所述薄膜饱和吸收体的制备方法为：将碳纳米管分散液与聚乙烯醇水溶液混合均匀后滴于表面皿上，蒸发烘干制成薄膜，薄膜厚度为10μm-100μm，然后将薄膜切成2mm²大的圆片。

进一步地，所述耦合器的第一双光纤准直器输出比例为10％，所述分光片为1550nm波段的10/90分光片。

进一步地，所述波分复用器的波分复用片为980nm/1550nm波分复用片。

进一步地，所述光隔离器芯为单级隔离器，隔离度为30dB。

进一步地，所述耦合器、光隔离器芯和波分复用器均为标准器件，组装过程均采用五维调整架，封装均采用紫外胶。

一种饱和吸收体式光无源锁模器件的制备方法，包括以下步骤：

1)通过五维调整架精密调节相对空间位置，来组装耦合器的第一双光纤准直器和波分复用器的第二双光纤准直器，并涂紫外胶进行固定；

2)在耦合器的端面和/或波分复用器的端面粘贴薄膜饱和吸收体；将光隔离器芯嵌套到第一双光纤准直器或第二双光纤准直器上，并涂紫外胶固定；

3)通过五维调整架精密调节相对空间位置，来对准耦合器端口的第一双光纤准直器和波分复用器端口的第二双光纤准直器，完成空间光路的对准；

4)通过玻璃套管进行封装，固定住完成对准的空间光路，制得饱和吸收体式光无源锁模器件。

本发明的有益效果是：

1、该饱和吸收体式光无源锁模器件采用碳纳米管作为薄膜饱和吸收体的材料，具有生产成本低、制作方法简单、饱和阈值低、以及锁模运行稳定等优点。

2、该饱和吸收体式光无源锁模器件集成度高，可商品化，成本低廉。

3、该饱和吸收体式光无源锁模器件可承受很高的阈值功率，损伤阈值高，可用于光纤激光器中高功率脉冲的产生。

4、该饱和吸收体式光无源锁模器件用于光纤激光器，获得的光纤激光器结构简单紧凑，输出脉冲的光谱宽度和脉冲宽度恒定，抗外界环境干扰能力强。

5、该饱和吸收体式光无源锁模器件工作在1550nm波段，对应于光通信波段，因此在光通信、光学传感、光学检测方面有很大的应用前景。

6、该饱和吸收体式光无源锁模器件可以通过改变端面镀膜反射或透射的波段的方法，实现在1μm，2μm等其它波段的高集成化光无源锁模器件。

附图说明

图1为本发明饱和吸收体式光无源锁模器件的结构示意图；

图2为本发明饱和吸收体式光无源锁模器件的尺寸示意图；

图3为本发明中薄膜饱和吸收体的吸收谱；

图4为本发明应用于锁模光纤激光器的示意图；

图5为本发明应用于锁模光纤激光器中得到的锁模脉冲的光谱图；

图6为本发明应用于锁模光纤激光器中得到的锁模脉冲的自相关图；

图7为本发明应用于锁模光纤激光器中得到的锁模脉冲的示波器图；

图8为本发明应用于锁模光纤激光器中得到的锁模脉冲的频谱图；

图中，分光片1、膜饱和吸收体2、波分复用片3、第一双光纤准直器4、光隔离器芯5、第二双光纤准直器6、泵浦光源7、饱和吸收体式光无源锁模器件8、掺杂光纤9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种工作稳定，可承受高泵浦功率的饱和吸收体式光无源锁模器件，包括依次放置的耦合器、光隔离器芯5和波分复用器；所述耦合器包括第一双光纤准直器4和分光片1；所述波分复用器包括第二双光纤准直器6和波分复用片3；在耦合器的端面和/或波分复用器的端面覆盖薄膜饱和吸收体2；所述薄膜饱和吸收体2为具有饱和吸收特性的纳米材料；信号光通过光隔离器芯5实现单向传输，通过薄膜饱和吸收体2实现模式锁定。如图2的尺寸示意图所示，本发明饱和吸收体式光无源锁模器件具有结构紧凑，尺寸小的特点，可设计为外径4mm，长度24mm的圆柱体。

具体地，所述薄膜饱和吸收体2是由碳纳米管与聚乙烯醇混合制成的薄膜。所述薄膜饱和吸收体的制备方法为：将碳纳米管分散液与聚乙烯醇水溶液混合均匀后滴于表面皿上，蒸发烘干制成薄膜，薄膜厚度为10μm-100μm，然后将薄膜切成2mm²大的圆片。本实施例中薄膜厚度约为30μm。图3为薄膜饱和吸收体2的吸收谱，从吸收谱上可以看到薄膜饱和吸收体2的吸收峰在1.6μm附近，且带宽约为300nm，包含了掺铒光纤的整个增益光谱。

具体地，所述耦合器的第一双光纤准直器输出比例为10％，所述分光片1为1550nm波段的10/90分光片。所述波分复用器的波分复用片3为980nm/1550nm波分复用片。所述光隔离器芯5为单级隔离器，隔离度为30dB。所述耦合器、光隔离器芯5和波分复用器均为标准器件，组装过程均采用五维调整架，封装均采用紫外胶。

该饱和吸收体式光无源锁模器件的制备方法，包括以下步骤：

1)通过五维调整架精密调节相对空间位置，来组装耦合器的第一双光纤准直器和波分复用器的第二双光纤准直器，并涂紫外胶进行固定；

2)在耦合器的端面和/或波分复用器的端面粘贴薄膜饱和吸收体；将光隔离器芯嵌套到第一双光纤准直器或第二双光纤准直器上，并涂紫外胶固定；

3)通过五维调整架精密调节相对空间位置，来对准耦合器端口的第一双光纤准直器和波分复用器端口的第二双光纤准直器，完成空间光路的对准；

4)通过玻璃套管进行封装，固定住完成对准的空间光路，制得饱和吸收体式光无源锁模器件。

该饱和吸收体式光无源锁模器件8应用于锁模光纤激光器中，可得到结构简单紧凑、工作稳定的光纤激光器。如图4所示，该光纤激光器只有三个部分，分别为泵浦光源7、掺杂光纤9、饱和吸收体式光无源锁模器件8。光纤激光器中的器件间连接均采用单模光纤熔接。泵浦光源7选用工作波长为980nm的单模半导体激光器，通过980nm/1550nm波分复用器端口为掺铒光纤提供泵浦功率；掺铒光纤的型号为Coractive C300，在1550nm处色散系数为-9ps/nm/km，长度为3m；耦合器端口输出比例为10％。饱和吸收体式光无源锁模器件8的光隔离器芯5保证激光器单向运转。器件尾纤及腔内其他单模光纤长度约为14m，在1550nm处色散系数D约为17ps/nm/km。实验中使用光谱分析仪(YOKOGAWA-6370B)来监测输出脉冲的光谱，使用自相关仪测量输出脉冲的宽度。使用10-GHz光电探测器将输出脉冲转化为电信号后，用示波器观察激光器的输出脉冲序列。

本发明工作原理如下：

本发明中1550nm的信号光从第一双光纤准直器4的90％端口进入准直器，在分光片1处10％的信号光被反射回去，从10％的端口输出；透射的90％信号光继续通过光隔离器芯5，实现信号光的单向传输；单向传输的信号光经过薄膜饱和吸收体2，与薄膜中的碳纳米管相互作用，在碳纳米管的饱和吸收作用下，实现模式锁定；信号光通过波分复用片3进入第二双光纤准直器6，最后在第二双光纤准直器6的1550nm端口输出；980nm的泵浦光从第一双光纤准直器6的980nm端口输入，在980nm/1550nm波分复用片3处反射进入1550nm端口中，连接掺铒增益光纤为光纤激光器提供泵浦能量。图4中提供的光纤激光器能够实现自启动锁模。980nm的泵浦光从泵浦光源7输出，进入饱和吸收体式光无源锁模器件8的波分复用端口，在980nm/1550nm波分复用片处反射进入掺铒光纤转化为1550nm的信号光；1550nm信号光进入饱和吸收体式光无源锁模器件8的耦合器端口，在10/90的分光片作用下，10％的信号光反射进入输出端口，输出到谐振腔外进行探测；90％的信号光进入光无源锁模器件8中单向传输，并与薄膜饱和吸收体2相互作用，在碳纳米管的饱和吸收作用下实现模式锁定，光纤激光器输出超短锁模脉冲。

本发明的实验结果如下：

当阈值功率约17mW时，光纤激光器可以实现自启动锁模。图5分别为光纤激光器输出的传统孤子的光谱图，传统孤子的中心波长为1560nm，光谱半高全宽约为3.5nm。图6为传统孤子的自相关图，黑色圆圈为实验数据，黑色曲线为sech²的拟合曲线，孤子的脉冲宽度为958fs，其时间带宽机为0.42。图7为传统孤子单脉冲孤子的序列图，其中孤子的脉冲周期约为83ns，对应腔长为17m。图7为传统孤子的频谱图，重复频率为11.97MHz，对应孤子的脉冲周期，其中脉冲的信噪比为50dB，说明该脉冲的工作在很稳定的状态。该饱和吸收体式光无源锁模器件可以承受很高的泵浦能量，实验中将泵浦功率增加到550mW时，锁模脉冲仍然可以稳定运行，且薄膜饱和吸收体没有受到损坏。

综上所述，本发明提供的饱和吸收体式的光无源锁模器件具有结构紧凑，尺寸小和损伤阈值高等突出优点，通过将饱和吸收体嵌入到空间光路中的设计，提高了饱和吸收体的损伤阈值，减少了光纤激光器中元件的数目。该器件应用于光纤激光器中，输出锁模脉冲具有状态稳定，抗外界环境干扰能力强的特点。