专利名称：一种室温工作的多波长同时激射的掺铒光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，特别涉及多波长同时激射的掺铒光纤激光器结构设计。
背景技术：
当前，波分复用(WDM)技术已经成为长距离通信干线和光网络的主流技术。波分复用技术就是为了充分利用光纤低损耗窗口的带宽资源，把多个不同波长的光信号组合到一起在一根光纤中传输，因此，多波长激光光源是不可缺少的。传统的多波长信号源由一系列单波长DFB半导体激光器组合而成，技术相对简单，缺点是系统庞大、成本高，在考虑带有光交叉节点的光网络时问题就更加突出。从简化系统结构、便于运行维护和降低成本的角度考虑，特别在系统部件调试或元器件测试的场合，能够同时给出多个波长输出的激光光源有很大的优势。此外，宽带多波长激光器在光传感领域也有着广泛的应用。
针对这一应用目标，人们做了不少研究。Rie Hayashi等人在2003年12月在光子技术快报(IEEE Photonics Technology Letters)上发表的题为“16-Wavelength 10-GHzActively Mode-Locked Fiber Laser With Demultiplexed Outputs Anchored on theITU-T Grid”文章中，采用冷却到液氮温度(77K)的掺铒光纤为增益介质，采用环形器、铌酸锂外调制器等构成的反馈环作为谐振腔的一端，一个反射率为90％的波导阵列作为谐振腔的另一端同时也作为波长选择器，实现了同时16个波长、重复率10GHz、波长间隔100GHz的锁模脉冲输出。采用掺铒光纤实现多波长输出的一个致命问题是，掺铒光纤属于均匀展宽介质，只有在很低的温度下才可能实现多波长同时稳定振荡，这在实用场合将是个很大的问题。
K.Cheng，等人在2003年的国际光通信年会(OFC’2003)上发表了题为“All-FiberRoom Temperature Multi-Frequency Laser with Ultra Low Cavity Loss”的文章，报道了在掺铒光纤谐振腔内引入声光移频机制，结合使用熔烧双锥光纤梳状滤波器和增益平坦滤波器在室温下实现了多波长输出。Yong Wook Lee等人2004年1月在光子技术快报(IEEE Photonics Technology Letters)上发表的题为“Multiwavelength-Switchable SOA-Fiber Ring Laser Based onPolarization-Maintaining Fiber Loop Mirror and Polarization Beam Splitter”文章中，报道了采用半导体放大器(SOA)作增益介质，采用保偏光纤反射环镜和偏振分光器等构成梳状滤波器，室温下实现了17个波长输出。Nam Seong Kim等人在2002年国际光通信年会(OFC’2002)发表的文章“CW Depolarized Multiwavelength RamanFiber Ring Laser with over 58 channels and 50GHz Channel spacing”中，报道采用3个波长的6个半导体激光器泵浦的16km长色散补偿光纤(DCF)得到的拉曼增益，采用光纤F-P可调滤波器作为波长选择元件，在环形腔结构上实现了多达58个波长的输出，波长间隔为50GHz。采用半导体SOA或拉曼增益，或者采用声光移频的方法都可以克服均匀展宽问题，在室温下就可以实现多波长振荡。但是，半导体SOA不是全光纤器件，耦合损耗偏大，输出功率受到限制；拉曼增益系数较小，一般要求较长的光纤长度和较大的泵浦功率，这对输出特性的改善有很大的限制；而采用声光移频的办法对设备的要求又比较苛刻等等。另一方面，采用光纤参量增益也可以实现多波长同时振荡，相同光纤的参量增益系数比拉曼增益系数稍高，但在相位匹配和泵浦光的质量方面的要求比拉曼增益要求高，目前还在研究阶段。总之，到目前为止，同时实现多波长输出的激光器的技术尚不能满足应用的需求。
发明内容
本发明为了克服已有技术的不足之处，提出一种新结构的环形腔掺铒光纤激光器，这种结构在环形腔内引入参量四波混频的机制，利用这种机制可以抑制掺铒光纤的均匀展宽特性，在室温下就可以实现多波长同时激射。本发明只需引入一段无源的高非线性光纤，结构简单，容易实现。
本发明提出的一种室温工作的多波长同时激射的掺铒光纤激光器，由掺铒光纤放大器、输出耦合器和梳状滤波器连接构成环形激光腔，其特征在于，在该环形激光腔内至少插入一段高非线性光纤。
所述掺铒光纤放大器目前有多种商用产品可供选择，例如C波段放大器，L波段放大器或者C+L波段放大器，可以根据多波长激光器的应用目标所要求的波段范围来选择。
所述高非线性光纤目前已有商用产品可供选择。高非线性光纤的零色散波长应当选在在掺铒光纤的增益波长范围附近。
所述梳状滤波器可以采用熔烧双锥光纤、双折射光纤环镜、法布里-珀罗腔等多种方法实现，是光电子领域比较成熟的技术，在各种多波长激光器中已经普遍采用。目前已有商用产品可供选择。
所述输出耦合器为常规产品。
本发明的工作原理本发明提出的室温多波长掺铒光纤激光器的基本结构如图1所示。这是一个环形腔结构，由掺铒光纤放大器11、输出耦合器12、高非线性光纤14和梳状滤波器13一一相连构成。与普通环形腔掺铒光纤激光器的区别是插入了一段高非线性光纤和一个梳状滤波器，而梳状滤波器在其它方法实现的多波长激光器中已经普遍采用。掺铒光纤放大器中含有光隔离器，因此腔内的光只能单向运行。根据激光器的基本原理，在普通环形腔掺铒光纤激光器中(即从图1所示结构中去掉高非线光纤和梳状滤波器)，激光振荡首先在腔损耗最小、一般是掺铒光纤放大器增益最大的波长处产生。实际情况中，即使环腔中的掺铒光纤放大器采用了增益平坦滤波措施，各波长处的增益也不可能完全相同，激光振荡就会在增益最高的波长处首先开始振荡，一般是多模振荡。如果掺铒光纤的增益谱中存在几个大小比较接近的最大值，振荡有可能在这些最大值处同时发生，即几个波长可能同时振荡。但是，由掺铒光纤的均匀展宽特性决定，发生振荡的模式之间存在竞争，此起彼伏，很不稳定。
当在环形腔内加入梳状滤波器和高非线性光纤之后，一方面，发生振荡的波长除了受掺铒光纤放大器增益最大值的影响之外，同时还要受到滤波器透过峰的影响。只有增益较大同时又在滤波器透过峰处的波长才能发生振荡，但这不改变多模振荡和模式之间相互竞争的局面。另一方面，不同波长的光进入高非线性光纤之后发生参量四波混频，混频的结果使光功率从功率较大的波长向功率较小的波长发生转移，即原本功率小的波长得到了增益而原本功率大的波长受到损耗(负增益)。得到增益的波长如果落在梳状滤波器的透过峰内，就可以再次进入掺铒光纤并且像输入信号光那样得到掺铒光纤的增益，这种增益过程消耗掺铒光纤中的上能级粒子数，对最早发生的振荡有一种消弱作用。经过多次循环之后，腔内各波长的功率达到一种平衡，所有那些增益足以克服损耗的波长都可以维持振荡。因此，通常情况下掺铒光纤的均匀展宽特性受到抑制，室温下多波长同时稳定的激射得以实现。
衡量多波长激光器的技术指标有输出波长数、覆盖的波长范围(带宽)、各波长功率的差异(起伏程度)、输出功率、消光比以及波长间隔、各波长的谱线宽度等。其中关键的技术指标是覆盖的波长范围、起伏程度和消光比。理论和实验研究结果证明，覆盖的波长范围主要取决于掺铒光纤放大器的平坦增益带宽，放大器的平坦增益带宽越宽，可能达到的覆盖波长范围越大。消光比和梳状滤波器的对比度有关，但主要取决于掺铒光纤放大器输出的放大自发辐射(ASE)基底。而起伏程度除了和放大器的平坦增益带宽有关之外，主要取决于各波长的光在高非线性光纤中获得的参量四波混频增益，因为这种四波混频是实现多波长稳定振荡的关键。理论上，在对数坐标下，起伏程度与输入高非线性光纤的平均功率密度、高非线性光纤的非线性系数和有效长度三个量的乘积成负线性关系，下面通过实施例将证明这一点。
因此，当要求多波长输出覆盖的波长范围较大而且起伏程度尽可能小的时候，选择的掺铒光纤放大器应当具有增益谱平坦的特性以保证宽的平坦增益带宽，在足以克服腔损耗的前提下锁定增益应尽可能低而输出功率大。增益低可以使ASE基底低而输出的多波长激光的消光比高，功率大有利于减小起伏程度并且提高输出功率。高非线性光纤除了要求零色散波长在掺铒光纤的增益波长附近之外，还应当要求非线性系数高，色散小，色散斜率尽可能平坦。同时，高非线性光纤的长度在不使环形腔总损耗超过放大器增益的前提下可以适当加长，采用现有产品的高非线性光纤一般在500m～2000m左右，以产生足够强的参量四波混频。输出多波长激光的波长间隔取决于梳状滤波器的波长间隔，覆盖波长范围和波长间隔决定之后，输出波长数就已确定。多波长输出的谱线宽度与梳状滤波器每个“齿”的宽度有很大关系，而振荡输出的激光的谱线宽度一般会比“齿”的宽带要小。因此梳状滤波器的波长范围、波长间隔和齿宽度等参数可以根据应用要求来确定。
从实现多波长稳定振荡的目标而言，环形腔中掺铒光纤放大器、输出耦合器、高非线性光纤和梳状滤波器可以按任意顺序连接。但是，当输出的功率比例比较高的时候，如果把输出耦合器放在高非线性光纤的输入端，会影响输入到高非线性光纤的功率密度；而当功率密度比较高的时候，高非线性光纤中的四波混频过程会使单个波长的谱线加宽，因此如果把输出耦合器放在高非线性光纤的输出端有可能得到略为加宽的谱线宽度。这些细微的差别可以根据应用的要求进行选择或折中。
本发明的特点及效果本发明的结构综合利用了掺铒光纤增益高、泵浦转换效率高的优点和高非线性光纤中参量四波混频效应造成的能量从高功率的波长向低功率波长扩散的特点，有效抑制了掺铒光纤的均匀展宽特性，在室温下实现多波长同时激射。
图1为本发明提出的多波长掺铒光纤激光器的原理结构示意图；图2为本发明实施例一，C波段宽带多波长掺铒光纤激光器实验装置图；图3为本发明实施例一，在室温下测量得到的C波段宽带多波长输出激光光谱；图4为针对图2所示装置测量得到的输出激光光谱起伏程度与高非线性光纤输入总功率、高非线性光纤的非线性系数和非线性有效长度乘积之间的关系；图5为本发明实施例二，C+L波段宽带多波长掺铒光纤激光器实验装置图；图6为本发明实施例二，在室温下测量得到的C+L波段多波长输出激光光谱。
具体实施例方式
对本发明提出的室温宽带多波长同时激射的掺铒光纤激光器，结合实施例及附图详细说明如下实施例一，室温下多波长同时激射的掺铒光纤激光器结构如图2所示。掺铒光纤放大器21、可变光衰减器251、耦合比为10∶90的定向耦合器22、高非线性光纤24、梳状滤波器23和可变光衰减器252按顺序依次连接构成环形激光腔。其中，定向耦合器的公共端221与可变光衰减器251相连，90％端223与高非线性光纤24相连，10％端222为环形腔的输出端。掺铒光纤放大器具有增益谱自动平坦锁定功能，增益波长覆盖C波段范围，平坦增益24dB，最大输出功率18dBm。高非线性光纤长1450米，零色散波长在1548nm，1550nm处色散斜率为0.0155ps/nm2·km，非线性系数为11.9W-1km-1，损耗系数为0.73dB/km。梳状滤波器是一个利用高双折射光纤构成的Sagnac干涉环滤波器，滤波峰的间隔周期为0.31nm。耦合比为10∶90的定向耦合器使腔内10％的光被耦合输出，其余90％的光反馈回到腔内。可变光衰减器251用于调整进入高非线性光纤的功率大小，而可变光衰减器252用于调节腔的总损耗，使得振荡回到掺铒光纤放大器的功率水平保持在放大器的锁定输入范围之内，以得到各波长功率比较均等的多波长激光输出。实际使用时，可以通过改变定向耦合器22的耦合比、掺铒光纤放大器的增益水平和输入动态范围来实现这种调整，这时，251和252可以取消。
本实施例用光谱仪在输出端测量得到的输出光谱如图3所示。在从1539.28nm到1564.02nm的波长范围内有81个波长激光输出，波长间隔为0.31nm，由所用梳状滤波器的波长间隔决定。图3的插图扩大显示了81个输出波长中的少数几个，可以看到，各波长的输出谱线非常规整，实际上也非常稳定。由插图还可以看到，输出激光谱线的消光比接近30dB，明显大于梳状滤波器约20dB的对比度。图3所示的输出光谱中，各波长的输出功率水平有一定的差异，在波长1543nm附近和1555nm附近功率比较高，中间的1547nm附近大约要低7dB。这是由掺铒光纤放大器在1543nm和1555nm附近增益略高而激光振荡最先在那里开始造成的。图4表示根据实验数据总结得到的多波长激光器输出光谱的功率起伏程度与高非线性光纤的输入总功率、高非线性光纤的非线性系数和非线性有效长度乘积PtotγLeff之间的关系，这里，增益起伏定义为输出功率最大值和中间凹陷处最小值的功率差，以dB表示。图4的曲线说明增大高非线性光纤的输入总功率、高非线性光纤的非线性系数或长度有利于减小输出谱中各波长的功率起伏。需要说明的是，在测量图4所示的实验数据过程中，覆盖的波长范围始终没有变，如果将输入总功率除以覆盖的波长范围，可以得到起伏程度与平均功率密度也有类似的负线性关系。另外，非线性有效长度与光纤的实际长度以及损耗系数有关，对于相同长度的光纤，损耗越大，有效长度越短。
实施例二，室温下C+L波段宽带多波长同时激射的掺铒光纤激光器结构如图5所示。与图2所示结构不同的是，本实施例使用的参铒光纤放大器由C波段放大和L波段放大两个分支并联组成。其中，C波段分支由一台C波段掺铒光纤放大器511和与其输入端相连的可变光衰减器551组成，L波段分支由一个长波损耗器56、可变光衰减器552以及一台L波段掺铒光纤放大器512按顺序连接构成。两个分支由两只C+L波分复用耦合器521和522并联连接构成C+L宽带放大组合。C+L宽带放大组合、高非线性光纤54、梳状滤波器53和10∶90定向耦合器523按顺序依次连接构成环形激光腔。C+L波分复用耦合器521的5212端和5213端分别与可变光衰减器551和长波损耗器56相连。5211端与与10∶90定向耦合器523的5233(90％)相连。C+L波分复用耦合器522的5222端和5223端分别与C波段掺铒光纤放大器511的输出端和L波段掺铒光纤放大器512的输出端相连。5221端与高非线性光纤54相连。梳状滤波器53与10∶90定向耦合器523的公共端5231端相连，5232(10％)为环形腔的输出端。
C波段和L波段两台掺铒光纤放大器均具有增益谱自动平坦锁定功能，平坦增益均为24dB，各自的最大输出功率为18dBm。长波损耗器56是一个利用弯曲光纤制作的器件，对光的损耗随波长加长而增大。所用高非线性光纤与图2所用的相同。梳状滤波器是一个基于F-P腔的产品滤波器(Micron Optics，Inc)，同时覆盖C和L波段，波长间隔0.8nm，插入损耗2dB，对比度28dB。可变光衰减器551和552用来分别调整进入C波段和L波段掺铒光纤放大器的功率水平，以得到尽可能平坦的多波长输出激光谱。
如果掺铒光纤放大器的输出功率足够大，长波损耗器56并非必须。另外，可变光衰减器551和552的损耗也可以降低甚至取消。但在本实施例的实验条件下，掺铒光纤放大器511和512的最大输出功率有限，而512的输出谱相当平坦以至可以有多达4个波长的同时起始振荡，结果造成输入到高非线性光纤54的功率谱密度过低而不能达到所要求的参量四波混频效应，即输出的多波长激光谱中各波长的功率差别较大。长波损耗器56的引入加上可变光衰减器552的恰当调整，使得L波段最长波长的部分振荡受到抑制而较短波长的部分功率相对集中，最后得到比较平坦的谱输出。
图6所示是实施例二测量得到的C+L波段宽带多波长同时振荡的输出光谱图。输出谱在从1539.53nm到1562.79nm的范围内有30个波长的输出，在从1567.69nm到1583.44nm的范围内有20个波长输出，波长间隔为0.8nm。使用光谱仪在分辩率为0.01nm的条件下测量得到输出光谱中单一波长的-10dB线宽为0.0432nm，明显比梳状滤波器原有的线宽(0.0844nm)要窄。输出谱的消光比大于33dB，也比梳状滤波器的对比度(28dB)要高，说明输出的确实是振荡激射输出。
权利要求
1.一种室温工作的多波长同时激射的掺铒光纤激光器，由掺铒光纤放大器、输出耦合器和梳状滤波器连接构成环形激光腔，其特征在于，在该环形激光腔内至少插入一段高非线性光纤。
全文摘要
本发明涉及一种室温工作的多波长同时激射的掺铒光纤激光器，属于激光技术领域。本发明由掺铒光纤放大器、输出耦合器和梳状滤波器连接构成环形激光腔，其特征在于，在该环形激光腔内至少插入一段高非线性光纤。本发明的结构综合利用了掺铒光纤增益高、泵浦转换效率高的优点和高非线性光纤中参量四波混频效应造成的能量从高功率的波长向低功率波长扩散的特点，有效抑制了掺铒光纤的均匀展宽特性，在室温下实现多波长同时激射。
文档编号H04J14/00GK1588151SQ200410069040
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者刘小明, 王青 申请人:清华大学