专利名称：分布反馈光纤激光器调频、降噪的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光器领域，特别是输出频率可 调，低噪声的分布反馈光纤激光器。主要用于激光光 源和光纤传感领域。
背學技术
以掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器，具有与
光纤兼容性好、线宽窄、波长可控等优点，在高灵敏
度的干涉仪、高精细光谱、密集波分复用通信、光孤
子通信以及光传感等领域有着广泛的应用。直腔结构
的光纤激光器分为分布布拉格反射(DBR)和分布反馈
cDFB)两种结构，与DBR光纤激光器相比，DFB光纤
激光器采用单一相移光栅提供反馈和波长选择，输出
为单纵模，不存在模式跳变，相对强度噪声和频率噪
声低，无论是作为光源还是作为传感元件，DFB光纤激
光器更具有优势，因此DFB光纤激光器日益成为光纤
激光器领域的研究热点。DFB光纤激光器的输出波长有相移光栅的有效折 射率、相移量和光栅周期等参数决定，当相移量为 ^ 时激光器的阈值功率最低，且输出波长为布拉格波长，
在制作过程中采用遮挡法获得等效的相移光栅。DFB光纤激光器在外界应力、温度变化时都将引起有效折
射率和光栅周期的变化，从而导致激光器的输出波长
改变。采用温度调谐，随着对温度调节系统的精度的
提高，其成本呈指数上涨，同时当温度调节响应速度
，并且温度调节系统将可能会增加DFB光纤激光器
的卖A噪声水平。
外界环境存在的热扰动，机械振动，声扰动等都
将在DFB光纤激光器中引入噪声，通过隔热、防震、
隔声封装可以消除、消弱这些噪声源泵浦源功率和
偏振态发生变化时也将引起DFB光纤激光器输出频率
的扰动，即引入频率噪声。DFB光纤激光器的固有噪声
主要包括1 /f噪声、热噪声、散粒噪声和白发辐射引
入的噪声。散粒噪声和自发辐射引入的噪声同输出光
的平方根成反比，通过增加输出功率可以减小两者的
影响，使其比1 /f噪声和热噪声低12个数量级
而1/f噪声，热噪声，驰豫振荡引入的噪声与有源光
纤的材料相关，通过优化光纤激光器的结构参数并不
能降低其噪声水平。
发明内容
本发明的百的在于，提供 一 种分布反馈光纤激光
器调频、降噪的装置，其可满足DFB光纤激光器快速
调频，以及激光光源、高精度光纤传感对激光器低噪
声水平的要求该发明采用压电陶瓷应力调频和降噪，克服T温度调频响应t曼，成本高等不足。
本发明的技术解决方案如下
本发明种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的
装置，其特征在于，包括
一半导体激光器，用于泵浦有源光纤，实现粒子
数反转；
一第一波分复用班 翁，该第一波分复用器的9 S 0
端与半导体激光器的输出端连接；
一第一光隔呙器，该第一光隔离器的输入端与第
波分复用器的1 55o端连接，用于隔离反向传播
的光
一有源相移光栅，该有源相移光栅的 一 端与波分
复用器的合波一山 顿连接，用于提供光学增益和反馈；
__ ，lY ——光隔尚器，该第二光隔离器的输入端与有
源相移光栅的另一山 一 乂而连接，用于隔离反向传播的光；第波分复用器，该第二波分复用器的合波顺
与第一光隔离器的输出端连接；
偏振控制器该偏振控制器的i山 一顺与第波分
复用器的1550上山 顺连接，用于调节光的偏振态优化
偏振方向
测量反馈部，该测量反馈部与偏振控制器的另
端连接，用于实现频率噪，關i ;
控制部该控制部的输入端与测量反馈部的输
出一山 顿连接用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪。
其中所述的测量反馈部包括
一第一3db耦合器、第二3 db耦合器、第二3db耦合器的-
一第 一 光电探测器，该第一 与第二 3 db耦合器的一端连接；
一第二光电探测器，该第二 与第二3db耦合器的一端连接；
一差分放大器，该差分放大器的两输入端分别与 第 一 光电探测器和第二光电探测器的输出端连接；
一积分器，该积分器的输入端与差分放大器的输 出端连接，用于获得 一 定时间内外界干扰的平均值；
db耦合器，该第一 3
端用 一 光纤连接；
光电探测器的输入端
光电探测器的输入端一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与积分器 的输出端连接；
一压电陶瓷管，该压电陶瓷管的输入端与低通滤
波器的输出端连接；
该压电陶瓷管上缠绕有光纤，该光纤的两端分别
与第一3db耦合器、第二3db耦合器连接，用于提供 相位补偿使得测量反馈部工作在最灵敏处。
其中所述的控制部包括
一高通滤波器，用于获得频率噪声；
一模拟加法器，该模拟加法器的 一 输入端与高通 滤波器的输出端连接；
一可调电压源，该可调电压源与模拟加法器的另 一输入端连接，用于提供调频的电压信号；
一可调电压放大器，该可调电压放大器的输入端 与模拟加法器的输出端连接；
一压电陶瓷片，该压电陶瓷片与可调电压放大器 的输出端连接，该压电陶瓷片上粘贴有源相移光栅， 用于提供调频、降噪所需的应力。
其中所述的分布反馈光纤激光器的有源相移光栅 为等效^相移光栅。
本发明的突出优点1)本发明采用压电陶瓷在外加电压下产生应
力的调频方式，比温度调节响应快，精度高，成本低。
c2)本发明采用M— Z干涉仪以及差分放大电路，
把频率噪声转化为电压信号，并结合可调电压源，把
电信号作用于压电陶瓷片上产生应力，同时实现了降
低光纤激光器的频率噪声水平和调节输出频率的目
的提咼了光纤激光器的性能。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合
实施例及附图详细说明如后，其中
图1是本发明DFB光纤激光器调频、降噪的装置
的结构示意图。
图中l为9 8 0 nm半导体激光器，2a、 2b分 别为第一、第二波分复用器，3为有源相移光栅，4a、 4 b分别为第 一 、第二光隔离器，5为偏振控制器，6 a、 6b分别为第一、第二3dB耦合器，7a、 7b分别 为第 一 、第二光电探测器，8为差分放大器，9为积 分器，IO为低通滤波器，ll为高通滤波器，12 为可调电压源，1 3为模拟加法器，1 4为可调电压 放大器，15为压电陶瓷管，16为压电陶瓷片。員体实施方式 下面结合附图对本发明作进 一 步说明。
请参阅图l所示，本发明 一 种分布反馈光纤激光
器的调频、降噪的装置，其特征在于，包括
一半导体激光器1 ，用于泵浦有源光纤实现粒
子数反转；
一第一波分复用器2a，该第一波分复用器2的
980端与半导体激光器1的输出端连接；
一第一光隔离器4a，该第一光隔离器461的输入
上山 顿与第一波分复用器2a的l 5 5 0端连接，用于隔离
反向传播的光
一有源相移光栅3，该有源相移光栅3的端与
波分复用器2a 1的合波端连接，用于提供光学增、A和反
馈，该分布反馈光纤激光器的有源相移光栅3为等效
相移光栅；
一第二光隔离器4b，该第二光隔离器4b的输入端与有源相移光栅3的另一端连接，用于隔离反向传播的光；
一第二波分复用器2 b ，该第二波分复用器2b的
合波顺与果—光隔离器4b的输出端连接；
一偏振控制器5 ，该偏振控制器5的一一山 顺与第一波分复用器2b的l55 O端连接，用于调节光的偏振
态优化偏振方向；
一测量反馈部1 0 0 ，该测量反馈部1 0 0与偏 振控制器5的另 一 端连接，用于实现频率噪声的测量， 该测量反馈部1 0 0包括
一第一3db耦合器6a、第二3db耦合器6b，该 第一 3 db耦合器6 a、第二 3 db耦合器6 b的 一 端用一 光纤连接；
一第一光电探测器7a，该第一光电探测器7a的 输入端与第二 3 db耦合器6 b的一端连接；
一第二光电探测器7b，该第二光电探测器7b的 输入端与第二 3 db耦合器6 b的一端连接；
-差分放大器8，该差分放大器8的两输入端分
别与第光电探测器7 a和第二光电探测器7 b的输出端连接
积分器9 ，该积分器9的输入端与差分放大器
8的输出i山 顿连接，用于获得 一 定时间内外界干扰的平
均值；
—低通滤波器1 0 ，该低通滤波器1 0的输"X l山 入顺
与积分器9的输出端连接；
压电陶瓷管l 5，该压电陶瓷管l 5的输、 l山 入乂而
与低通滤波器1 0的输出端连接；该压电陶瓷管15上缠绕有光纤，该光纤的两端
分别与第3db親合器6a、第二 3 db耦合器6 b连接，
用于提供相位补偿使得测量反馈部工作在最灵敏处；
控制部90该控制部9 0的输入端与测量反
馈部100的输出一山 乂而连接，用于实现对DFB光纤光纤
激光器的调频和降噪，该控制部9 0包括
高通滤波器11，用于获得频率噪声；
模拟加法器13，该模拟加法器1 3的 一 输入
丄山 顺与咼通滤波器11的输出端连接；
—可调电压源12，该可调电压源1 2与模拟加
法器i3的另输入上山 顺连接，用于提供调频的电压信
号
可调电压放大器14 ，该可调电压放大器1 4
的输入顿与模拟加法器13的输出端连接；
压电陶瓷片16，该压电陶瓷片1 6与可调电
压放大器14的输出端连接，该压电陶瓷片1 6上粘
贴有源相移光士nn 微3，用于提供调频、降噪所需的应力。
98 Onm的半导体激光器l接第一波分复用器2
a的98 0端，抽运光经第一波分复用器2a的合波一山 顺
泵浦有源相移光栅3，产生的反向激光经第二波分复
用器2b的1 5 5 0端和第 一 光隔离器4 a输出，产生
的正向激光经第二光隔离器4b，从第二波分复用祖 益2b的1550端进入偏振控制器5 ，然后进入测量反馈
部100光隔离器4a、4b的作用是防止反射光对
谐振腔的影响，偏振控制器5的作用是优化进入测量
反馈部100激光的偏振态。
有源相移光栅3为等效jt相移光栅，它的特点在
于i，反射谱和透射谱处形成一个透射窗，窗的中
心为布拉格波长& = 2"￡#A， 为光纤的有效折射率，
为光栅的周期。2 ，与非相移光栅相比，增益阈值
最低，也就是激光激射时对应的泵浦光功率最低。在
外界泵浦光的作用下，有源光纤实现粒子数反转，等
效相移光栅提供谐振腔，光子振荡放大形成激光，
输出波长为布拉格波长。在实际应用中为了降低外界
环境的干扰，对整个结构采用防声，减震的材料封装，有效屏蔽外界振动和空气扰动对激光器的影响，提咼
了输出光功率的稳定性和波长稳定性。
激光经过第一、第二3dB耦合器6a、 6b以及连
接用的光纤组成的M—Z干涉仪，进入第一、第二光电
探祖 益7a 、7 b ，两光电探测器的输出信号分别为其中'V ， ^分别为光纤激光器和外界扰动引
入的相位，激光器频率噪声引起相位^的变化，频率噪 声主要为高频，外界干扰导致相位。"的变化，频率成 分主要为低频。
两光电探测器的输出信号^、 ^，经差分放大器S
之后输出信号为
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中k为差分放大器的放大倍数。经积分器9在
定时间长度取平均，可以得到外界干扰量 的平均
值经低通滤波器lo在干涉仪一臂缠有光纤的压
电陶瓷管上加 一 反馈控制电压，产生 一 控制相位①p，使
的干涉仪— 1 工作在最高灵敏度点上，即 P 、 2;。
另一路经高通滤波器11得到光纤激光器的频率噪声
信号该电压信号和可调电压源1 2的输出电压^，经
模拟加法器l 3，可调电压放大器l 4后加载在压电
陶瓷片16上。
可调电压源的输出电压信号作用于压电陶瓷，产 生一个正比于电压强度的恒定应变，相移光栅在该应力的作用
为应变灵
光器的输
经高
入的相位
△A A" ——+ —
义=A: * f z * A
，其中k 从而调节光纤激
oc AO丄=-
其中n为光纤的有效折射率，c为光速，AL为干涉
仪的臂长差，^为光纤激光器频率的变化量。该电压
信
号产生的应力用于时时抵消的变化，即当为正值 时，对应^向短波方向变化，^为正比于Av的正电压， 压电陶瓷产生拉力，使向长波方向移动，Av减小，当
Av为负值时刚好相反，从而实现了降噪的作用。
在实际使用时应合理的优化可调电压源l 2输出 电压^ ，经高通滤波器得到的电压信号F"以及可调电压 放大器增益系数之间的关系，这样才能有效地实现DFB 光纤激光器调频和降噪的目的。
权利要求
1. 一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，其特征在于，包括一半导体激光器，用于泵浦有源光纤，实现粒子数反转；一第一波分复用器，该第一波分复用器的980端与半导体激光器的输出端连接；一第一光隔离器，该第一光隔离器的输入端与第一波分复用器的1550端连接，用于隔离反向传播的光；一有源相移光栅，该有源相移光栅的一端与波分复用器的合波端连接，用于提供光学增益和反馈；一第二光隔离器，该第二光隔离器的输入端与有源相移光栅的另一端连接，用于隔离反向传播的光；一第二波分复用器，该第二波分复用器的合波端与第二光隔离器的输出端连接；一偏振控制器，该偏振控制器的一端与第二波分复用器的1550端连接，用于调节光的偏振态优化偏振方向；一测量反馈部，该测量反馈部与偏振控制器的另一端连接，用于实现频率噪声的测量；一控制部，该控制部的输入端与测量反馈部的输出端连接，用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪。
2 .如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的 调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的测量反 馈部包括第3 db稱合器、第二3db耦合器，该第一3db耦合'器第二3 db賴區合器的一端用一光纤连接；第光电探测器，该第 一 光电探测器的输入A山 顺与第二3db孝禺*器的一端连接；第~■光电探测器，该第二光电探测器的输入端与第二3db孝禺t器的一端连接；差分放大器 > 该差分放大器的两输入端分别与第 一 光电探测器和第二光电探测器的输出端连接；积分器，该积分器的输入端与差分放大器的输出端连接，用于获得一定对间内外界干扰的平均值；—低通滤波器，该低通滤波器的输入端与积分器的输出上山 顺连接；压电陶瓷管，该压电陶瓷管的输入端与低通滤波器的输出端连接；该压电陶瓷管上缠绕有光纤，该光纤的两端分别与第一3db耦合器、第二3db耦合器连接，用于提供相位补偿使得测量反馈部工作在最灵敏处。
3 .如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的 调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的控制部 包括 一一高通滤波器，用于获得频率噪声；一模拟加法器，该模拟加法器的 一 输入端与高通滤波器的输出端连接；一可调电压源，该可调电压源与模拟加法器的另 一输入端连接，用于提供调频的电压信号；一可调电压放大器，该可调电压放大器的输入端 与模拟加法器的输出端连接；一压电陶瓷片，该压电陶瓷片与可调电压放大器 的输出端连接，该压电陶瓷片上粘贴有源相移光栅， 用于提供调频、降噪所需的应力。
4 .如权利要求1所述的分布反馈光纤激光器的 调频、降噪的装置，其特征在于，其中所述的分布反 馈光纤激光器的有源相移光栅为等效n相移光栅。
全文摘要
一种分布反馈光纤激光器的调频、降噪的装置，包括一半导体激光器；一第一波分复用器的980端与半导体激光器的输出端连接；一第一光隔离器的输入端与第一波分复用器的1550端连接；一有源相移光栅的一端与波分复用器的合波端连接；一第二光隔离器的输入端与有源相移光栅的另一端连接；一第二波分复用器的合波端与第二光隔离器的输出端连接；一偏振控制器的一端与第二波分复用器的1550端连接；一测量反馈部与偏振控制器的另一端连接；一控制部，该控制部的输入端与测量反馈部的输出端连接，用于实现对DFB光纤光纤激光器的调频和降噪。
文档编号G02F1/35GK101425655SQ20071017660
公开日2009年5月6日 申请日期2007年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者刘育梁, 徐团伟, 芳 李 申请人:中国科学院半导体研究所