专利名称：一种双波长单纵模光纤环行激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤环行激光器，特别是涉及一种双波长单纵模光纤环形激光器，可广泛用于光纤无线通信ROF (Radio Over Fiber)、 波分复用光通信、卫星通信、雷达及光纤传感技术等领域。
背景技术：
光纤激光器是高速、大容量光通信系统的关键器件，具有结构简 单、散热好、阈值低、线宽窄以及易与光纤高效耦合等优点。随着光纤骨干网数据传输速率的不断提高，接入网已成为限制用 户通信带宽的主要瓶颈。目前，宽带接入技术主要有光纤到户和宽带 无线接入网络两大发展趋势。与有线接入方式相比，无线接入网络具 有可移动性、灵活性高、建网方便、覆盖能力强等优点。随着无线接 入网络的发展，需要提高无线通信的载波频率以增加通信带宽，其中 非常有前途的宽带接入方案是采用60GHz频率的电磁波作为载波，具 有无线通信频带宽、频率重复利用率高、用户间串扰低、保密性好等 优点。在未来的第四代无线网络中，有可能实现数据带宽为100Mb/s 的高速移动接入和1000Mb/s的静止接入，比即将推出的3G系统中最 高2 Mb/s的数据带宽提高约3个量级。对于高频(如60 GHz频段)微波信号，若采用传统电域方法产 生和处理，由于电子器件速度的限制，则成本高、实现困难。采用光 学方法产生微波信号，不仅容易实现，而且用光学技术可以实现数据 信号的加载和传输，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。 用光学方法进行微波信号的产生、处理和传输，不但在光纤一无线接 入网络(ROF)中有重要应用，而且对于雷达控制与数据信号传输等 应用也具有重要意义。
用光学方法产生微波信号主要包括光调制法和光学差拍法。光调 制法需要高频微波源和高速调制器，成本高。光差拍法是将两束频率 差等于所需微波频率的激光在高速光电探测器中进行差频，得到微波电信号，成本低，性能稳定。用光差拍技术产生高频(如60 GHz) 微波信号的关键是得到频率差为所需微波频率的具有两个波长的微 波光源；其中最具应用前景的微波光源是双波长单纵模光纤环行激光 器，它产生的微波信号相位噪声小，结构简单，性能稳定。但是，光 纤环行激光器一般用掺铒光纤做增益介质，存在由于掺铒光纤增益均 匀展宽而导致的波长竞争问题，多波长激光难以在室温下稳定运行。 为了得到单纵模激光，必须采用高性能选模技术，如采用多重超窄带 滤波器进行选模。目前国内外学术论文报道了多种光学方法产生微波 信号的双波长单纵模光纤环行激光器。最近，清华大学陈向飞博士等 人采用等相移技术制作的超窄双透射谱光纤布拉格光栅做激光模式 滤波器，用半导体放大器做增益介质，提出了一种双波长单纵模光纤 环行激光器，实验上得到了最高为40. 95GHz微波信号(XF C&"， ZC. a"d "P/zotom'c geweraf/ow qf附z'cro而ve s/g/ra/ ,'"g "M/craw 77^07 Tec//, vo/. 朋4-柳义Fe6. 200(5>> 。但是，用等相移技术制作超窄双透射谱光纤布拉格光栅，工艺较复杂，波长间隔难 以控制，而且频率间隔难以高于40GH。华中科技大学孙军强教授采 用基于光纤布拉格光栅的法布里-珀罗(F-P)滤波器和掺铒光纤饱和 吸收体进行激光选模，用掺铒光纤做增益介质，提出了一种双波长单 纵模全光纤环行激光器，实验上得到了最高为25.4GHz的微波信号6;pe";-画s/ /浙wg iwgr"riwg-Z)os^ -户en^ y /tera, " 0/ AComww".化/. 273,/ /7.招2-4<57, Mqy. 。但是，这种方法得到的微波信号频率较低，小于26GHz。国内外专利和非专利文献的检索结果 表明，目前还没有光学方法产生高达60GHz微波信号的双波长单纵模
光纤环行激光器的报道。综上所述，目前用光差拍法获得微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器，存在产生的微波频率较低(小于41GHz)、双波长光纤激 光器的关键元件双透射峰窄带滤波器制作难度大、单纵模激光选频困 难以及掺铒光纤激光器存在较强模式竞争而导致多波长激光难以在 室温下稳定工作等问题。发明内容本发明的目的是提供一种双波长单纵模光纤环行激光器，该激光 器能结构简单，成本低，能在室温下稳定运行，可产生具有较高频率 差的双波长单纵模激光。本发明的技术方案本发明包括掺铒光纤放大器1、第一偏振控 制器4、光环行器5、信号/泵浦波分复用器7、掺铒光纤8、布拉格 光纤光栅9、第二偏振控制器10、光耦合器11，其特征在于，该激 光器还包括带通滤波器2和带阻滤波器3和泵浦激光器6，其中，光环行器5的第一端口 51依次通过第二偏振控制器10和光耦合 器ll，与掺铒光纤放大器1的输入端相接，光耦合器ll还向外部输 出部分激光。 '光环行器5的第二端口 52依次通过信号/泵浦波分复用器7和掺 铒光纤8，与布拉格光纤光栅9相接；光环行器5的第三端口 53依次通过第一偏振控制器4、带阻滤 波器3和带通滤波器2，与掺铒光纤放大器1的输出端相接；带通滤波器2与带阻滤波器3构成一个对称的双透射峰窄带滤波 器；泵浦激光器6与泵浦波分复用器7的另一端口相接，用于对掺铒 光纤8进行同相泵浦。本发明具有以下有益效果①与前述文献报道的用相移技术制作 的光纤布拉格光栅滤波器和基于光纤布拉格光栅的F-P滤波器相比， 本发明采用带通滤波器2与带阻滤波器3连接得到对称的双透射峰窄 带滤波器构成简单，易于实现。②可方便实现不同波长间隔的双波长 单纵模激光器。因为带通滤波器2与带阻滤波器3的频带比通过级连 形成的单模激光器所需要的双透射峰窄带滤波器的频带宽得多，因此 带通滤波器与带阻滤波器的制作比双透射峰窄带滤波器简单得多。通 过设计带通滤波器2与带阻滤波器3滤波谱的中心波长、带宽，就可 构成所需要的双透射峰窄带滤波器，从而产生不同波长间隔的双波长 单纵模激光，以满足不同的需要。◎本发明产生的激光，通过光差 拍法可产生60GHz以上的高频微波信号。目前国内外报道的双波长单 纵模光纤环行激光器产生的激光最高只能产生41GHz微波信号。 利 用双透射峰窄带滤波器的对称性及掺铒光纤放大器平坦的高增益特 性，同时调节两个偏振控制器，使两个激射波长都达到饱和输出功率， 从而解决掺铒光纤激光器波长竞争问题，实现双波长激光在室温下稳 定工作。⑤用不全完泵浦的掺铒光纤饱和吸收体产生超窄带光栅滤波 器，与激光腔中带通滤波器、带阻滤波器、布拉格光纤光栅和掺铒光 纤放大器内含的滤波器共同选模，得到单纵模激光。
图1为本发明结构示意图；图2为本发明实施例实验测得的滤波器光谱图，其中，图(2a)为带通滤波器光谱图，图(2b)为带阻滤波器光谱图， 图(2c)为合成的双透射峰窄带滤波器光谱图；图3为本发明实施例实验测得的波长间隔为0. 48nm (59.83GHz) 双波长激光谱图，其中，图(3a)为二维光谱图，图(3b)为每隔1分钟测一次共测65 分钟得到的三维光谱图。
具体实施方式
本发明提出一种基于光学方法产生微波信号的双波长单纵模光 纤环行激光器，包括掺铒光纤放大器l、带通滤波器2、带阻滤波器 3、第一偏振控制器4、光环行器5、泵浦激光器6、信号/泵浦波分 复用器7、掺铒光纤8、布拉格光纤光栅9、第二偏振控制器10和光
耦合器ll。光环行器5的第一端口 51依次通过第二偏振控制器10和光耦合 器11，与掺铒光纤放大器1的输入端相接，光耦合器11还向外部输 出部分激光。光环行器5的第二端口 52依次通过信号/泵浦波分复用器7和掺 铒光纤8，与布拉格光纤光栅9相接；泵浦激光器6与泵浦波分复用 器7的另一端口相接，用于对掺铒光纤8进行同相泵浦。光环行器5的第三端口 53依次通过第一偏振控制器4、带阻滤 波器3、带通滤波器2，与掺铒光纤放大器1的输出端相接。掺铒光纤放大器1输出光信号，光信号依次通过带通滤波器2、 带阻滤波器3、第一偏振控制器4，到达光环行器5的第三端口53; 光环行器5的第二端口 52输出光信号，光信号依次通过信号/泵浦波 分复用器7和掺铒光纤8，到达布拉格光纤光栅9;布拉格光纤光栅 9将光信号返回输送，依次通过掺铒光纤8和信号/泵浦波分复用器7， 到达光环行器5的第二端口 52;光环行器5的第一端口 51输出光信 号，光信号通过第二偏振控制器10到达光耦合器11。光耦合器11 向掺铒光纤放大器l的输入端输出一部分激光，作为反馈激光信号； 同时，光耦合器ll向外部输出另一部分激光。信号/泵浦波分复用器 7的另一端口还与泵浦激光器6相接，泵浦激光器6用于对掺铒光纤 8进行同相泵浦。泵浦激光器6可以是980nm或1480nm。光纤布拉格 光栅9可以是其他类型的高反射滤波器，如光纤环境等。本发明的工作原理是掺铒光纤放大器1作为增益介质，并提供 平坦的增益，内含的滤波器对激光频率进行粗选。调节带通滤波器2 的中心波长，使带通滤波器2与带阻滤波器3构成一个对称的双透射 峰窄带滤波器，以便产生双波长激光。通过设计带通滤波器2和带阻 滤波器3的带宽和中心波长，使两个透射峰的频率间距为所需的微波 频率。该双波长激光在光电探测器中进行光学差拍，可以得到所需的 微波信号。泵浦激光器6通过信号/泵浦波分复用器7对掺铒光纤8 进行部分泵浦，掺铒光纤8中没有泵浦的一部分将作为掺铒光纤饱和
吸收体，掺铒光纤饱和吸收体的长度和滤波效果，可以通过改变泵浦激光器6的工作电流从而改变泵浦光功率来调节。光纤布拉格光栅9 将激光返回到掺铒光纤8，使掺铒光纤8中的入射波与反射波形成驻 波，从而形成超窄带折射率光栅滤波器。该光栅滤波器与激光腔中带 通滤波器2、带阻滤波器3、光纤布拉格光栅9和掺铒光纤放大器1 内含的滤波器共同选模，得到单纵模激光。利用双透射峰窄带滤波器 的对称性及掺铒光纤放大器1平坦的高增益特性，同时调节第一偏振 控制器4和第二偏振控制器10以改变和稳定光的偏振状态，使两个 不同波长的激光都达到饱和输出功率，从而实现双波长激光在室温下 稳定工作。光环行器5用来保证掺铒光纤支路正常工作和激光单向运 行。光学方法产生60GHz微波信号的双波长单纵模光纤环行激光器 结构如图1所示， 一台掺铒光纤放大器1输出的光依次通过可调带通 滤波器2、带阻滤波器3、第一偏振控制器4、三端环行器5的第三 端口53与第二端口52、 980/1550nm波分复用器7、 一段3米长的掺 铒光纤8，到达经布拉格光纤光栅9，再返回到掺铒光纤8，最后由 980/1550nm波分复用器7、三端环行器5的第一端口 51、第二偏振 控制器10和8: 2光耦合器11，回到掺铒光纤放大器1的输入端， 构成环行腔。8: 2光耦合器11的80%端口 112接掺铒光纤放大器的 输入端，提供激光反馈，20%端口 113输出激光。980nm半导体激光 器6通过与980/1550nm波分复用器7的另一端口相接，用于对掺铒 光纤8进行同相泵浦，泵浦电流根据作为饱和吸收体掺铒光纤8的需 要进行调节。在本实施例中，掺铒光纤放大器1的小信号平坦区增益为25dB， 最大输出功率为15dBm 。所用的可调带通滤波器2为 Newport/TBF-1550-1. 0，实测中心波长从1530nm到1560nm可调，3dB 带宽为1. 44nm;所用的带阻滤波器3的3dB带宽为0. lnm，中心波 长为1551. 39nm。用掺铒光纤放大器1的自发谱对带通滤波器2、带
阻滤波器3的频谱进行测量，结果如图2 (a)、 2 (b)所示。带通滤 波器2与带阻滤波器3连接，以构成双透射峰窄带滤波器。调节带通 滤波器2的中心波长及两个偏振控制器，由带通滤波器2与带阻滤波 器3合成的滤波器频谱测量结果如图2 (c)所示，结果表明双透射 峰的波长间距为0. 48nm，并且对称性很好。用分辨率为0.05nm的光谱仪测量该激光器的输出谱，结果如图 3 (a)所示。两个激射波长分别为1551. 21nm和1551. 69nm，波长间 隔为0.48nm，对应的频率间隔为59. 83GHz，消光比大于50dB。由于 这两个波长产生于激光器的同一谐振腔，因此有很好的相干性和稳定 的相位差，如果用高速光电探测器对它们进行光学差拍，将得到 59.83GHz的微波信号。为了检测该激光器的工作稳定性，在室温下 每隔10分钟测一次激光谱，共测80分钟，得到的三维频谱如图3(b) 所示，结果表明稳定性很好。实验证明，本发明提供的激光器在室温下能稳定工作，可用来产 生高频微波信号，具有很好的应用前景。
权利要求
1.一种双波长单纵模光纤环行激光器，包括掺铒光纤放大器(1)、第一偏振控制器(4)、光环行器(5)、信号/泵浦波分复用器(7)、掺铒光纤(8)、布拉格光纤光栅(9)、第二偏振控制器(10)、光耦合器(11)，其中，光环行器(5)的第一端口(51)依次通过第二偏振控制器(10)和光耦合器(11)，与掺铒光纤放大器(1)的输入端相接，光耦合器(11)还向外部输出部分激光；光环行器(5)的第二端口(52)依次通过信号/泵浦波分复用器(7)和掺铒光纤(8)，与布拉格光纤光栅(9)相接；其特征在于，该激光器还包括带通滤波器(2)、带阻滤波器(3)和泵浦激光器(6)，其中，光环行器(5)的第三端口(53)依次通过第一偏振控制器(4)、带阻滤波器(3)和带通滤波器(2)，与掺铒光纤放大器(1)的输出端相接，带通滤波器(2)与带阻滤波器(3)构成一个对称的双透射峰窄带滤波器；泵浦激光器(6)与泵浦波分复用器(7)的另一端口相接，用于对掺铒光纤(8)进行同相泵浦。
全文摘要
一种双波长单纵模光纤环行激光器，光环行器的一个端口依次通过偏振控制器，光耦合器，与掺铒光纤放大器的输入端相接；光环行器的第二端口依次通过信号/泵浦波分复用器、掺铒光纤，与布拉格光纤光栅相接，泵浦激光器与泵浦波分复用器相接，用于对掺铒光纤进行同相泵浦；光环行器的第三端口依次通过偏振控制器、带阻滤波器、带通滤波器，与掺铒光纤放大器的输出端相接，带通滤波器与带阻滤波器构成一个对称的双透射峰窄带滤波器。本发明结构简单，成本低，能在室温下稳定运行，可产生具有较高频率差的双波长单纵模激光。
文档编号H01S3/06GK101132109SQ20071005274
公开日2008年2月27日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者张新亮, 陈国杰, 黄德修 申请人:华中科技大学