专利名称：线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤激光器，适用于光纤通信、微波光子、光纤传感技术 领域。
技术背景采用相位抽样或者强度抽样，用一块相位抽样掩模版或者一块相位掩模版 加一块强度掩模版或者一块相位掩模版隔一段曝光的方法制作取样光纤光栅。普通光纤光栅只有一个反射峰，取样光纤光栅有N(N》2)个反射峰《沈旷轶"基 于超结构光纤光栅的宽带波分复用信道滤波器设计"中国北京交通大学硕士学 位论文2006》。由于保偏光纤快慢轴的有效折射率不同，有2个独立的偏振态， 在保偏光纤上制作的非抽样光栅有2个反射峰，这2个反射峰对应着独立的2 个偏振态《宁提纲等"利用光栅研究保偏光纤温度特性"中国激光33(8) 2006 p.l078 1080》；在保偏光纤上制作取样光栅，与普通光纤上写入条件相同 的情况下，保偏取样光纤光栅有2N (N》2)个反射峰，这2N个反射峰都是单 偏振的。光纤激光器是光纤通信、微波光子、光纤传感和激光系统中一种很有前途 的光源，它的优点主要体现在(1)半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的 WDM(波分复用)波长标准，且成本很高，而稀土掺杂光纤激光利用光纤光栅 等能非常准确地确定波长，且成本很低。(2)用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺 比较成熟，稀土离子掺杂过程简单，光纤损耗小。(3)采用灵巧紧凑效率高的泵 浦成为可能。(4)光纤激光具有波导式光纤结构，可以在光纤芯层产生较高的功 率密度。光纤结构具有较高的面积-体积比，因而散热效果较好。与标准通信光 纤的兼容性好，可以采用光纤光栅、耦合器等多种光纤部件，减小对块状光学 元件的需求和光路机械调整的麻烦，极大地简化光纤激光的设计及制作。(5)宽带是光纤通信的主要发展趋势之一，而光纤激光可以通过掺杂不同的稀土离子，在380~3900 nm的宽带范围内实现激光输出，波长选择容易且可调谐。(6)高 频调制下的频率啁啾效应小、抗电磁干扰，温度膨胀系数较半导体激光器小等。 而普通的非保偏光纤，由于制造工艺造成纤芯截面有一定的椭圆度，或是 由于光纤组分材料的热膨胀系数不均匀性，容易造成光纤截面上各向异性的应 力或外加应力，导致光纤折射率的各向异性。总之，当光纤截面的对称性遭到 破坏，由双折射形成的两个不同传输常数的正交偏振模之间会产生相互耦合， 由于两个偏振模的传输常数相差很小，因而模式耦合很强。光纤结构本身存在 的双折射和外界对光纤的作用都是随机的，因而偏振模之间的耦合是随机的， 因此一般情况下，光纤激光器输出的激光为偏振混乱的，无法达到半导体激光 器输出激光的偏振度，或者随机偏振耦合导致^长不稳定；这样的激光输出在 很多情况下都无法使用。现有的多波长光纤激光器由于模式竞争，常温下难以 实现多波长同时稳定激射。如果要实现多波长光纤激光器，需要的有源光纤为 保偏的，耦合器也要保偏的，并且要加入偏振控制、偏振检测来保证多波长光 纤激光的输出，或者需要在超低温的液氮中来消除模式竞争，产生多波长，可 靠性低，成本高，控制复杂，难以实用。 发明内容本发明的目的就是提供一种线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光 器，它能克服已有的多波长光纤激光的不足，实现不需要偏振控制的单偏振多 波长光纤激光器。本发明的技术方案线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器，构成该激光器的部件之 间的连接1)在保偏取样光纤光栅的左端依次与左第一段有源光纤、左第一宽带光纤 光栅、左第二段有源光纤、左第二宽带光纤光栅........左第M段有源光纤和左第M宽带光纤光栅连接；在保偏取样光纤光栅的右端依次与右第一段有源光纤、右第一宽带光纤光栅、右第二段有源光纤、右第二宽带光纤光栅........右第N段有源光纤和右第N宽带光纤光栅连接； ..M和N为大于1的连续正整数，M=N或M # N;2) 宽带光纤光栅的反射谱互相隔开；3) 在第1M和/或2N宽带光纤光栅的后面，利用泵浦耦合器把第一泵浦光或 /和第二泵浦光耦合有源光纤中；4) 每个宽带光纤光栅的反射峰分别对准保偏取样光纤光栅的一个反射峰， 每个宽带光纤光栅只与保偏取样光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔， 每个腔是各自不同的，产生激光，在线型腔两端输出单偏振(M+N)波长激光；在保偏取样光纤光栅的左端，依次连接左第一段有源光纤、左第一宽带光纤光栅、左第二段有源光纤、左第二宽带光纤光栅........左第M段有源光纤和左第M宽带光纤光栅；在左第M宽带光纤光栅的左端或/和保偏取样光纤光栅的右端，利用泵浦耦 合器把第一泵浦光或/和第二泵浦光耦合有源光纤中。有源光纤或为保偏有源光纤，均选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、 或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。本发明的有益效果具体如下 'i已有的多波长光纤激光器需要的有源光纤为保偏的，耦合器也要保偏的， 并且要加入偏振控制、偏振检测来保证多波长光纤激光的输出，或者需要在超 低温的液氮中来消除模式竞争，产生多波长，可靠性低，成本高，控制复杂， 难以实用。而本发明采用比保偏有源光纤价格低得多的普通有源光纤作为增益介质，只需要一个保偏取样光纤光栅，保证每个腔谐振在一个偏振态上。每个偏振态 的激光谐振腔是不同的，能消除常规的有源保偏光纤产生多波长模式竞争的问 题，不会出现随机模式耦合，引起波长或者偏振态的随机变化，不需要偏振控 制，为了得到更好的激光质量，本发明也可以采用偏振控制来控制偏振态。由 于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带光纤光栅，使之与窄带保偏取样光纤光 栅的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求，比通常的多波长激光器更 容易实现，输出更稳定的单偏振态激光，具有更高的性价比。本发明降低了对 有源光纤的一致性要求，使有源光纤长度等特性的不一致不会引起单偏振双波 长激光器的实质性的影响。本发明可以选取保偏取样光纤光栅不同的反射峰构 成谐振腔，产生单偏振激光，因此本发明的多波长激光的波长和波长间隔可以 根据需要选择。本发明也可以采用己有的有源光纤为保偏的，耦合器也要保偏 的，并且要加入偏振控制、偏振检测的方式实现，但是可以降低对器件本身的 要求。本发明还具有受环境影响小、全光纤结构、结构紧凑、易于实施等特点。本发明每个偏振态的激光谐振的腔是不同的，各个腔产生的激光不会互相 强耦合，不会形成偏振态随机变化及只有某一个波长输出或随机几个波长输出的问题，不需要偏振控制；如果需要更加提高激光质量，也可以添加隔离器和偏振控制装置。由于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带光纤光栅，使之与窄 带保偏光纤的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求。首次实现单偏振 多波长常温下的激光输出。
图l为线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器示意图。图2为M = 3的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器 示意图。图3为M = 3， N = 4的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器示意图。图4为M:N:16的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光 栅激光器作进一步描述。 "实施例一 M=3结合附图2说明构成线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接1) 在保偏取样光纤光栅10的左端接入左第一段镱铒共掺有源光纤31、左第一宽带光纤光栅ll、左第二段镱铒共掺有源光纤32、左第二宽带光纤光栅12、 左第三段镱铒共掺有源光纤33、左第三宽带光纤光栅13;2) 左宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部 分，即重叠部分对应的反射率比保偏取样光纤光栅的反射率至少低ldB。3) 在左第三宽带光纤光栅13或/和保偏取样光纤光栅10的后面，利用泵浦耦 合器把第一泵浦光51或/和第二泵浦光52耦合进镱铒共掺有源光纤中。4) 保偏取样光纤光栅10的三个反射峰分别与对应的左宽带光纤光栅形成不 同波长的激光谐振腔，产生单偏振激光，在两端输出单偏振3波长激光。所述镱铒共掺有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由泵浦光功率、吸收系 数、激光腔中的损耗等决定，镱铒共掺有源光纤的最大长度为在给定的第一泵浦光51或/和第二浦光52作角下，左第一镱铒共掺有源光纤 31、左第一宽带光纤光栅ll、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生 激光，此时，镱铒共掺有源光纤的长度就是第一段镱铒共掺有源光纤31的最大 长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一、左第二镱铒共掺 有源光纤31、 32、左第二宽带光纤光栅12、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚 好能激励产生激光时的长度，此时这个镱铒共掺有源光纤的长度减去左第一段 镱铒共惨有源光纤31的长度就是左第二段镱铒共掺有源光纤32的最大长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一、左第二、左第三 镱铒共掺有源光纤31、 32、 33，左第三宽带光纤光栅13、保偏取样光纤光栅IO 构成的腔，刚好能激励产生激光时的长度，此时这个镱铒共掺有源光纤的长度 减去左第一段镱铒共掺有源光纤31的长度，再减去左第二段镱铒共掺有源光纤 32的长度就是第三段镱铒共惨有源光纤33的最大长度。实施例二 M = 3, N = 4结合附图3说明构成线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接1) 在保偏取样光纤光栅10的左端接入左第一段掺钍有源光纤31、第一宽带光纤光栅ll、左第二段掺钍有源光纤32、左筹二宽带光纤光栅l2、左第三段 掺钍有源光纤33、左第三宽带光纤光栅13;在保偏取样光纤光栅10的右端接入右第一段掺钍有源光纤41、右第一宽带光纤光栅21、右第二段掺钍有源光纤42、右第二宽带光纤光栅22、右第三段 掺钍有源光纤43、右第三宽带光纤光栅23、右第四段掺钍有源光纤44、第右四 宽带光纤光栅24;2) 宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分， 即重叠部分对应的反射率比保偏取样光纤光栅的反射率至少低ldB。3) 在左、右宽带光纤光栅13或/和24的后面'，利用泵浦耦合器把第一泵浦光 51或/和第二泵浦光52耦合进掺钍有源光纤中。4) 保偏取样光纤光栅10的七个反射峰分别与左、右宽带光纤光栅形成不同 波长的激光谐振腔，产生激光，两端输出单偏振7波长激光。所述掺钍有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由泵浦光功率、吸收系数、激光腔中耦合器的损耗等决定，掺钍有源光纤的最大长度为在给定的第一泵浦光51或/和第二浦光52作用下，左第一掺钍有源光纤31、 左第一宽带光纤光栅ll、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光 时的长度，此时这个掺钍有源光纤的长度就是左第一段掺钍有源光纤31的最大 长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一、左第二掺钍有源 光纤31、 32、左第二宽带光纤光栅12、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能 激励产生激光时的长度，此时这个掺钍有源光纤的长度减去左第一段掺钍有源 光纤31的长度就是左第二段掺钍有源光纤32的最大长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一、第二、第三段掺 钍有源光纤31、 32、 33、左第三宽带光纤光栅13、保偏取样光纤光栅10构成的 腔，刚好能激励产生激光时的长度，此时这个掺钍有源光纤的长度减去左第一 至第二段掺钍有源光纤的长度就是第三段惨钍有源光纤33的最大长度。右第一至第四段掺钍有源光纤的长度按上述方法实施。实施例三M -N = 16结合附图4说明构成线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的部件之间的连接1)在保偏取样光纤光栅10的左端接入左第一段掺铒有源光纤31、左第一 宽带光纤光栅ll、左第二段掺铒有源光纤32、左第二宽带光纤光栅12、左第三段惨铒有源光纤33、左第三宽带光纤光栅13........左第十六段掺铒有源光纤316、左第十六宽带光纤光栅116;在保偏取样光纤光栅10的右端接入右第一段掺铒有源光纤41、右第一宽 带光纤光栅21、右第二段掺铒有源光纤42、右第二宽带光纤光栅22、右第三段 惨铒有源光纤43、右第三宽带光纤光栅23........右第十六段掺铒有源光纤416、右第十六宽带光纤光栅216;2) 宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏取样光纤光栅的反射率至少低ldB。3) 在左、右宽带光纤光栅116或/和216的后面，利用泵浦耦合器把第一泵浦 光51或/和第二泵浦光52耦合进掺铒有源光纤中。4) 保偏取样光纤光栅10的三十二个反射峰分别与对应的左、右宽带光纤光 栅形成不同波长的激光谐振腔，产生单偏振激光，在两端输出单偏振32波长 激光。所述掺铒有源光纤的最小长度为lcm，最大长度由泵浦光功率、吸收系数、 激光腔中的损耗等决定，掺铒有源光纤的最大长度为在给定的第一泵浦光51或/和第二浦光52作用下，左第一段掺铒有源光纤31 、 左第一宽带光纤光栅ll、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能激励产生激光， 此时掺铒有源光纤的长度就是左第一段掺铒有源光纤31的最大长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一、左第二惨铒有源 光纤31、 32、左第二宽带光纤光栅12、保偏取样光纤光栅10构成的腔，刚好能 激励产生激光，此时这个掺铒有源光纤的长度减去左第一段掺铒有源光纤31的 长度就是左第二段掺铒有源光纤32的最大长度。给定的第一泵浦光51或/和第二泵浦光52作用下，左第一至左第八段掺铒有 源光纤31至316、左第十六宽带光纤光栅116、保偏取样光纤光栅10构成的腔， 刚好能激励产生激光，此时这个掺铒有源光纤的长度减去左第一至左第十五段 掺铒有源光纤的长度就是左第十六段掺铒有源光纤316的最大长度。右第一至右第十六段掺铒有源光纤的长度按上述方法实施。实施例四结合附图l说明构成线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的部 件之间的连接 '.1) 在保偏取样光纤光栅10的左端依次与左第一段有源光纤31、左第一宽带光纤光栅ll、左第二段有源光纤32、左第二宽带光纤光栅12........左第M段有源光纤3M和左第M宽带光纤光栅1M连接；在保偏取样光纤光栅10的右端依次与右第一段有源光纤41、右第一宽带光纤光栅21、右第二段有源光纤42、右第二宽带光纤光栅22........右第N段有源光纤4N和右第N宽带光纤光栅2N连接；M和N为大于1的连续正整数，M=N或M, N;2) 宽带光纤光栅的反射谱互相隔开；3) 在第1M和/或2N宽带光纤光栅的后面，利用泵浦耦合器把第一泵浦光51 或/和第二泵浦光52耦合有源光纤中；4) 每个宽带光纤光栅的反射峰分别对准保偏取样光纤光栅的一个反射峰， 每个宽带光纤光栅只与保偏取样光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔， 每个腔是各自不同的，产生激光，在线型腔两端输出单偏振(M+N)波长激光。所述的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的第二种形式在 保偏取样光纤光栅10的左端，依次连接左第一段有源光纤31、左第一宽带光纤光栅ll、左第二段有源光纤32、左第二宽带光纤光栅12........左第M段有源光纤3M和左第M宽带光纤光栅1M;在左第M宽带光纤光栅1M的左端和保偏取样 光纤光栅10的右端，利用泵浦耦合器把第一泵浦光51或/和第二泵浦光52耦合有 源光纤中。每个宽带光纤光栅的反射峰分别对准保偏取样光纤光栅的一个反射 峰，每个宽带光纤光栅只与保偏取样光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振 腔，每个腔是各自不同的，产生激光，在线型腔两端输出单偏振M波长激光。所述的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器的第三种形式在 保偏取样光纤光栅10的右端，依次连接右第一段有源光纤41、右第一宽带光纤实施例2:本发明设计了一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。其结构如图2所示。 图2中保偏有源光纤的一端为均匀光纤光栅，另一端为与光纤光栅波长相对应的高反射膜。 本线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，包括泵浦光ll、线性腔保偏光纤激光器以及高速光电探测器41:该线性腔保偏光纤激光器由掺铒熊猫型保偏有源光纤31制成，在掺镱领结型保偏有源光纤的一端写入光纤光栅21,在惨镱领结型保偏有源光纤的另一端镀与光栅波长相对应的高反射膜51;均匀保偏光纤光栅21和高反射膜51与掺镱领结型保偏有源光纤31—起构成线性腔保偏光纤激光器的谐振腔。在掺镱领结型保偏有源光纤31的一侧，将泵浦光11侧面泵浦耦合进保偏有源光纤31中，在 泵浦光ll的激励下，掺镱领结型保偏有源光纤31在均匀保偏光纤光栅21和高反射膜51的谐振作 用下，产生单偏振的双波长激光。产生的单偏振双波长激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。 掺铒熊猫型保偏有源光纤31双折射的大小决定保偏光纤激光器产生双波长的波长差。 单偏振的双波长激光输入高速光电探测器41，在高速探测器41内差频产生微波或者毫米波。实施例3:采用实施例1或实施例2的步骤， 一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。 本发明由保偏有源光纤、泵浦、两个保偏光纤光栅或一个保偏光纤光栅加上与光栅波长相对应的高反射膜，以及高速光电探测器组成。本发明选择的保偏有源光纤可为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤；其保偏方式可以采用熊猫型、或领结型、或椭圆芯型、或椭圆包层型、或光子晶体型。本发明在保偏有源光纤的两端分别写入相同的均匀光纤光栅，或一端写入均匀光纤光栅， 另外一端镀上与光纤光栅波长相对应的高反射膜。本发明用两个均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振构成激光腔。
权利要求
1.线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器，其特征在于，构成该激光器的部件之间的连接1)在保偏取样光纤光栅(10)的左端依次与左第一段有源光纤(31)、左第一宽带光纤光栅(11)、左第二段有源光纤(32)、左第二宽带光纤光栅(12)、......、左第M段有源光纤(3M)和左第M宽带光纤光栅(1M)连接；在保偏取样光纤光栅(10)的右端依次与右第一段有源光纤(41)、右第一宽带光纤光栅(21)、右第二段有源光纤(42)、右第二宽带光纤光栅(22)、......、右第N段有源光纤(4N)和右第N宽带光纤光栅(2N)连接；M和N为大于1的连续正整数，M＝N或M≠N；2)宽带光纤光栅的反射谱互相隔开；3)在第1M和/或2N宽带光纤光栅的后面，利用泵浦耦合器把第一泵浦光(51)或/和第二泵浦光(52)耦合有源光纤中；4)每个宽带光纤光栅的反射峰分别对准保偏取样光纤光栅的一个反射峰，每个宽带光纤光栅只与保偏取样光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔，每个腔是各自不同的，产生激光，在线型腔两端输出单偏振(M+N)波长激光；
2. 根据权利要求l所述的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器， 其特征在于，在保偏取样光纤光栅(10)的左端，依次连接左第一段有源光纤(31)、左第一宽带光纤光栅(11)、左第二段有源光纤(32)、左第二宽带光纤光栅(12)、.......左第M段有源光纤(3M)和左第M宽带光纤光栅(1M);在左第M宽带光纤光栅(1M)的左端或/和保偏取样光纤光栅(10)的右端， 利用泵浦耦合器把第一泵浦光(51)或/和第二泵浦光(52)耦合有源光纤中。
3. 根据权利要求1所述的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器， 其特征在于，在保偏取样光纤光栅(10)的右端，依次连接右第一段有源光纤(41)、右第一宽带光纤光栅(21)、右第二段有源光纤(42)、右第二宽带光 纤光栅(22)、.......右第N段有源光纤(4N)'和右第N宽带光纤光栅(2N);在右第N宽带光纤光栅(2N)的右端或/和保偏取样光纤光栅(10)的左端， 利用泵浦耦合器把第一泵浦光(51)或/和第二泵浦光(52)耦合有源光纤中。
4.根据权利要求l所述的线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器， 其特征在于，有源光纤或为保偏有源光纤，均选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或 镱铒共掺、或惨钍、或掺镨、或掺钕光纤。
全文摘要
一种线型腔单偏振多波长共保偏取样光纤光栅激光器，构成该激光器的部件之间的连接在保偏取样光纤光栅(10)的左端依次与有源光纤(31)、光纤光栅(11)……有源光纤(3M)和宽带光纤光栅(1M)连接；在保偏取样光纤光栅的右端依次与有源光纤(41)、宽带光纤光栅(21)……有源光纤(4N)和宽带光纤光栅(2N)连接；M和N为自然数，宽带光纤光栅的反射谱互相隔开；利用泵浦耦合器把泵浦光(51)或/和泵浦光(52)耦合有源光纤中；每个宽带光纤光栅的反射峰分别对准保偏取样光纤光栅的一个反射峰，每个宽带光纤光栅只与保偏取样光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔，每个腔是各自不同的，产生激光，在线型腔两端输出单偏振(M+N)波长激光。
文档编号H01S3/06GK101222110SQ200710304200
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者史嫄嫄, 宁提纲, 毅 戴, 曹继红, 祁春慧, 胡旭东, 丽 裴, 乂 阮, 陈根祥 申请人:北京交通大学