双模双波长可开关脉冲光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种双模双波长可开关脉冲光纤激光器。

背景技术：

近年来，由于互联网带动的数据需求急剧增长，单模光纤网络传输容量正接近shannon极限。为了进一步提高单模光纤传输系统的容量并解决日益紧张的带宽资源的瓶颈问题，基于多模光纤或多模光纤的多路复用技术已成为一种有前景的解决方案。因此，研究发射高阶模态的光纤激光器具有重要意义。

除了用于模分复用传输之外，少模光纤在基于少模光纤的器件(如光纤锥、耦合器和光栅)的模式操纵中也有重要的应用。以光纤布拉格光栅为例，由于少模光纤中各模独立且具有不同的传播常数，所以少模光纤布拉格光栅能够反射由光栅相位匹配条件所决定和由少模光纤空间分布所决定的不同模。在其应用的早期，少模光纤光栅用于多波长光纤激光器，其中每个波长对应于不同的横向模式，但是具体的横向模式没有区分。少模光纤光栅作为模式转换器，通过控制所需模式的波长，实现了高阶模光纤激光器。各种各样可输出高阶模式的光纤激光器已被报道。其中有一种光纤激光器是采用少模光纤布拉格光栅作为反射元件和模式滤波器，这种模式选择方法已成功应用于各种全光纤锁模激光器和调q光纤激光器。比如，一种全光纤锁模激光器产生的径向极化矩形脉冲，是通过一个8字形腔锁定纵向模式和一个少模光纤布拉格光栅选择横向模式产生的。光纤激光器横向模式选择器的设计包括两个偏振控制器，一个少模光纤布拉格光栅和一个错位熔接点，由两段光纤以4.1m横向错位的方式熔接而成。另一种方法是基于由单模光纤和少模光纤组成的模式选择全光纤熔融耦合器，采用模式选择耦合器实现了高阶模脉冲激光器。

在连续波工作下，通过调节激光腔内光的偏振状态，可以选择激光器的输出模式为基模lp01模式、第二阶高阶模lp11模式或混合模式。但由于锁模脉冲产生的方法通常是偏振相关的，与高阶模选择容易互相影响，同时实现模式选择和锁模有一定挑战性。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题在于克服模式选择和锁模的偏振串扰问题，提供一种基于少模光纤光栅模式选择和半导体可饱和吸收镜被动锁模的双模双波长可开关脉冲光纤激光器。

技术方案：本发明中，双模光纤光栅和半导体可饱和吸收镜通过一个四端口环形器连接到激光器的激光环形腔，分别实现模式选择和被动锁模功能，少模光纤和单模光纤的熔接错位量通过优化，激光器可分别工作在基模(lp01)和第二阶高阶模(lp11)的对应波长上，在两模光纤光栅输出端分别输出第二阶高阶模和基模光束。如果错位量选择合适，还可以输出基模和第二阶高阶模的混合模。

具体技术方案为：本发明双模双波长可开关脉冲光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、四端口环形器、半导体可饱和吸收镜、两模光纤光栅和输出耦合器；其中，泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦输入端相连，且波分复用器的输出端与掺铒光纤相连；掺铒光纤输出端连接一个偏振控制器后，接入四端口环形器的端口-1；四端口环形器的端口-2接有一个半导体饱和吸收镜，四端口环形器的端口-3接有双模光纤光栅；四端口环形器的端口-4连接到一个10：90的耦合器，10％端口作为输出，90％端口接到波分复用器的信号输入端。总的激光器的激光腔长为13.5m，刻有光栅的两模光纤长1m。

其中的半导体可饱和吸收镜和双模光纤光栅通过四端口环形器连接到激光环形腔，来自四端口环形器端口-1的光通过端口-2上的半导体可饱和吸收镜反射，然后进入端口-3分别通过错位点和两模光纤光栅进行模式转换和波长选择，最后通过端口-4返回腔。

双模光纤和单模光纤连接采用了错位熔接，并且错位量进行了优化。

工作原理：本发明的激光器采用优化的错位方法和双模光纤光栅同时作为横向模式转换器和波长选择器。其锁模机理基于半导体可饱和吸收镜的饱和吸收，其具有偏振不相关特性，避免了与偏振相关的模式转换和波长选择相串扰。该激光器中，半导体可饱和吸收镜和双模光纤光栅通过一个四端口环形器连接到激光器的激光环形腔，来自四端口环形器端口-1的光通过端口-2上的半导体可饱和吸收镜反射，然后进入端口-3分别通过错位点和双模光纤光栅进行模式转换和波长选择，最后通过端口-4返回激光腔。该激光器可分别工作在基模(lp01)和第二阶高阶模(lp11)的对应波长上，在双模光纤光栅输出端分别输出第二阶高阶模和基模光束。如果错位量选择合适，还可以输出基模和第二阶高阶模的混合模。此全光纤激光器为波分/模分复用光源，可以根据具体情况调整光束的输出态。

本发明中的激光模式和激光器的工作波长都依赖于错位熔接方法和少模光纤光栅。通过对偏振控制器的适当调整，分别获得了lp01模式和lp11模式的激光单独工作模式，并且可以通过激光器的工作波长来区分激光工作模式。此外，还可以从光纤激光器中获得角向偏振光束和径向偏振光束。

有益效果：本发明的所有器件均采用全光纤耦合方式，不受外界因素干扰，可连续稳定工作；双模光纤和单模光纤连接采用了错位熔接，并且错位量进行了优化，使得激发出的高阶模和基模比值最高。双模光纤光栅实现模式选择，是偏振相关的，而半导体可饱和吸收镜用于锁模是偏振无关的。

本发明采用的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明锁模采用半导体可饱和吸收镜，其偏振无关特性将不与偏振相关的高阶模选择相串扰；(2)双模光纤和单模光纤错位熔接的错位量进行了优化，让激发出的高阶模和基模比值最高，使得激光器的工作波长可在高阶模和基模上切换；(3)本发明采用全光纤结构，是一种简单、低成本的波分/模分复用光源，可以根据具体情况调整光束的输出态，在实验室环境下能连续工作，并且还能自启动。

因此，本发明有效的解决了高阶模和基模的灵活切换和锁模高阶模选择偏振串扰问题。

附图说明

图1为本发明中的双模双波长可开关脉冲光纤激光器结构示意图；

图2为高阶模与基模能量比值随错位量变化图；

图3中(3-1)为双模双波长可开关脉冲光纤激光器输出光谱；

图3中(3-2)为双模双波长可开关脉冲光纤激光器输出的脉冲串；

图4为输出tm01(a)和te01(f)模的强度分布，以及随线性偏振器旋转的变化；

图5为输出基模的强度分布图。

具体实施方式

如图1所示，本发明双模双波长可开关脉冲光纤激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、5米的掺铒光纤3、偏振控制器4、四端口环形器5、半导体可饱和吸收镜6、双模光纤光栅7、10：90的输出耦合器8、光谱仪9、示波器10和ccd图像传感器11；其中，泵浦源1的输出端与波分复用器2的泵浦输入端相连，且波分复用器2的输出端与掺铒光纤3相连；掺铒光纤3的输出端连接一个偏振控制器4后，接入四端口环形器5的端口-1；四端口环形器的端口-2接有一个半导体可饱和吸收镜，四端口环形器的端口-3接有双模光纤光栅7；四端口环形器的端口-4连接到一个10：90的输出耦合器8，10％端口作为输出，90％端口接到波分复用器2的信号输入端。

其中激光器半导体可饱和吸收镜和双模光纤光栅通过四端口环形器5连接到激光器的激光环形腔，来自四端口环形器端口-1的光通过端口-2上的半导体可饱和吸收镜反射，然后进入端口-3分别通过错位点和双模光纤光栅进行模式转换和波长选择，最后通过端口-4返回激光环形腔。

双模光纤和单模光纤连接采用了错位熔接，并且错位量进行了优化。

如图2所示，本发明经过建模计算了在不同错位量情况下激发的lp11模式与lp01模式能量之比，在错位量为4.8μm时lp11模式与lp01模式能量之比最大，即lp11模式激发的效率最高。

锁模机理是基于半导体可饱和吸收镜的饱和吸收，激光模式和激光器的工作波长都依赖于错位熔接技术和少模光纤光栅。通过对偏振控制器的适当调整，分别获得了lp01模式和lp11模式的激光单独工作模式，并且可以通过激光器的工作波长来区分激光工作模式。此外，还可以从光纤激光器中获得角向偏振光束和径向偏振光束。

当泵功率超过锁模阈值150mw时，激光器容易调出锁模状态。在整个实验过程中，泵的功率保持在200mw。在保持双模光纤光栅平直，调整偏振控制器时对模式状态影响很大。通过对偏振控制器的调节，可以分别得到在1552.9nm处的lp01模式和在1551.5nm处的lp11模式的锁模工作状态，如图(3-1)所示。两种模式下激光输出的3db窄带宽都小于0.02nm。激光器的脉冲串如图(3-2)所示，脉冲的基本重复率对应于腔的长度。测量的射频频谱信噪比为50db，表明光纤激光器具有良好的稳定性。

激光光谱位于如图(3-1)所示的右峰(lp01模式)时，双模光纤光栅反射回lp01模式，同时输出lp11。通过调整pc2和pc3可以得到径向(te01)和角向(tm01)偏振光束，如图4中的(a)和(f)所示。通过在准直器和ccd镜头之间插入线性偏振器，可以区分te01和tm01模态。图4中的(b)-(e)和(g)-(j)中的箭头分别表示偏振器的透射方向。在图4中的(b)-(e)中，两瓣形状的强度图形与线性偏振器的方向一致，说明产生的光束为tm01。相反，当两个方向垂直时，产生的光束为te01。用函数拟合的方法计算了模式纯度，分别为91.54％和90.24％。因此，光束可视为强lp11模式与弱lp01模式的非相干叠加。

在这种锁模光纤激光器中，双模光纤光栅作为波长选择器，随着偏振控制器的不断调整，激光光谱可以位于图(3-1)所示的左峰(lp11模式)。双模光纤光栅反射lp11模式，基模则通过tm-fbg。因此，可以通过ccd在tm-fbg的末端测量到lp01模式。lp01模式的强度分布如图5所示。

通过数值计算和实验验证，双模光纤光栅的反射光谱与位错距离密切相关，为激光输出模式的控制开辟了一条新的途径。这里，当位错距离改变为4.5μm时，可以分别得到lp01模在1552.9nm和互耦合模1552.2nm处的锁模振荡。当振荡波长为lp01模的1552.9nm时，双模光纤光栅输出的光束为lp11模，与上述情况类似。当振荡波长是互耦合模的1552.2nm时，tm-fbg的输出光束应该是lp01和lp11模式的叠加。

值得注意的是本发明提出的基于双模光纤光栅的可开关双模和双波长锁模光纤激光器，利用半导体可饱和吸收镜进行锁模是非常关键的，因为半导体可饱和吸收镜的偏振无关性。由于少模光纤光栅的反射具有很强的偏振依赖性，如选用偏振依赖锁模机制，如非线性偏振旋转，会随着少模光纤光栅的横向模式选择而导致偏振干扰。这就是说，如果锁模和模式选择条件都依赖于偏振，则很难同时满足这两个条件。