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CN102136675A - 自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器 - Google Patents

自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器 Download PDF

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CN102136675A CN 201110044057 CN201110044057A CN102136675A CN 102136675 A CN102136675 A CN 102136675A CN 201110044057 CN201110044057 CN 201110044057 CN 201110044057 A CN201110044057 A CN 201110044057A CN 102136675 A CN102136675 A CN 102136675A
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exocoel
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English (en)
Inventor
刘云启
蔡同健
陈剑峰
王廷云
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University of Shanghai for Science and Technology
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明述及一种自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器。它包括增益开关半导体激光器本体、偏振控制器、耦合器和外腔选频器，偏振控制器、耦合器和外腔选频器依次通过光纤串连在增益开关激光器本体的信号输出端。外腔选频器由在多模光纤中写入的倾斜光栅和模式扰频器组成，模式扰频器作用于多模光纤，通过对多模光纤产生微弯使倾斜光栅具有不同的反射波长。调节F-P半导体激光器的温度和模式扰频器对多模光纤的微弯程度，可实现多波长脉冲输出和波长调谐。本发明解决了普通可调多波长脉冲激光器的成本高、结构复杂和操作不方便的问题，适用于光纤通信和光纤传感等领域。

Description

自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器
技术领域
本发明述及一种自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，尤其是一种多波长输出和波长可调谐的皮秒脉冲激光器。
背景技术
多波长和波长可调的短脉冲光源在光纤通信系统和光纤传感系统中有着重要的应用。在光通信领域，光时分复用（OTDM）技术与波分复用（WDM）相结合则可以大大提高光通信系统单信道的速率，减少波长信道数目，被认为是实现未来T bit/s光通信的优选方案。因此，高重复率的超短光脉冲、多波长和波长可调谐光源的产生是高速OTDM和WDM系统中的关键技术之一。并且随着光纤入户（FTTH）概念的提出，人们也正在寻求一种全新的寻址技术来实现高速接入网。目前看来，全光码分多址（OCDMA）技术是一个很好的解决方案，高重复速率的超短脉冲源是OCDMA技术在高速状态下进行路由寻址和几十G bit/s带宽的高速局域网的必要的物质基础。因此，作为产生短脉冲的装置—短脉冲激光器，就越来越受到人们的关注。而在传感领域，光纤激光器应用于传感能够体现光纤激光器和光纤传感器的共同优势，并且具有效率高、可调谐、稳定性好、光束质量好等优点，使得传感器的性能提高，应用更广泛。
对商用的法布里—珀罗（F-P）半导体激光器进行增益开关调制是一种简单、可靠的超短光脉冲产生技术。但是增益开关激光器存在着定时抖动和频率啁啾大的问题，这一问题可以采用种子光注入锁定的方式来解决。种子光注入的方式可以分为外注入和自注入两种，虽然这两种方式都可以解决增益开关的光脉冲信号的波长可调谐和抑制抖动的问题， 但外注入式增益开关激光器通常需要一种波长可调谐的窄谱线宽连续波（CW）光源作为外部注入的种子光源，这样就导致增益开关激光器成本增加、结构复杂且体积增大。而自注入式激光器通常只需在外腔加入选频器件对增益开关的F-P半导体激光器输出的多纵模进行选模，选出单一纵模反馈回F-P半导体激光器中，结构简单，成本低廉。
当F-P半导体激光器被直接调制在其腔长的基频或正整数倍于基频的谐波频率时，即外加信号频率f满足：
Figure 2011100440578100002DEST_PATH_IMAGE001
式中，m为谐波的次数，当m=1时激光器谐振在基频状态下；c为真空中光速；n为构成外腔的光纤的有效折射率；L为谐振腔长度。经光纤光栅反射，重新注入腔内的光与从F-P半导体激光器发射的光达到同步，腔内形成谐振而使所选波长的光在腔内成为优势模，在输出端可以获得这一波长的光脉冲，并且优势模的光相对于其它模式的光来说，也具有较大的边模抑制比（SMSR）。
实现多波长输出和波长调谐的自注入系统的外腔选频器件通常有级联的光纤Bragg光栅、可调谐滤波器等，但这些器件要么增加了外腔的复杂，操作难以实现，要么增加了系统的成本。因此，选择一种合适的外腔选频器件来实现多波长输出和波长调谐是非常有价值的。
发明内容
本发明的目的在针对已有多波长激光器的不足，提出一种自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器。该激光器能够输出多个波长的皮秒脉冲激光，并可实现波长调谐，具有结构简单、操作简便、成本低廉等优点，可用于光纤通信和光纤传感等领域。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，包括一个增益开关激光器本体、一个偏振控制器、一个耦合器和一个外腔选频器，其特征在于：所述偏振控制器、耦合器和外腔选频器依次通过光纤串连在所述增益开关激光器本体的信号输出端。
上述增益开关激光器本体是由一个F-P半导体激光器、一个温度控制器、一个半导体激光器驱动电源、一个射频信号发生器、一个射频信号放大器和一个偏置器构成的增益开关激光器，所述射频信号发生器依次经所述射频信号放大器和偏置器后连接所述F-P半导体激光器，所述半导体激光器驱动电源连接所述偏置器，所述温度控制器连接所述F-P半导体激光器。
上述外腔选腔器由在多模光纤上写入的倾斜光栅和模式扰频器组成。倾斜光栅对F-P半导体激光器输出的多纵模激光进行选频，并部分反馈形成自注入。
上述耦合器通过单模光纤与写有倾斜光栅的多模光纤熔接相连，形成单模对多模的结构。
上述模式扰频器作用于多模光纤，对多模光纤造成微弯而导致光纤内传输光的低阶模能量向高阶模耦合，使倾斜光栅具有多个反射波长，并且微弯作用越大，反射波长数目也越多。
上述温度控制器控制F-P半导体激光器的温度，使F-P半导体激光器发出的多纵模激光产生漂移，通过倾斜光栅的反射实现多波长脉冲激光输出，并可控制F-P半导体激光器的温度和多模光纤的微弯来实现波长调谐。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的实质性特点和显著优点：
1，结构简单、易于制造、成本低、可光学集成。
2，操作简单，只需要调节F-P半导激光器的温度和通过模式扰频器在多模光纤上造成微弯，就可以实现不同波长的脉冲激光输出，并且具有波长调谐的功能。
3，定时抖动和频率啁啾小，稳定性好。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为不同重量的砝码造成多模光纤微弯时倾斜光栅的反射谱图。
图3为无微弯作用下调节F-P半导体激光器的温度得到的单波长激光光谱图。
图4为无微弯作用下调节F-P半导体激光器的温度得到的单波长脉冲图。
图5为多模光纤在一定微弯作用下调节F-P半导体激光器的温度得到的双波长激光光谱图。
图6为图5中的双波长脉冲激光经12-km单模光纤后的脉冲图。
图7为多模光纤在一定微弯作用下调节F-P半导体激光器的温度得到的三波长激光光谱图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器包括增益开关激光器本体（1）、偏振控制器（2）、耦合器（3）和外腔选频器（4），所述偏振控制器（2）、耦合器（3）和外腔选频器（4）依次通过光纤串连在所述增益开关激光器本体（1）的信号输出端。
增益开关激光器本体（4）是由F-P半导体激光器（5）、温度控制器（6）、半导体激光器驱动电源（7）、射频信号发生器（8）、射频信号放大器（9）和偏置器（10）构成的增益开关激光器。所述射频信号发生器（8）依次经所述射频信号放大器（9）和偏置器（10）后连接所述F-P半导体激光器（5），所述半导体激光器驱动电源（7）连接所述偏置器（10），所述温度控制器（6）连接所述F-P半导体激光器（5）。半导体激光器驱动电源（7）的偏置电流设置低于F-P半导体激光器（5）的阈值电流，射频信号发生器（8）发出的电信号经过射频信号放大器（9）进行放大，与偏置电流一起通过偏置器（10）进行耦合对F-P半导体激光器（5）形成增益开关调制。温度控制器（6）用于控制F-P半导体激光器（5）的温度，温度不同时，F-P半导体激光器（5）输出的多纵模会有所不同，表现为温度升高，优势模向长波长方向漂移。
外腔选腔器（4）由在多模光纤（11）上写入的倾斜光栅（12）和模式扰频器（13）组成。耦合器（3）通过单模光纤（14）与写有倾斜光栅（12）的多模光纤（11）熔接相连，形成单模对多模的结构。倾斜光栅（12）对F-P半导体激光器（5）输出的多纵模激光进行选频，一部分反馈形成自注入，一部分经耦合器（3）输出即为超短脉冲序列。倾斜光纤光栅（12）是在多模光纤（11）中写入的，多模光纤（11）可以承载多个模式，这些模式具有不同的传输速度和模场分布。由于光栅具有一定的倾斜角度，则能够把入射光耦合到多个纤芯模中去，因此能够反射多个波长。通过在模式扰频器（13）上放置砝码的方式对多模光纤（11）造成微弯，所放置的砝码越重，则多模光纤（11）受到的微弯程度越大。微弯作用使多模光纤（11）中的低阶模能量向高阶模发生耦合，并且随着微弯程度的加大，能够耦合的模式数目也越来越多，从而更多的模式被激发出来，使倾斜光栅（12）具有更多个反射峰，如图2所示为放置不同重量的砝码造成多模光纤（11）微弯时倾斜光栅（12）的反射谱。同时，微弯会造成光在多模光纤（11）中传输的损耗加大，实际中可以通过加入光学放大器来增加光功率。
偏振控制器（2）用于控制F-P半导体激光器（5）不同模之间的能量分布以获得最佳的SMSR和较高的输出功率，还可以控制输出多波长的相对强弱，使输出的多波长激光脉冲强度相等。
因此可以通过调节F-P半导体激光器（5）的温度，并放置不同重量的砝码造成多模光纤（11）的微弯，来实现多波长输出和波长调谐。图3为不放砝码即多模光纤（11）没有微弯效应时，调节F-P半导激光器（5）的温度为19.0 ℃，得到的单波长输出光谱，图4为此时在高速取样示波器上观察到的脉冲情况；当放置300 g砝码造成多模光纤（11）一定的微弯，调节F-P半导体激光器（5）的温度为23.7 ℃时，可得到双波长的激光脉冲输出，图5为此时扫描10分钟观察到的光谱情况，图6为输出脉冲经过12-km的单模光纤后的脉冲情况；同样放置300 g砝码造成多模光纤（11）微弯的作用下，调节F-P半导体激光器（5）的温度为28.9 ℃时，可得到三波长激光脉冲输出，图7为此时扫描10分钟观察到的三波长光谱情况。
本自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器作为一种能够输出多波长的皮秒脉冲激光、并可实现波长调谐的激光器，结构简单、操作简便、成本低廉，可用于光纤通信和光纤传感等领域。

Claims (6)

1.一种自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，包括一个增益开关激光器本体（1）、一个偏振控制器（2）、一个耦合器（3）、一个外腔选频器（4），其特征在于：所述偏振控制器（2）、耦合器（3）和外腔选频器（4）依次通过光纤串连在所述增益开关激光器本体（1）的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，其特征在于：所述增益开关激光器本体（1）是由一个F-P半导体激光器（5）、一个温度控制器（6）、一个半导体激光器驱动电源（7）、一个射频信号发生器（8）、一个射频信号放大器（9）和一个偏置器（10）构成的增益开关激光器，所述射频信号发生器（8）依次经所述射频信号放大器（9）和偏置器（10）后连接所述F-P半导体激光器（5），所述半导体激光器驱动电源（7）连接所述偏置器（10），所述温度控制器（6）连接所述F-P半导体激光器（5）。
3.根据权利要求1和2所述的自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，其特征在于：所述外腔选频器（4）由在一根多模光纤(11)上写入的倾斜光栅(12)和模式扰频器（13）组成，倾斜光栅（12）对F-P半导体激光器（5）输出的多纵模激光进行选频，部分反馈形成自注入。
4.根据权利要求1和3所述的自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，其特征在于：所述耦合器（3）通过单模光纤（14）与写有倾斜光栅（12）的多模光纤（11）熔接相连，形成单模对多模的结构。
5.根据权利要求1和4所述的自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，其特征在于：所述模式扰频器（13）作用于多模光纤（11），对多模光纤（11）造成微弯而导致光纤内传输光的低阶模能量向高阶模耦合，使倾斜光栅（12）具有多个反射波长，并且微弯作用越大，反射波长数目也越多。
6.根据权利要求1和5所述的自注入式多模倾斜光纤光栅外腔皮秒脉冲激光器，其特征在于：温度控制器（6）控制F-P半导体激光器（5）的温度，使F-P半导体激光器（5）发出的多纵模激光产生漂移，通过倾斜光栅（12）的反射实现多波长脉冲激光输出，并可控制F-P半导体激光器（5）的温度和多模光纤（11）的微弯来实现波长调谐。
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