專利名稱：一種雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖環(huán)行激光器，特別是涉及一種雙波長單縱模光纖環(huán)形激光器，可廣泛用于光纖無線通信ROF (Radio Over Fiber)、 波分復(fù)用光通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)及光纖傳感技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖激光器是高速、大容量光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，具有結(jié)構(gòu)簡 單、散熱好、閾值低、線寬窄以及易與光纖高效耦合等優(yōu)點(diǎn)。隨著光纖骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，接入網(wǎng)已成為限制用 戶通信帶寬的主要瓶頸。目前，寬帶接入技術(shù)主要有光纖到戶和寬帶 無線接入網(wǎng)絡(luò)兩大發(fā)展趨勢。與有線接入方式相比，無線接入網(wǎng)絡(luò)具 有可移動(dòng)性、靈活性高、建網(wǎng)方便、覆蓋能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著無線接 入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要提高無線通信的載波頻率以增加通信帶寬，其中 非常有前途的寬帶接入方案是采用60GHz頻率的電磁波作為載波，具 有無線通信頻帶寬、頻率重復(fù)利用率高、用戶間串?dāng)_低、保密性好等 優(yōu)點(diǎn)。在未來的第四代無線網(wǎng)絡(luò)中，有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬為100Mb/s 的高速移動(dòng)接入和1000Mb/s的靜止接入，比即將推出的3G系統(tǒng)中最 高2 Mb/s的數(shù)據(jù)帶寬提高約3個(gè)量級。對于高頻(如60 GHz頻段)微波信號，若采用傳統(tǒng)電域方法產(chǎn) 生和處理，由于電子器件速度的限制，則成本高、實(shí)現(xiàn)困難。采用光 學(xué)方法產(chǎn)生微波信號，不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且用光學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 信號的加載和傳輸，從而有效地降低無線接入系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。 用光學(xué)方法進(jìn)行微波信號的產(chǎn)生、處理和傳輸，不但在光纖一無線接 入網(wǎng)絡(luò)(ROF)中有重要應(yīng)用，而且對于雷達(dá)控制與數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)?應(yīng)用也具有重要意義。
用光學(xué)方法產(chǎn)生微波信號主要包括光調(diào)制法和光學(xué)差拍法。光調(diào) 制法需要高頻微波源和高速調(diào)制器，成本高。光差拍法是將兩束頻率 差等于所需微波頻率的激光在高速光電探測器中進(jìn)行差頻，得到微波電信號，成本低，性能穩(wěn)定。用光差拍技術(shù)產(chǎn)生高頻(如60 GHz) 微波信號的關(guān)鍵是得到頻率差為所需微波頻率的具有兩個(gè)波長的微 波光源；其中最具應(yīng)用前景的微波光源是雙波長單縱模光纖環(huán)行激光 器，它產(chǎn)生的微波信號相位噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。但是，光 纖環(huán)行激光器一般用摻鉺光纖做增益介質(zhì)，存在由于摻鉺光纖增益均 勻展寬而導(dǎo)致的波長競爭問題，多波長激光難以在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行。 為了得到單縱模激光，必須采用高性能選模技術(shù)，如采用多重超窄帶 濾波器進(jìn)行選模。目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)論文報(bào)道了多種光學(xué)方法產(chǎn)生微波 信號的雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器。最近，清華大學(xué)陳向飛博士等 人采用等相移技術(shù)制作的超窄雙透射譜光纖布拉格光柵做激光模式 濾波器，用半導(dǎo)體放大器做增益介質(zhì)，提出了一種雙波長單縱模光纖 環(huán)行激光器，實(shí)驗(yàn)上得到了最高為40. 95GHz微波信號(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-柳義Fe6. 200(5>> 。但是，用等相移技術(shù)制作超窄雙透射譜光纖布拉格光柵，工藝較復(fù)雜，波長間隔難 以控制，而且頻率間隔難以高于40GH。華中科技大學(xué)孫軍強(qiáng)教授采 用基于光纖布拉格光柵的法布里-珀羅(F-P)濾波器和摻鉺光纖飽和 吸收體進(jìn)行激光選模，用摻鉺光纖做增益介質(zhì)，提出了一種雙波長單 縱模全光纖環(huán)行激光器，實(shí)驗(yàn)上得到了最高為25.4GHz的微波信號6;pe";-畫s/ /浙wg iwgr"riwg-Z)os^ -戶en^ y /tera, " 0/ AComww".化/. 273,/ /7.招2-4<57, Mqy. 。但是，這種方法得到的微波信號頻率較低，小于26GHz。國內(nèi)外專利和非專利文獻(xiàn)的檢索結(jié)果 表明，目前還沒有光學(xué)方法產(chǎn)生高達(dá)60GHz微波信號的雙波長單縱模
光纖環(huán)行激光器的報(bào)道。綜上所述，目前用光差拍法獲得微波信號的雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器，存在產(chǎn)生的微波頻率較低(小于41GHz)、雙波長光纖激 光器的關(guān)鍵元件雙透射峰窄帶濾波器制作難度大、單縱模激光選頻困 難以及摻鉺光纖激光器存在較強(qiáng)模式競爭而導(dǎo)致多波長激光難以在 室溫下穩(wěn)定工作等問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器，該激光 器能結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行，可產(chǎn)生具有較高頻率 差的雙波長單縱模激光。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明包括摻鉺光纖放大器1、第一偏振控 制器4、光環(huán)行器5、信號/泵浦波分復(fù)用器7、摻鉺光纖8、布拉格 光纖光柵9、第二偏振控制器10、光耦合器11，其特征在于，該激 光器還包括帶通濾波器2和帶阻濾波器3和泵浦激光器6，其中，光環(huán)行器5的第一端口 51依次通過第二偏振控制器10和光耦合 器ll，與摻鉺光纖放大器1的輸入端相接，光耦合器ll還向外部輸 出部分激光。 '光環(huán)行器5的第二端口 52依次通過信號/泵浦波分復(fù)用器7和摻 鉺光纖8，與布拉格光纖光柵9相接；光環(huán)行器5的第三端口 53依次通過第一偏振控制器4、帶阻濾 波器3和帶通濾波器2，與摻鉺光纖放大器1的輸出端相接；帶通濾波器2與帶阻濾波器3構(gòu)成一個(gè)對稱的雙透射峰窄帶濾波 器；泵浦激光器6與泵浦波分復(fù)用器7的另一端口相接，用于對摻鉺 光纖8進(jìn)行同相泵浦。本發(fā)明具有以下有益效果①與前述文獻(xiàn)報(bào)道的用相移技術(shù)制作 的光纖布拉格光柵濾波器和基于光纖布拉格光柵的F-P濾波器相比， 本發(fā)明采用帶通濾波器2與帶阻濾波器3連接得到對稱的雙透射峰窄 帶濾波器構(gòu)成簡單，易于實(shí)現(xiàn)。②可方便實(shí)現(xiàn)不同波長間隔的雙波長 單縱模激光器。因?yàn)閹V波器2與帶阻濾波器3的頻帶比通過級連 形成的單模激光器所需要的雙透射峰窄帶濾波器的頻帶寬得多，因此 帶通濾波器與帶阻濾波器的制作比雙透射峰窄帶濾波器簡單得多。通 過設(shè)計(jì)帶通濾波器2與帶阻濾波器3濾波譜的中心波長、帶寬，就可 構(gòu)成所需要的雙透射峰窄帶濾波器，從而產(chǎn)生不同波長間隔的雙波長 單縱模激光，以滿足不同的需要?！虮景l(fā)明產(chǎn)生的激光，通過光差 拍法可產(chǎn)生60GHz以上的高頻微波信號。目前國內(nèi)外報(bào)道的雙波長單 縱模光纖環(huán)行激光器產(chǎn)生的激光最高只能產(chǎn)生41GHz微波信號。 利 用雙透射峰窄帶濾波器的對稱性及摻鉺光纖放大器平坦的高增益特 性，同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)偏振控制器，使兩個(gè)激射波長都達(dá)到飽和輸出功率， 從而解決摻鉺光纖激光器波長競爭問題，實(shí)現(xiàn)雙波長激光在室溫下穩(wěn) 定工作。⑤用不全完泵浦的摻鉺光纖飽和吸收體產(chǎn)生超窄帶光柵濾波 器，與激光腔中帶通濾波器、帶阻濾波器、布拉格光纖光柵和摻鉺光 纖放大器內(nèi)含的濾波器共同選模，得到單縱模激光。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)測得的濾波器光譜圖，其中，圖(2a)為帶通濾波器光譜圖，圖(2b)為帶阻濾波器光譜圖， 圖(2c)為合成的雙透射峰窄帶濾波器光譜圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例實(shí)驗(yàn)測得的波長間隔為0. 48nm (59.83GHz) 雙波長激光譜圖，其中，圖(3a)為二維光譜圖，圖(3b)為每隔1分鐘測一次共測65 分鐘得到的三維光譜圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種基于光學(xué)方法產(chǎn)生微波信號的雙波長單縱模光 纖環(huán)行激光器，包括摻鉺光纖放大器l、帶通濾波器2、帶阻濾波器 3、第一偏振控制器4、光環(huán)行器5、泵浦激光器6、信號/泵浦波分 復(fù)用器7、摻鉺光纖8、布拉格光纖光柵9、第二偏振控制器10和光
耦合器ll。光環(huán)行器5的第一端口 51依次通過第二偏振控制器10和光耦合 器11，與摻鉺光纖放大器1的輸入端相接，光耦合器11還向外部輸 出部分激光。光環(huán)行器5的第二端口 52依次通過信號/泵浦波分復(fù)用器7和摻 鉺光纖8，與布拉格光纖光柵9相接；泵浦激光器6與泵浦波分復(fù)用 器7的另一端口相接，用于對摻鉺光纖8進(jìn)行同相泵浦。光環(huán)行器5的第三端口 53依次通過第一偏振控制器4、帶阻濾 波器3、帶通濾波器2，與摻鉺光纖放大器1的輸出端相接。摻鉺光纖放大器1輸出光信號，光信號依次通過帶通濾波器2、 帶阻濾波器3、第一偏振控制器4，到達(dá)光環(huán)行器5的第三端口53; 光環(huán)行器5的第二端口 52輸出光信號，光信號依次通過信號/泵浦波 分復(fù)用器7和摻鉺光纖8，到達(dá)布拉格光纖光柵9;布拉格光纖光柵 9將光信號返回輸送，依次通過摻鉺光纖8和信號/泵浦波分復(fù)用器7， 到達(dá)光環(huán)行器5的第二端口 52;光環(huán)行器5的第一端口 51輸出光信 號，光信號通過第二偏振控制器10到達(dá)光耦合器11。光耦合器11 向摻鉺光纖放大器l的輸入端輸出一部分激光，作為反饋激光信號； 同時(shí)，光耦合器ll向外部輸出另一部分激光。信號/泵浦波分復(fù)用器 7的另一端口還與泵浦激光器6相接，泵浦激光器6用于對摻鉺光纖 8進(jìn)行同相泵浦。泵浦激光器6可以是980nm或1480nm。光纖布拉格 光柵9可以是其他類型的高反射濾波器，如光纖環(huán)境等。本發(fā)明的工作原理是摻鉺光纖放大器1作為增益介質(zhì)，并提供 平坦的增益，內(nèi)含的濾波器對激光頻率進(jìn)行粗選。調(diào)節(jié)帶通濾波器2 的中心波長，使帶通濾波器2與帶阻濾波器3構(gòu)成一個(gè)對稱的雙透射 峰窄帶濾波器，以便產(chǎn)生雙波長激光。通過設(shè)計(jì)帶通濾波器2和帶阻 濾波器3的帶寬和中心波長，使兩個(gè)透射峰的頻率間距為所需的微波 頻率。該雙波長激光在光電探測器中進(jìn)行光學(xué)差拍，可以得到所需的 微波信號。泵浦激光器6通過信號/泵浦波分復(fù)用器7對摻鉺光纖8 進(jìn)行部分泵浦，摻鉺光纖8中沒有泵浦的一部分將作為摻鉺光纖飽和
吸收體，摻鉺光纖飽和吸收體的長度和濾波效果，可以通過改變泵浦激光器6的工作電流從而改變泵浦光功率來調(diào)節(jié)。光纖布拉格光柵9 將激光返回到摻鉺光纖8，使摻鉺光纖8中的入射波與反射波形成駐 波，從而形成超窄帶折射率光柵濾波器。該光柵濾波器與激光腔中帶 通濾波器2、帶阻濾波器3、光纖布拉格光柵9和摻鉺光纖放大器1 內(nèi)含的濾波器共同選模，得到單縱模激光。利用雙透射峰窄帶濾波器 的對稱性及摻鉺光纖放大器1平坦的高增益特性，同時(shí)調(diào)節(jié)第一偏振 控制器4和第二偏振控制器10以改變和穩(wěn)定光的偏振狀態(tài)，使兩個(gè) 不同波長的激光都達(dá)到飽和輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)雙波長激光在室溫下 穩(wěn)定工作。光環(huán)行器5用來保證摻鉺光纖支路正常工作和激光單向運(yùn) 行。光學(xué)方法產(chǎn)生60GHz微波信號的雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器 結(jié)構(gòu)如圖1所示， 一臺摻鉺光纖放大器1輸出的光依次通過可調(diào)帶通 濾波器2、帶阻濾波器3、第一偏振控制器4、三端環(huán)行器5的第三 端口53與第二端口52、 980/1550nm波分復(fù)用器7、 一段3米長的摻 鉺光纖8，到達(dá)經(jīng)布拉格光纖光柵9，再返回到摻鉺光纖8，最后由 980/1550nm波分復(fù)用器7、三端環(huán)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，回到摻鉺光纖放大器1的輸入端， 構(gòu)成環(huán)行腔。8: 2光耦合器11的80%端口 112接摻鉺光纖放大器的 輸入端，提供激光反饋，20%端口 113輸出激光。980nm半導(dǎo)體激光 器6通過與980/1550nm波分復(fù)用器7的另一端口相接，用于對摻鉺 光纖8進(jìn)行同相泵浦，泵浦電流根據(jù)作為飽和吸收體摻鉺光纖8的需 要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，摻鉺光纖放大器1的小信號平坦區(qū)增益為25dB， 最大輸出功率為15dBm 。所用的可調(diào)帶通濾波器2為 Newport/TBF-1550-1. 0，實(shí)測中心波長從1530nm到1560nm可調(diào)，3dB 帶寬為1. 44nm;所用的帶阻濾波器3的3dB帶寬為0. lnm，中心波 長為1551. 39nm。用摻鉺光纖放大器1的自發(fā)譜對帶通濾波器2、帶
阻濾波器3的頻譜進(jìn)行測量，結(jié)果如圖2 (a)、 2 (b)所示。帶通濾 波器2與帶阻濾波器3連接，以構(gòu)成雙透射峰窄帶濾波器。調(diào)節(jié)帶通 濾波器2的中心波長及兩個(gè)偏振控制器，由帶通濾波器2與帶阻濾波 器3合成的濾波器頻譜測量結(jié)果如圖2 (c)所示，結(jié)果表明雙透射 峰的波長間距為0. 48nm，并且對稱性很好。用分辨率為0.05nm的光譜儀測量該激光器的輸出譜，結(jié)果如圖 3 (a)所示。兩個(gè)激射波長分別為1551. 21nm和1551. 69nm，波長間 隔為0.48nm，對應(yīng)的頻率間隔為59. 83GHz，消光比大于50dB。由于 這兩個(gè)波長產(chǎn)生于激光器的同一諧振腔，因此有很好的相干性和穩(wěn)定 的相位差，如果用高速光電探測器對它們進(jìn)行光學(xué)差拍，將得到 59.83GHz的微波信號。為了檢測該激光器的工作穩(wěn)定性，在室溫下 每隔10分鐘測一次激光譜，共測80分鐘，得到的三維頻譜如圖3(b) 所示，結(jié)果表明穩(wěn)定性很好。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明提供的激光器在室溫下能穩(wěn)定工作，可用來產(chǎn) 生高頻微波信號，具有很好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器，包括摻鉺光纖放大器(1)、第一偏振控制器(4)、光環(huán)行器(5)、信號/泵浦波分復(fù)用器(7)、摻鉺光纖(8)、布拉格光纖光柵(9)、第二偏振控制器(10)、光耦合器(11)，其中，光環(huán)行器(5)的第一端口(51)依次通過第二偏振控制器(10)和光耦合器(11)，與摻鉺光纖放大器(1)的輸入端相接，光耦合器(11)還向外部輸出部分激光；光環(huán)行器(5)的第二端口(52)依次通過信號/泵浦波分復(fù)用器(7)和摻鉺光纖(8)，與布拉格光纖光柵(9)相接；其特征在于，該激光器還包括帶通濾波器(2)、帶阻濾波器(3)和泵浦激光器(6)，其中，光環(huán)行器(5)的第三端口(53)依次通過第一偏振控制器(4)、帶阻濾波器(3)和帶通濾波器(2)，與摻鉺光纖放大器(1)的輸出端相接，帶通濾波器(2)與帶阻濾波器(3)構(gòu)成一個(gè)對稱的雙透射峰窄帶濾波器；泵浦激光器(6)與泵浦波分復(fù)用器(7)的另一端口相接，用于對摻鉺光纖(8)進(jìn)行同相泵浦。
全文摘要
一種雙波長單縱模光纖環(huán)行激光器，光環(huán)行器的一個(gè)端口依次通過偏振控制器，光耦合器，與摻鉺光纖放大器的輸入端相接；光環(huán)行器的第二端口依次通過信號/泵浦波分復(fù)用器、摻鉺光纖，與布拉格光纖光柵相接，泵浦激光器與泵浦波分復(fù)用器相接，用于對摻鉺光纖進(jìn)行同相泵浦；光環(huán)行器的第三端口依次通過偏振控制器、帶阻濾波器、帶通濾波器，與摻鉺光纖放大器的輸出端相接，帶通濾波器與帶阻濾波器構(gòu)成一個(gè)對稱的雙透射峰窄帶濾波器。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行，可產(chǎn)生具有較高頻率差的雙波長單縱模激光。
文檔編號H01S3/06GK101132109SQ20071005274
公開日2008年2月27日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者張新亮, 陳國杰, 黃德修 申請人:華中科技大學(xué)