一種基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)工程、材料工程和光纖光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光纖激光、調(diào)制和傳感技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖激光器作為一種重要的光學(xué)器件，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中都具有重要的廣泛的應(yīng)用，如高亮度光源，光信號(hào)發(fā)生源，激光切割刀，調(diào)制解調(diào)元件等等。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)脈沖激光器提出了越來越高的需求，如:超快，大功率，高速可調(diào)諧、光學(xué)傳感等等。
[0003]特別是在長(zhǎng)距離光傳感領(lǐng)域，要求作為光源的脈沖激光器既具有可調(diào)的脈沖特性，又具有窄線寬特性，還能輸出高峰值功率，在理論和實(shí)際中都是巨大的挑戰(zhàn)。
[0004]當(dāng)前，脈沖激光器在工作原理上一般分為三類，即:鎖模脈沖激光器、調(diào)Q脈沖激光器和外調(diào)制型脈沖激光器。單純的鎖模、調(diào)Q和外調(diào)制型脈沖激光器都不能滿足低插損、高速可調(diào)的窄線寬脈沖光輸出的茍1刻要求。具體的來說，鎖模激光器和調(diào)Q激光器一般難以進(jìn)行重頻和脈寬的調(diào)控，且從原理上不能實(shí)現(xiàn)窄線寬的輸出。外調(diào)制型脈沖激光器受制于外調(diào)制器，插入損耗較高，調(diào)制速率低(兆赫茲級(jí))。
[0005]另外，傳統(tǒng)的脈沖激光器受材料、工藝和成本限制，更多的采用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。然而，半導(dǎo)體脈沖激光器也存在諸多限制，很難輸出大范圍可調(diào)諧，高峰值功率的脈沖。
[0006]光纖激光器的發(fā)展為這一問題提供了新的解決方案?；谌饫w的激光器件具有低成本、低損耗、易接入、可拓展和可組網(wǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能輸出更大的功率，更高的帶寬和更純的模式，在現(xiàn)代光通信和光傳感中扮演著越來越重要的角色?；谌饫w的鎖模、調(diào)Q和調(diào)制型脈沖激光器也在近年來不斷被發(fā)明和改進(jìn)。即使如此，使用光纖結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧脈沖特性和窄線寬特性，也存在難度，往往需要光纖激光器、光纖調(diào)制器、光纖濾波器等多個(gè)器件的組合，這樣就加大了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述存在問題或不足，為了解決了傳統(tǒng)窄線寬光纖激光器無法在同一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)高速可調(diào)的脈沖光輸出的問題，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器。
[0008]其結(jié)構(gòu)特征為:由980納米波段的單模光纖拉制并打環(huán)結(jié)的微光纖環(huán)型諧振腔(MFR)和增益型分布反饋布拉格光纖光柵(DFB)通過耦合器級(jí)聯(lián)而成；在微光纖環(huán)形腔遠(yuǎn)離耦合區(qū)位置，覆蓋一層寬度I毫米的長(zhǎng)方形石墨烯薄膜，而后在石墨烯薄膜沒有覆蓋到微光纖環(huán)形腔的兩端上側(cè)生長(zhǎng)一對(duì)電極。使得該微光纖環(huán)被安置在二氧化硅基片上，并通過范德華力固定緊貼。
[0009]其具體參數(shù)為:微光纖直徑I微米，長(zhǎng)度I?2厘米，微光纖環(huán)直徑0.5毫米，微光纖環(huán)打結(jié)耦合區(qū)域長(zhǎng)度為5?6微米，石墨烯薄膜為0.38納米厚I毫米寬的單層石墨烯。石墨烯薄膜上的電極材料為金，用于施加±20伏特的調(diào)制電壓。二氧化硅基片面積為I平方厘米，厚度為3毫米。所采用的增益型分布反饋布拉格光柵，刻寫在鉺鐿雙摻的單模光纖纖芯中，纖芯直徑為6微米，光柵長(zhǎng)度為2厘米。
[0010]該基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器，其特征在于:以980納米波段激光作為栗浦光源，其輸出為1550?1560納米波段的窄線寬可調(diào)脈沖，激射效率為0.5%?1%，輸出信號(hào)為1550?1560納米波段的可調(diào)脈沖，其頻域線寬為2?3k赫茲，最大調(diào)制速度為1G赫茲，信噪比為20分貝。
[0011]在該發(fā)明中，單層石墨烯起到重要作用，以完成對(duì)注入增益介質(zhì)的栗浦的脈沖化調(diào)制。單層石墨烯，厚度為0.38nm，作為一種二維材料，是目前已報(bào)道的表面積/體積比最大的薄膜材料，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，其中最典型的之一為基于費(fèi)米能級(jí)的光電可調(diào)諧效應(yīng)，通過外加電壓調(diào)節(jié)石墨稀的載流子濃度，可顯著調(diào)節(jié)其光傳輸損耗，進(jìn)而在特定波段調(diào)節(jié)本發(fā)明中的微光纖環(huán)的整體，進(jìn)而形成時(shí)域脈沖。另外，在該發(fā)明中，增益型分布反饋布拉格光纖光柵同時(shí)作為激光的產(chǎn)生元件和窄線寬濾波器件，在反射端輸出窄線寬的激光。受石墨烯調(diào)制的脈沖栗浦激勵(lì)，其輸出也為脈沖。
[0012]本發(fā)明的工作過程為:通過980納米波段的單模光纖，將980納米連續(xù)光栗浦注入為光纖環(huán)形諧振腔中，并形成干涉，且使干涉相消點(diǎn)(Resonant Dip)位于980納米處。同時(shí)，通過石墨烯上的電極接入周期變化的調(diào)制電壓，以調(diào)節(jié)石墨烯覆蓋區(qū)域的光衰減。當(dāng)石墨烯覆蓋區(qū)域衰減強(qiáng)時(shí)，光信號(hào)更難耦合進(jìn)入環(huán)形諧振腔，從而表現(xiàn)為強(qiáng)輸出即干涉相消弱，當(dāng)石墨烯覆蓋區(qū)域衰減弱時(shí)，環(huán)形諧振腔具有高Q特性，光信號(hào)更多的保留在環(huán)形諧振腔內(nèi)，從而表現(xiàn)為弱輸出即干涉相消強(qiáng)。在輸出端，即形成受電調(diào)制的脈沖栗浦。此栗浦注入增益型分布反饋布拉格光纖光柵中，產(chǎn)生1550納米波段的激光，并通過反射端輸出。此激光時(shí)域特性和栗浦一致，為基于石墨烯調(diào)制的脈沖激光。同時(shí)，分布反饋布拉格光纖光柵本身具有窄線寬濾波特性，所以輸出的脈沖激光也具有窄線寬的特性。
[0013]綜上所述，本發(fā)明具有低成本、低損耗，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和制作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，方便應(yīng)用；通過常規(guī)980波段連續(xù)光源栗浦，可以產(chǎn)生既是窄線寬，又是可調(diào)脈沖的激光輸出；還具有極強(qiáng)的實(shí)用性，其頻域線寬為2?3k赫茲，最大調(diào)制速度為1G赫茲，信噪比為20分貝，可以被廣泛的直接使用在全光纖的傳感和通信系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的石墨烯覆蓋微光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的顯微圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的是實(shí)施例系統(tǒng)圖；
[0017]圖4是應(yīng)用本發(fā)明的調(diào)制結(jié)果示意圖；
[0018]附圖標(biāo)記:1_微納光纖打結(jié)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔，2-單層石墨烯薄膜，3-金電極，
4-980納米波段單模光纖，5-1550納米波段單模光纖，6-分布反饋布拉格光纖光柵，7- 二氧化硅基片，8-980納米連續(xù)光栗浦，9-波分復(fù)用耦合器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0020]結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4所示，將980納米波段的單模光纖，通過熔融拉錐方法制備為直徑I微米的微光纖，長(zhǎng)度2厘米，并通過探針牽引打結(jié)成Knot環(huán)形，該微光纖環(huán)直徑
0.5毫米，微光纖環(huán)打結(jié)耦合區(qū)域長(zhǎng)度為5微米。將該微光纖環(huán)安置在二氧化硅基片上，并通過范德華力固定緊貼。在微光纖環(huán)形腔遠(yuǎn)離耦合區(qū)位置，通過CVD方法和濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)，覆蓋一層厚度0.38納米，寬度I毫米的單層石墨烯薄膜。而后，通過磁控濺射技術(shù)，在石墨烯薄膜沒有覆蓋到微光纖環(huán)的兩端上側(cè)生長(zhǎng)一對(duì)金電極。金電極覆蓋面積I毫米*0.5毫米，電極厚度130納米。將微光纖環(huán)形諧振腔的輸出端耦合到一個(gè)3分貝波分復(fù)用耦合器中，波分復(fù)用耦合器另一端接增益型分布反饋布拉格光纖光柵，該分布反饋布拉格光纖光柵刻寫在鉺鐿雙摻的單模光纖纖芯中，纖芯直徑為6微米，光柵長(zhǎng)度為2厘米。
[0021]在激光工作過程中，由環(huán)形諧振腔的輸入端注入980納米波段的連續(xù)光栗浦，同時(shí)在金電極上施加快速調(diào)制的±20伏特的調(diào)制電壓。在環(huán)形諧振腔輸出端，即輸出受快速調(diào)制的脈沖栗浦。在增益型分布反饋布拉格光纖光柵中，受栗浦抽運(yùn)，產(chǎn)生1550納米波段的激光，并后向輸出，并由波分復(fù)用耦合器分離為純凈的1550納米波段的受調(diào)制脈沖激光。該激光由于分布反饋布拉格光纖光柵的濾波特性而呈現(xiàn)窄線寬特性。
[0022]上述具體實(shí)施方法用來解釋說明本發(fā)明裝置，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利說明書的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明的任何改變與變動(dòng)，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器，其結(jié)構(gòu)特征為:由980納米波段的單模光纖拉制并打環(huán)結(jié)的微光纖環(huán)型諧振腔MFR和增益型分布反饋布拉格光纖光柵DFB通過耦合器級(jí)聯(lián)而成；在微光纖環(huán)形諧振腔遠(yuǎn)離耦合區(qū)位置，覆蓋一層I毫米寬的石墨烯薄膜，而后在石墨烯薄膜沒有覆蓋到微光纖環(huán)形腔的兩端上側(cè)生長(zhǎng)一對(duì)電極，使得該微光纖環(huán)形諧振腔被安置在二氧化硅基片上，并通過范德華力固定緊貼，石墨烯薄膜為0.38納米厚的單層長(zhǎng)方形石墨烯。2.如權(quán)利要求1所述基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器，其特征在于:所述微光纖直徑I微米，長(zhǎng)度I?2厘米，微光纖環(huán)直徑0.5毫米，微光纖環(huán)打結(jié)耦合區(qū)域長(zhǎng)度為5?6微米；所述石墨烯薄膜上的電極材料為金，用于施加±20伏特的調(diào)制電壓；所述二氧化硅基片面積為I平方厘米，厚度為3毫米；所采用的增益型分布反饋布拉格光柵，刻寫在鉺鐿雙摻的單模光纖纖芯中，纖芯直徑為6微米，光柵長(zhǎng)度為2厘米。3.如權(quán)利要求1或2所述基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器，其特征在于:以980納米波段激光作為栗浦光源，其輸出為1550?1560納米波段的窄線寬可調(diào)脈沖，激射效率為0.5%?1%，輸出信號(hào)為1550?1560納米波段的可調(diào)脈沖，其頻域線寬為2?3k赫茲，最大調(diào)制速度為1G赫茲，信噪比為20分貝。4.如權(quán)利要求1或2所述基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器，其的工作過程為: 通過980納米波段的單模光纖，將980納米連續(xù)光栗浦注入為光纖環(huán)形諧振腔中，并形成干涉，且使干涉相消點(diǎn)Resonant Dip位于980納米處；同時(shí)，通過石墨稀上的電極接入周期變化的調(diào)制電壓，以調(diào)節(jié)石墨烯覆蓋區(qū)域的光衰減； 當(dāng)石墨烯覆蓋區(qū)域衰減強(qiáng)時(shí)，光信號(hào)更難耦合進(jìn)入環(huán)形諧振腔，從而表現(xiàn)為強(qiáng)輸出即干涉相消弱，當(dāng)石墨烯覆蓋區(qū)域衰減弱時(shí)，環(huán)形諧振腔具有高Q特性，光信號(hào)更多的保留在環(huán)形諧振腔內(nèi)，從而表現(xiàn)為弱輸出即干涉相消強(qiáng)；在輸出端，即形成受電調(diào)制的脈沖栗浦；此栗浦注入增益型分布反饋布拉格光纖光柵中，產(chǎn)生1550納米波段的激光，并通過反射端輸出。
【專利摘要】本發(fā)明涉及光學(xué)工程、材料工程和光纖光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯微光纖環(huán)調(diào)制的脈沖型窄線寬光纖激光器。其結(jié)構(gòu)特征為：由980納米波段的單模光纖拉制并鏈接的微光纖環(huán)型諧振腔和增益型分布反饋布拉格光纖光柵級(jí)聯(lián)而成，且使用石墨烯薄膜將微光纖環(huán)形諧振腔的一部分覆蓋起來，并在石墨烯薄膜上的兩側(cè)覆蓋金屬電極，整個(gè)微光纖環(huán)形諧振腔固定在一個(gè)二氧化硅基片上。本發(fā)明通過常規(guī)980波段連續(xù)光源泵浦，可以產(chǎn)生既是窄線寬，又是可調(diào)脈沖的激光輸出；還具有極強(qiáng)的實(shí)用性，其頻域線寬為2～3k赫茲，最大調(diào)制速度為10G赫茲，信噪比為20分貝，可以被廣泛的直接使用在全光纖的傳感和通信系統(tǒng)中。
【IPC分類】H01S3/067, H01S3/038
【公開號(hào)】CN105337149
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510926127
【發(fā)明人】姚佰承, 庾財(cái)斌, 吳宇, 饒?jiān)平?
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年12月14日