可调谐纤维集成光频率梳
阅读：565发布：2021-06-11
专利汇可以提供可调谐纤维集成光频率梳专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供的是一种可调谐 纤维 集成光 频率 梳。由980/1550nm WDM，普通单模光纤和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组连接组成；对所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组施加侧面 挤压 ，或控制 谐振腔 的弯曲度，或控制 温度 梯度场变化，或控制轴向拉伸，实现对输出光频率梳的调谐。本发明与传统的光频率梳相比，其高度纤维集成特性使得器件受外界环境因素的干扰多为共模干扰；全光纤器件，插入损耗很小，安装调试方便，制作简单，成本低廉；掺杂不同的稀土元素，包括多种稀土元素混合掺杂，可以实现不同波段、宽谱光频率梳。本发明具有制造工艺简单、高度纤维集成、 稳定性 好、受外界干扰小、损耗低以及易匹配等优点。，下面是可调谐纤维集成光频率梳专利的具体信息内容。
1.一种可调谐纤维集成光频率梳，其特征是：由980/1550nm WDM，普通单模光纤和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组连接组成；环形多芯光纤N个纤芯的折射率有目的地设计为依次略有差别，对所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组施加侧面挤压，或控制谐振腔的弯曲度，或控制温度梯度场变化，或控制轴向拉伸，实现对输出光频率梳的调谐；
所述环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是透射式环形多芯光纤并行F-P干涉仪组，一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组串接在两个980/1550nmWDM中间构成透射式可调谐纤维集成光频率梳；所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是在一段环形多芯光纤纤芯上刻写一对Bragg光纤光栅构成并行F-P干涉仪组，环形多芯光纤两端与普通单模光纤通过熔融拉锥的方法连接在一起；
所述在一段环形多芯光纤纤芯上刻写一对Bragg光纤光栅是，在一段环形多芯光纤纤芯两侧分别刻写一对并行Bragg光纤光栅组，并使每一纤芯上一对Bragg光纤光栅具有相同的反射中心波长。
2.一种可调谐纤维集成光频率梳，其特征是：由980/1550nm WDM，普通单模光纤和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组连接组成；环形多芯光纤N个纤芯的折射率有目的地设计为依次略有差别，对所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组施加侧面挤压，或控制谐振腔的弯曲度，或控制温度梯度场变化，或控制轴向拉伸，实现对输出光频率梳的调谐；
所述环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是反射式环形多芯光纤并行F-P干涉仪组，一个
980/1550nmWDM410和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组串接构成反射式可调谐纤维集成光频率梳；所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是在一段环形多芯光纤纤芯左侧刻写Bragg光纤光栅，右端光纤端面上镀1550nm波段全反射膜作为光纤端面反射镜构成并行F-P干涉仪组，环形多芯光纤左端与普通单模光纤通过熔融拉锥的方法连接在一起。
可调谐纤维集成光频率梳
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种可调谐纤维集成光频率梳，属于光纤技术领域。
背景技术
[0002] 光学频率梳是指一系列离散的、等波长间距的脉冲激光，其频谱分布很像一把梳子。光学频率梳广泛应用于光学原子钟，超灵敏化学探测器，超级激光器，长途光纤通信和高灵敏度激光雷达等领域。利用锁模飞秒激光器实现的飞秒光学频率梳使得人类能够利用一把高精度的“光尺”对光学频率实现极其精密的测量(Direct Link between Microwave and OpticalFrequencies with a 300THz Femtosecond Laser Comb，Phys.Rev.Lett.84，5102-5105，2000)。国内中科院物理研究所利用飞秒钛宝石振荡器作过“高稳定高重复率单块光学频率梳”(CN101846861)。飞秒光学频率梳对下一代光学原子钟的研制，在健康诊断和环境监测领域有重要的应用前景。飞秒光学频率梳是一系列超短脉冲激光，其频率间隔严格相等，某个波长的超短脉冲激光在光谱上显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。而在光纤通信和光纤传感领域，对于光学频率梳的脉冲宽度和频率间隔的要求要低很多。利用光学交错梳状滤波器(Interleaver)的透射谱呈梳状的特征，将宽谱光注入，在输出端即可得到光频率梳(US6574049)；或者利用Interleaver的复用功能，将一个波长的脉冲光复用到一根光纤中也可以得到光频率梳(US 7418168B2，US 7499653B2)。公开号为CN
101401032的专利文件中提出一种采用单一的调制器产生具有平坦谱线特征的光学频率梳发生装置。对于长途光纤通信，光频率梳的应用可以极大地增加单根光纤的传输信号容量，同时还可以降低各个信道之间的干扰，尤其是安全通信，光频率梳的应用好处很多。
101401032的专利文件中提出一种采用单一的调制器产生具有平坦谱线特征的光学频率梳发生装置。对于长途光纤通信，光频率梳的应用可以极大地增加单根光纤的传输信号容量，同时还可以降低各个信道之间的干扰，尤其是安全通信，光频率梳的应用好处很多。
[0003] 到目前为止，按梳状频域信号发生装置的不同，光学频率梳的发展可分为如下几类：基于钛宝石锁模飞秒脉冲激光的可见光及近红外波段光频梳；基于掺铒光纤飞秒激光器的红外波段光频梳；基于腔外共振增强腔的紫外光频梳；以及基于微腔激光器的光频梳。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种简便、稳定、可靠的可调谐纤维集成光频率梳。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 由980/1550nm WDM(波分复用器)，普通单模光纤和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组连接组成；对所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组施加侧面挤压，或控制谐振腔的弯曲度，或控制温度梯度场变化，或控制轴向拉伸，实现对输出光频率梳的调谐。
[0007] 本发明还可以包括：
[0008] 1、所述环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是透射式环形多芯光纤并行F-P干涉仪组，一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组串接在两个980/1550nmWDM中间构成透射式可调谐纤维集成光频率梳；所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是在一段环形多芯光纤纤芯上刻写一对Bragg光纤光栅构成并行F-P干涉仪组，环形多芯光纤两端与普通单模光纤通过熔融拉锥的方法连接在一起。
[0009] 2、所述在一段环形多芯光纤纤芯上刻写一对Bragg光纤光栅是，在一段环形多芯光纤纤芯两侧分别刻写一对并行Bragg光纤光栅组，并使每一纤芯上一对Bragg光纤光栅具有相同的反射中心波长。
[0010] 3、所述环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是反射式环形多芯光纤并行F-P干涉仪组，一个980/1550nmWDM410和一个环形多芯光纤并行F-P干涉仪组串接构成反射式可调谐纤维集成光频率梳；所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组是在一段环形多芯光纤纤芯左侧刻写Bragg光纤光栅，右端光纤端面上镀1550nm波段全反射膜作为光纤端面反射镜构成并行F-P干涉仪组，环形多芯光纤左端与普通单模光纤通过熔融拉锥的方法连接在一起。
[0011] 输入端WDM导入980nm泵浦光，通过普通单模光纤-环形多芯光纤熔接拉锥准锥形结构1×N均匀分束进入环形多芯光纤的N个纤芯中，980nm泵浦光在铒掺杂环形多芯光纤的N个纤芯中激发1550nm波段的光，经Bragg光纤光栅选频后在F-P谐振腔内振荡放大形成激光；环形多芯光纤并行F-P干涉仪组每一纤芯由于其不同的Bragg光纤光栅而选出不同频率的光在谐振腔振荡放大，它们都各自输出一个不同波长的窄带脉冲激光，再经过环形多芯光纤-普通单模光纤熔接拉锥准锥形结构的N×1合束器合波后由输出端WDM输出得到光频率梳。通过外界作用(比如侧面挤压，谐振腔弯曲，温度梯度场和轴向拉伸等)对环形多芯光纤并行超F-P腔或者对Bragg光纤光栅的选频功能施加影响，可以实现对输出光频率梳谱的全面调谐。
[0012] 本发明与已有技术不同，是利用在具有不同纤芯折射率的掺杂环形多芯光纤中写入光纤光栅构造F-P干涉仪的方法，制作出一种可调谐的纤维集成光频率梳。光纤光栅是光通信、光传感及光信息处理等领域最为重要的光无源器件之一，多芯光纤以其低成本和高密集度在当今社会中得到了越来越广泛的应用。将光纤光栅应用于多芯光纤中，不仅节省空间，操作方便、灵活，而且可实现很多功能，构造新的器件。利用多芯光纤低成本和高密集度的结构特性，在纤芯中写入光纤光栅构造F-P干涉仪组，容易实现光频率梳的调谐，这种光频率梳由于其高度纤维集成特性使得器件受外界环境因素的干扰很小，全光纤器件特性使得其具有插入损耗很小，损耗低，安装调试方便，制作简单，成本低廉等优点。
[0013] 本发明还可以包括这样一些特点：
[0014] 1、所述的环形多芯光纤的N个纤芯上刻写双Bragg光纤光栅对，或者在其一侧刻写Bragg光纤光栅，另一端光纤端面镀全反射膜构成并行F-P干涉仪组。前者为透射式并行F-P干涉仪组，后者为反射式并行F-P干涉仪组。
[0015] 2、所述的980/1550nm WDM两个串联起来并在中间接入透射式并行F-P干涉仪组，或者将一个980/1550nm WDM与反射式并行F-P干涉仪组串接起来构成透射式或反射式可调谐纤维集成光频率梳。WDM与环形多芯光纤之间的连接使用普通单模光纤。
[0016] 3、所述的输入端WDM的980nm泵浦光输入臂接入光纤单向隔离器，其作用是防止返回的980nm泵浦光进入泵浦源影响泵浦源的输出稳定性。对于透射式可调谐纤维集成光频率梳而言，输入端WDM的另一1550nm输出臂外接光谱仪对可调谐纤维集成光频率梳输出进行实时监测；输出端WDM的980nm输出臂上刻写全反射光纤光栅，其作用是把未转换的980nm泵浦光反射回掺杂环形多芯光纤中重复利用，提高泵浦光的利用率。
[0017] 4、所述的环形多芯光纤与普通单模光纤通过熔接耦合的方法连接在一起，是指普通单模光纤的尾端和环形多芯光纤的一端利用光纤熔接机直接对接熔合，然后对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形结构作为1×N光均匀分束器或者光合束器，这里N为环形多芯光纤纤芯数目。对于透射式并行F-P干涉仪组，有两个焊点，一个准锥形结构作为光均匀分束器，另一个准锥形结构作为光合束器；对于反射式并行F-P干涉仪组，只有一个焊点，拉锥区准锥形结构既作为光均匀分束器，又作为光合束器。
[0018] 5、所述的透射式并行F-P干涉仪组每个纤芯上的一对Bragg光纤光栅的反射率不相同：干涉仪输入端光栅的反射率接近100％，输出端光栅的反射率在80％～90％之间；所述的反射式并行F-P干涉仪组Bragg光纤光栅的反射率在80％～90％之间。
[0019] 6、所述的环形多芯光纤纤芯一端Bragg光纤光栅用同一掩模板一次性同时写入，理论上环形多芯光纤纤芯一端Bragg光纤光栅几何分布是相同的。
[0020] 7、所述的环形多芯光纤N个纤芯的折射率有目的地设计为依次略有差别，由于环形多芯光纤并行F-P干涉仪组一端的光纤光栅几何分布是相同的，而不同的纤芯折射率使光纤光栅的等效折射率不同，从而环形多芯光纤N个纤芯的光纤光栅选出不同频率的光受激振荡、放大输出。根据目标光频率梳频率间隔、峰值波长等参数反向计算出环形多芯光纤N个纤芯的折射率分布，这样拉制出来的环形多芯光纤可以依本发明提供的方案制作出接近目标的光频率梳。
[0021] 8、所述的环形多芯光纤并行F-P干涉仪组受侧面挤压，谐振腔弯曲，温度梯度场和轴向拉伸等外界作用，这些人为可控起调制作用的外界作用通过改变环形多芯光纤N个纤芯之间的功率耦合调制输出光频率梳的光谱包络，通过一致改变Bragg光纤光栅反射中心波长调制输出光频率梳光谱的频率分布。
[0022] 9、所述的环形多芯光纤纤芯可以进行铒掺杂，实现信号的加强与放大。掺杂不同的稀土元素，包括多种稀土元素混合掺杂，可以实现不同波段、宽谱光频率梳。
[0023] 本发明的优势在于：1.与传统的光频率梳相比，其高度纤维集成特性使得器件受外界环境因素的干扰多为共模干扰；2.全光纤器件，插入损耗很小，安装调试方便，制作简单，成本低廉；3.掺杂不同的稀土元素，包括多种稀土元素混合掺杂，可以实现不同波段、宽谱光频率梳。
[0025] 图1为本发明环形多芯光纤截面图；
[0026] 图2为本发明透射式可调谐纤维集成光频率梳原理示意图；
[0027] 图3为本发明透射式并行F-P干涉仪组结构示意图；
[0028] 图4为本发明反射式可调谐纤维集成光频率梳原理示意图；
[0029] 图5为本发明反射式并行F-P干涉仪组结构示意图；
[0030] 图6为本发明环形多芯光纤并行F-P干涉仪组调谐示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
[0032] 图1为本发明环形多芯光纤截面图；N个纤芯1(图中所示为10芯)等间距与包层2构成同心圆环形结构，每个纤芯1都被包层2所包围，每个纤芯1直径与普通单模光纤纤芯直径相同。
[0033] 图2为本发明的实施例1的原理示意图，泵浦源发出的980nm泵浦光201由输入端WDM210的980nm光纤臂211导入，通过环形多芯光纤左端227单模光纤-环形多芯光纤熔接拉锥准锥形结构1×N分束器均匀分成N束光，分别进入环形多芯光纤222的N个纤芯中。980nm泵浦光201在环形多芯铒掺杂光纤222的N个纤芯中激发1550nm波段的光，经环形多芯光纤222每根纤芯左右两侧Bragg光纤光栅229、231一致选频后在F-P谐振腔内振荡放大形成激光。环形多芯光纤222的N个纤芯折射率设计为依次略有差别，而光纤光栅几何分布由于环形多芯光纤并行F-P干涉仪组一端的光纤光栅是用同一掩模板一次性同时写入的原因，它们是相同的，不同的纤芯折射率使得光纤光栅的等效折射率不同，于是环形多芯光纤222的N个纤芯上的光纤光栅229、231选出不同频率的光受激振荡、放大输出。环形多芯光纤222内部N个纤芯输出N个波长不同的窄带脉冲激光，经过环形多芯光纤222右端228环形多芯光纤-单模光纤熔接拉锥准锥形结构N×1合束器合波后由输出端WDM240的1550nm光纤臂241输出得到光频率梳202。其中光纤熔合后需要经过清洗，然后用环氧树脂进行封装固化。该实施例中，输入端WDM210的980nm光纤臂211上接有光纤单向隔离器213，防止返回的980nm泵浦光进入泵浦源影响源的输出稳定性；由于光纤光栅229反射中心波长的反射率接近100％，所以从光纤光栅229透射出来的1550nm波段的光与光纤光栅231输出的1550nm波段的光在光谱上具有非常明显的互补性。利用这种互补性，在输入端WDM210的1550nm光纤臂212上外接光谱分析仪，可以根据该臂输出的光谱对输出端输出的光频率梳202进行实时监测；输出端WDM240的980nm光纤臂242上接有全反射光纤光栅243，作用在于将输出端未转换的泵浦光反射回掺杂环形多芯光纤中重复利用，提高泵浦效率。该实施例中环形多芯光纤222纤芯两侧的Bragg光纤光栅229、231可以利用相位掩模板法进行写入，每一侧光栅用同一掩模板一次性同时写入。
[0034] 图3为本发明透射式并行F-P干涉仪组结构示意图；用光纤熔接机将普通单模光纤221的尾端与一段环形多芯光纤222的左端对准，使单模光纤221的纤芯224位于环形多芯光纤纤芯225围成的圆心处，然后用光纤熔接机直接熔合，而后对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形结构227作为1×10(图中所示环形多芯光纤纤芯数为10)光均匀分束器。同样，用光纤熔接机将环形多芯光纤222的右端与普通单模光纤223的首端对准，使单模光纤223的纤芯226位于环形多芯光纤纤芯225围成的圆心处，然后用光纤熔接机直接熔合，而后对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形结构228作为10×1光合束器。在环形多芯光纤与单模光纤焊点之间的环形多芯光纤纤芯225左右两侧写入双Bragg光纤光栅对229-231构成透射式并行F-P干涉仪组，环形多芯光纤222的10个纤芯左右两侧Bragg光纤光栅229、231分别采用同一掩模板一次性同时写入。对环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔施加外界作用251(比如挤压、弯曲和轴向拉伸等)或者对环形多芯光纤两侧写有光纤光栅的部位一致施加相同外界作用252(比如侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等)可以实现透射式并行F-P干涉仪组的全面调谐。
[0035] 图4为本发明的实施例2的原理示意图，在本实施例中，其工作原理与实施例1基本相同，只是在结构上有所变化。实现可调谐纤维集成光频率梳最核心的部分，环形多芯光纤并行F-P干涉仪组，在实施例1中由双Bragg光纤光栅对229-231构成，而在实施例2中则由左Bragg光纤光栅425和右光纤端面反射镜427组合结构所替代，即利用光纤端面反射镜427将环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔左右两端光纤光栅整合为一个。在实施例2中，输入WDM和输出WDM也整合为一个。其中，WDM410的980nm光纤臂411作为980nm泵浦光401的输入端，其上接有光纤单向隔离器413，防止返回的光进入泵浦源影响其输出稳定性；WDM410的1550nm光纤臂412作为系统的输出端，环形多芯掺杂光纤并行F-P干涉仪组420产生光频率梳402由这一臂输出。该实施例中环形多芯光纤422纤芯左侧的Bragg光纤光栅426可以利用相位掩模板法进行写入，N个纤芯上的光栅都是用同一掩模板一次性同时写入的。该实施例中光纤端面反射镜427可以利用真空镀膜机对垂直于光纤轴线高光洁度的环形多芯光纤端面镀1550nm波段全反射膜。
[0036] 图5为本发明反射式并行F-P干涉仪组结构示意图；用光纤熔接机将普通单模光纤421的尾端与一段环形多芯光纤422的左端对准，使单模光纤421的纤芯423位于环形多芯光纤纤芯424围成的圆心处，然后用光纤熔接机直接熔合，而后对熔接后的光纤利用拉锥机在两光纤焊点处进行加热拉锥，在焊点处形成准锥形结构425作为1×10(图中所示环形多芯光纤纤芯数为10)光均匀分束器；当光反向通过准锥形结构425时，它就作为光合束器。在环形多芯光纤422右边垂直于光纤轴向方向的光纤端面上镀一层1550nm波段全反射光学薄膜作为光纤端面反射镜427，与写在环形多芯光纤左侧纤芯上的光纤光栅426构成反射式并行F-P干涉仪组。环形多芯光纤422左侧10个纤芯上的Bragg光纤光栅采用相位掩模板法用同一掩模板一次性同时写入。与透射式并行F-P干涉仪组相比，反射式最大的优点在于利用光纤端面反射镜427将环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔左右两端光纤光栅整合为一个，方便于两端光纤光栅反射中心波长的一致调谐。对环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔施加外界作用431(比如挤压、弯曲和轴向拉伸等)或者对环形多芯光纤左侧写有光纤光栅的部位施加外界作用432(比如侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等)可以实现反射式并行F-P干涉仪组的全面调谐。
[0037] 图6为本发明环形多芯光纤并行F-P干涉仪组调谐示意图；其中图6(a)给出的是透射式并行F-P干涉仪组调谐示意图，图6(b)给出的是反射式并行F-P干涉仪组调谐示意图。对于图6(a)所示的透射式并行F-P干涉仪组，普通单模光纤611、612分别作为干涉仪的输入和输出端，单模光纤之间为环形多芯光纤，单模光纤和环形多芯光纤通过熔接拉锥的方法连接在一起。为实现并行F-P干涉仪组谐振腔616两端光纤光栅613、614反射中心波长的一致调谐，将光纤光栅613、614集中在一个控制系统615中。对于图6(b)所示的反射式并行F-P干涉仪组，普通单模光纤621同时作为干涉仪输入和输出端，其后为环形多芯光纤，单模光纤和环形多芯光纤通过熔接拉锥的方法连接在一起。利用光纤端面反射镜624，环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔625左右两端光纤光栅整合为一个光纤光栅
622，处于控制系统623中。单独对环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔616、625进行挤压、弯曲和轴向拉伸等外界作用，可以对输出光频率梳光谱包络进行调谐。在控制系统615中，对光纤光栅613、614进行侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等一致外界作用；在控制系统623中，对光纤光栅622进行侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等外界作用，可以实现对输出光频率梳光谱频率和光谱包络的双重调谐。
622，处于控制系统623中。单独对环形多芯光纤并行F-P干涉仪组谐振腔616、625进行挤压、弯曲和轴向拉伸等外界作用，可以对输出光频率梳光谱包络进行调谐。在控制系统615中，对光纤光栅613、614进行侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等一致外界作用；在控制系统623中，对光纤光栅622进行侧面挤压，温度梯度场和轴向拉伸等外界作用，可以实现对输出光频率梳光谱频率和光谱包络的双重调谐。
[0038] 由上述实施例可以看出本发明可调谐纤维集成光频率梳，它具有制造工艺简单、高度纤维集成、稳定性好、受外界干扰小、损耗低以及易匹配等优点。可用于光纤通信领域。
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