專利名稱：瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超熒光光纖光源，特別是涉及用摻鐿光子晶體光纖作為增益介質(zhì)的具有低時(shí)間相干性、高空間相干性的超熒光光纖光源。屬于寬帶光纖光源與光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信和光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，迫切需求高空間相干性，低時(shí)間相干性的高功率光纖光源。而這種高功率超熒光光纖光源在光纖陀螺、光學(xué)層析照相、光波導(dǎo)無損傷探測等方面也有著廣泛的應(yīng)用。為了能夠得到較高的分辨率，要求這類光源的帶寬足夠?qū)挘粸榱四軌蛴凶銐虻奶綔y深度，要求探測光有足夠的強(qiáng)度。
該領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)水平最先應(yīng)用于此領(lǐng)域的超輻射發(fā)光二極管由于其帶寬窄，溫漂大，壽命短等缺點(diǎn)逐漸被光纖超熒光光源所取代。由于其在光纖陀螺上的應(yīng)用使摻鉺或鉺鐿共摻的光纖型超熒光光源得到了廣泛的發(fā)展。現(xiàn)在廣泛研究和使用的光纖超熒光光源通常以鉺鐿共摻或者摻鉺的單模光纖、雙包層光纖作為增益介質(zhì)，光路中加入加隔離器來抑止激光振蕩，但是隨著泵浦功率的升高，背向瑞利散射提供的反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)將會導(dǎo)致激光輻射，而這種背向瑞利散射受光纖制造工藝的限制不可避免，單級裝置很難獲得高功率的超熒光輸出。至今為止報(bào)道的單級結(jié)構(gòu)端泵摻鉺或鉺鐿共摻單模光纖的輸出功率一直為幾個毫瓦。采用多級裝置研制的3dB帶寬大于40nm的摻鉺或鉺鐿共摻光纖超熒光光源輸出功率也還限制在幾十個mW。
現(xiàn)今研究高功率寬帶光纖光源主要有如下幾種方案1、摻鉺或鉺鐿共摻單模光纖種子源加雙包層光纖放大這是一種多級放大結(jié)構(gòu)，利用單模光纖做成的種子源產(chǎn)生信號光，再由放大部分將信號放大，利用光纖的飽和吸收抑止光纖中的激射，利用再吸收效應(yīng)使超熒光光譜展寬，這種方案使輸出超熒光的功率和帶寬有了較大提高。
由于摻鉺光纖的展寬特性為非均勻展寬，所以這種結(jié)構(gòu)的光纖超熒光光源很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高輸出功率和寬帶寬?，F(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道的這種結(jié)構(gòu)的光源實(shí)現(xiàn)的最大輸出功率約為1W，3dB帶寬小于8nm。(1.S.Gray，J.D.Minelly，A.B.Grudinin and J.E.Caplen，Electronics Letters，1997，V 33，n16，p1382-1383；2.Sheng-Ping Chen，Yi-Gang Li，Jian-Ping Zhu，Hua Wang，YunZhang，Tuan-Wei Xu，Ru Guo，Ke-Cheng Lu，Optics Express，V 13，n 5，1531-1536)。
2、側(cè)泵摻鐿雙包層光纖與鉺鐿共摻或者摻鉺光纖相比，摻鐿光纖激光光源具有更高的量子效率，增益介質(zhì)的展寬為均勻展寬，更易于實(shí)現(xiàn)高輸出功率寬帶超熒光。有文獻(xiàn)采用摻鐿雙包層光纖作為增益介質(zhì)，用側(cè)泵技術(shù)將泵浦光高效地耦合進(jìn)入光纖，得到了1055nm附近485mW的超熒光輸出，3dB帶寬達(dá)41nm。(Lew Goldberg，Jeffrey P.Koplow，andRobert P.Moeller，Optics Letters，V 23，n13，p1037-1039)側(cè)泵技術(shù)可以獲得很高的耦合效率，光纖的兩端并且都可以與輸出元件直接耦合將光引出，輸出光譜較寬。但是側(cè)泵技術(shù)對加工工藝要求極高，至今還未見側(cè)泵光纖超熒光光源功率超過1W的報(bào)道。
3、808nm泵浦源端面泵浦雙包層光纖現(xiàn)已有文獻(xiàn)報(bào)道了980nm附近1.2W的超熒光輸出，3dB帶寬為4nm。
這種結(jié)構(gòu)的超熒光光源輸出功率高，但是受980nm附近增益譜的限制，帶寬僅為4nm。
4、光纖超連續(xù)譜光源連續(xù)光或者脈沖光泵浦小芯光纖，利用光纖中的非線性效應(yīng)(受激喇曼散射、受激布里淵散射、四波混頻等)使光譜展寬，光譜可以展寬至幾十個nm甚至幾百個nm，輸出功率也可以超過1W。
這種超連續(xù)譜光源可以實(shí)現(xiàn)較高的輸出功率，但是其光譜平坦性非常差，需要對光譜整形后才能應(yīng)用，而對光譜整形，勢必要損失很大一部分能量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，公開了一種實(shí)現(xiàn)輸出功率大于1W的寬帶超熒光光源的技術(shù)方案瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，它包括半導(dǎo)體激光器，透鏡耦合系統(tǒng)之準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡，二色鏡，光子晶體光纖，斜角，準(zhǔn)直輸出透鏡，垂直切割端，全反鏡，它有兩種結(jié)構(gòu)1)雙程前向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)、斜角耦合進(jìn)入光子晶體光纖，最后由斜角端輸出、并由準(zhǔn)直透鏡將輸出光準(zhǔn)直導(dǎo)出；2)雙程后向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)和二色鏡耦合進(jìn)入光子晶體光纖，光子晶體光纖的垂直切割端放置全反鏡，最后由斜角端輸出，由二色鏡將信號光反射導(dǎo)出；其特點(diǎn)在于光子晶體光纖作為增益介質(zhì)，是摻鐿雙包層大模面積的，大模場面積纖芯的數(shù)值孔徑0.01～0.1，光纖的兩個端面一端作垂直切割、拋光處理，另一端利用二氧化碳激光器加熱使空氣孔塌縮，然后將其研磨成5°～15°斜角，切割、拋光處理。
本發(fā)明的單級高功率寬帶光纖超熒光光源主要是采用大數(shù)值孔徑內(nèi)包層來提供高的泵浦耦合效率和實(shí)現(xiàn)高的斜率效率；采用大模面積纖芯來抑止光纖纖芯中背向瑞利散射的增益，從而實(shí)現(xiàn)高效、瓦量級的光纖超熒光輸出。其原理具體描述如下雙包層大模面積光纖設(shè)計(jì)對于稀土摻雜的單模光纖激光光源來說，光纖的纖芯既是泵光傳輸也是信號光傳輸?shù)耐ǖ?，耦合輸入端的離子反轉(zhuǎn)水平要比遠(yuǎn)離耦合輸入端的反轉(zhuǎn)水平高，采用雙包層耦合技術(shù)，在雙包層光纖內(nèi)包層中傳輸?shù)墓鈧鬏斶^程中不斷與光纖纖芯交叉從而被吸收，光子晶體光纖的雙包層設(shè)計(jì)更是避免了螺旋光，可以使泵浦光更加充分的吸收，這有助于增加泵光的耦合效率和提高超熒光輸出的斜率效率。對于使用較低功率的泵浦源和取得較高的斜率效率提供了前提條件。
本發(fā)明的有益效果1.使用摻鐿大模面積雙包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖可以得到高耦合效率、高斜率效率、高輸出功率的寬帶超熒光光源。
2、根據(jù)摻雜光纖的參數(shù)情況，適當(dāng)選擇光纖的長度，可以使得超熒光光纖光源輸出的超熒光光譜的3dB帶寬達(dá)到20～45nm。如果再采用長周期光纖光柵對輸出光譜進(jìn)行平坦，可以在輸出功率變化不大的前提下，使3dB帶寬增加至45nm以上。
1a是本發(fā)明的雙程前向結(jié)構(gòu)的示意圖1b是本發(fā)明的雙程后向結(jié)構(gòu)的示意圖其中1、半導(dǎo)體激光器2、準(zhǔn)直透鏡3、聚焦透鏡4、二色鏡5、光子晶體光纖6、斜角7、準(zhǔn)直輸出透鏡8、垂直切割端9、二色鏡10、全反鏡具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，它包括半導(dǎo)體激光器1，透鏡耦合系統(tǒng)之準(zhǔn)直透鏡2和聚焦透鏡3，二色鏡4，光子晶體光纖5，斜角6，準(zhǔn)直輸出透鏡7，垂直切割端8，二色鏡9，全反鏡10，它有兩種結(jié)構(gòu)1)雙程前向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)2、3、斜角4耦合進(jìn)入光子晶體光纖5，最后由斜角端6輸出、并由準(zhǔn)直透鏡7將輸出光準(zhǔn)直導(dǎo)出；
2)雙程后向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)2、3和二色鏡9耦合進(jìn)入光子晶體光纖5，光子晶體光纖的垂直切割端8放置全反鏡10，最后由斜角端6輸出，由二色鏡9將信號光反射導(dǎo)出；其特征在于光子晶體光纖5作為增益介質(zhì)，是摻鐿雙包層大模面積的，大模場面積纖芯的數(shù)值孔徑0.01～0.1，光纖的兩個端面一端作垂直切割、拋光處理，另一端利用二氧化碳激光器加熱使空氣孔塌縮，然后將其研磨成5°～15°斜角6，切割、拋光處理。
此光纖光源的泵浦源是半導(dǎo)體激光器1，其提供的功率應(yīng)該不小于5W。
透鏡耦合系統(tǒng)，由準(zhǔn)直透鏡2和聚焦透鏡3構(gòu)成。
二色鏡4為90°角二色鏡，與光子晶體光纖垂直切割端8緊貼。
二色鏡9為45°角二色鏡，此二色鏡法線與泵浦光傳播方向呈45°角放置于準(zhǔn)直透鏡2和聚焦透鏡3之間。
全反鏡10，緊貼光子晶體光纖垂直切割端8放置。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于它是一種單級雙程前向輸出的瓦量級寬帶光子晶體光纖超熒光光源，用摻鐿雙包層光子晶體光纖作為增益介質(zhì)，光纖的兩個端面一端作垂直切割、拋光處理，另一端作5°～15°斜角切割、拋光處理，由LD作為泵浦源，泵浦光經(jīng)耦合透鏡、二色鏡將泵浦光耦合進(jìn)入光子晶體光纖，參見圖1，具體而言，所述單級雙程前向輸出的瓦量級寬帶光子晶體光纖超熒光光源含有摻鐿大模面積雙包層光子晶體光纖-PCF5，它是此光纖超熒光光源的增益介質(zhì)。此PCF的一端利用二氧化碳激光器加熱使內(nèi)包層中的空氣孔塌縮，形成密封結(jié)構(gòu)，然后利用光纖端面的研磨技術(shù)將這一端研磨成5°～15°斜角6。PCF的另一端8作垂直切割、拋光。
半導(dǎo)體激光器-LD1，中心波長976nm，這是此光纖光源的泵浦源，其提供的功率應(yīng)該不低于5W，根據(jù)實(shí)際使用的光纖的參數(shù)適當(dāng)調(diào)整；LD尾纖輸出光束的直徑和數(shù)值孔徑能夠和PCF內(nèi)包層的數(shù)值孔徑和直徑匹配。
透鏡耦合系統(tǒng)由準(zhǔn)直透鏡2和聚焦透鏡3組成，利用此耦合系統(tǒng)將泵浦光高效地耦合進(jìn)入光子晶體光纖的內(nèi)包層。
90°角二色鏡4，此二色鏡與光子晶體光纖垂直切割端8緊貼，以使光高效地耦合進(jìn)入光纖，此二色鏡對于976nm的泵浦光高透，對于1000nm-1100nm的光高反。
準(zhǔn)直輸出透鏡7，利用此將輸出的超熒光準(zhǔn)直輸出。
上述LD、透鏡耦合系統(tǒng)、二色鏡、PCF、準(zhǔn)直透鏡依次排列，組成雙程前向輸出裝置。由泵浦源LD輸出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)和二色鏡耦合進(jìn)入PCF，PCF垂直切割端與二色鏡緊貼，輸出的超熒光由光纖切斜角的一端出射，然后用透鏡將超熒光準(zhǔn)直輸出。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于它是一種單級雙程后向輸出的瓦量級寬帶光子晶體光纖超熒光光源，用摻鐿雙包層PCF作為增益介質(zhì)，光纖的兩個端面一端垂直切割、拋光，另一端作5°-15°斜角切割、拋光處理，由LD作為泵浦源，泵浦光經(jīng)耦合透鏡、二色鏡將泵浦光耦合進(jìn)入PCF，具體而言，所述單級雙程后向輸出的瓦量級寬帶光子晶體光纖超熒光光源含有高增益摻鐿雙包層大模面積光子晶體光纖5，它是此光纖超熒光光源的增益介質(zhì)。此PCF的一端利用二氧化碳激光器加熱使空氣孔塌縮，然后將其研磨成5°-15°斜角4。PCF的另一端8垂直切割。
半導(dǎo)體激光器-LD1，中心波長976nm，這是此光纖光源的泵浦源，其提供的功率應(yīng)該不低于5W，根據(jù)實(shí)際使用的光纖的超熒光閾值適當(dāng)調(diào)整；輸出光束的直徑和數(shù)值孔徑能夠和PCF內(nèi)包層的數(shù)值孔徑和直徑匹配。
透鏡耦合系統(tǒng)由準(zhǔn)直透鏡2和聚焦透鏡3組成，利用此耦合系統(tǒng)將泵浦光高效耦合進(jìn)入光子晶體光纖的內(nèi)包層。同時(shí)透鏡與光纖端面之間或透鏡之間有足夠的空間將輸出的超熒光輸出。
45°角二色鏡9，與耦合輸入光纖的光成45°角放置于耦合透鏡組的準(zhǔn)直、聚焦透鏡之間，以便將產(chǎn)生的超熒光導(dǎo)出。此二色鏡以45°角放置時(shí)對于976nm的泵浦光具有高透過率，對于1000nm-1100nm的光具有高反射率。
全反鏡10，緊貼PCF垂直切割端8放置或?qū)⒋怪鼻懈疃溯敵龅墓鉁?zhǔn)直后與光線垂直放置，它對970nm-1100nm的光反射率大于99％。
上述泵浦源、透鏡耦合系統(tǒng)、準(zhǔn)直輸出透鏡、二色鏡、PCF全反鏡依次排列，組成雙程后向輸出裝置。由泵浦源LD輸出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)和二色鏡耦合進(jìn)入PCF，PCF垂直切割端與全反鏡緊貼，超熒光由二色鏡反射后輸出。
實(shí)施例下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖1a說明雙程前向裝置超熒光光源具體的實(shí)施方式首先檢測泵浦源LD的輸出功率和輸出光譜，調(diào)節(jié)工作環(huán)境溫度確保泵浦源的中心激射波長為976nm，將LD尾纖的輸出端SMA905接頭與透鏡耦合系統(tǒng)連接，調(diào)節(jié)水平和準(zhǔn)直。首先在不加二色鏡的情況下仔細(xì)調(diào)節(jié)PCF垂直切割端的位置，同時(shí)在PCF末端檢測輸出功率，使盡可能多的光耦合進(jìn)入光纖，然后使光纖后移一些，插入二色鏡后再次仔細(xì)調(diào)節(jié)光路，使輸出功率達(dá)到最大，然后撤去功率計(jì)，換用光譜儀監(jiān)測光譜，仔細(xì)調(diào)節(jié)二色鏡使其與光纖垂直切割端面緊貼，同時(shí)可觀察到輸出光譜盡可能的平坦，最后用準(zhǔn)直透鏡將輸出的超熒光裝置輸出。通過優(yōu)化光纖長度、摻雜濃度和二色鏡等參數(shù)使輸出功率達(dá)到最高和光譜盡可能平坦。
對于雙程后向的超熒光光源，調(diào)節(jié)好工作溫度和泵浦光之后，首先將泵浦光耦合進(jìn)入切斜角6的一端，最后在光纖垂直切割端放置全反鏡10，同時(shí)在輸出端仔細(xì)調(diào)節(jié)45°角二色鏡9的位置后監(jiān)測輸出功率和光譜。通過優(yōu)化光纖長度、摻雜濃度和二色鏡等參數(shù)使輸出功率達(dá)到最高，輸出光譜盡可能的平坦。
權(quán)利要求
1.一種瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，它包括半導(dǎo)體激光器(1)，透鏡耦合系統(tǒng)之準(zhǔn)直透鏡(2)和聚焦透鏡(3)，二色鏡(4)，光子晶體光纖(5)，斜角(6)，準(zhǔn)直輸出透鏡(7)，垂直切割端(8)，二色鏡(9)，全反鏡(10)，它有兩種結(jié)構(gòu)1)雙程前向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)(2、3)、斜角(4)耦合進(jìn)入光子晶體光纖(5)，最后由斜角端(6)輸出、并由準(zhǔn)直透鏡(7)將輸出光準(zhǔn)直導(dǎo)出；2)雙程后向結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的泵浦光依次經(jīng)過透鏡耦合系統(tǒng)(2、3)和二色鏡(9)耦合進(jìn)入光子晶體光纖(5)，光子晶體光纖的垂直切割端(8)放置全反鏡(10)，最后由斜角端(6)輸出，由二色鏡(9)將信號光反射導(dǎo)出；其特征在于光子晶體光纖(5)作為增益介質(zhì)，是摻鐿雙包層大模面積的，大模場面積纖芯的數(shù)值孔徑0.01～0.1，光纖的兩個端面一端作垂直切割、拋光處理，另一端利用二氧化碳激光器加熱使空氣孔塌縮，然后將其研磨成5°～15°斜角(6)，切割、拋光處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，其特征在于此光纖光源的泵浦源是半導(dǎo)體激光器(1)，其提供的功率應(yīng)該不小于5W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，其特征在于透鏡耦合系統(tǒng)，由準(zhǔn)直透鏡(2)和聚焦透鏡(3)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，其特征在于二色鏡(4)為90°角二色鏡，與光子晶體光纖垂直切割端(8)緊貼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，其特征在于二色鏡(9)為45°角二色鏡，此二色鏡法線與泵浦光傳播方向呈45°角放置于準(zhǔn)直透鏡(2)和聚焦透鏡(3)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓦量級寬帶摻鐿光子晶體光纖超熒光光源，其特征在于全反鏡(10)，緊貼光子晶體光纖垂直切割端(8)放置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超熒光光纖光源，特別是涉及用摻鐿光子晶體光纖作為增益介質(zhì)的具有低時(shí)間相干性、高空間相干性的超熒光光纖光源。屬于寬帶光纖光源與光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案將泵浦源半導(dǎo)體激光器、透鏡耦合系統(tǒng)、二色鏡、摻鐿大模面積雙包層光子晶體光纖、準(zhǔn)直透鏡等依次排列組成雙程前向或后向輸出裝置；與常規(guī)的高功率光纖超熒光光源相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)間穩(wěn)定性好、斜率效率高、輸出功率高、光譜平坦、帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可應(yīng)用于光纖傳感、光纖陀螺、光學(xué)層析照相和光波導(dǎo)無損傷探測等領(lǐng)域。
文檔編號G02F1/35GK1844732SQ20061001324
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者李乙鋼, 劉勝利, 丁鐳, 張煒, 閆培光, 呂可誠 申請人:南開大學(xué)