一种超长拉曼光纤激光器

1.本发明涉及光纤激光器以及光通信与传感领域，更具体地是涉及一种超长拉曼光纤激光器技术领域。


背景技术：

2.光纤激光器在原理上具有结构简单、光束质量好、泵浦转换效率高、波长灵活可调等优点，在非线性光学、光纤传感以及光纤通信领域有广泛的未来延展，在工业制造、生物医疗以及国防安全等有很好的未来应用场景。近年来，一种新型的基于单模光纤的一阶拉曼放大的有模式超长腔光纤激光器结构被发布出来，这是非线性光学与随机激光的新的碰撞。很长一段时间，拉曼光纤激光器都是向着随机激光和分布式拉曼放大方面发展，该方面的理论体系也在慢慢的完善。而这种有模式的长腔光纤激光器概念在2009年被提出，有意在光纤通信以及保密通信等领域得到应用和发展。
3.按有无纵模结构，激光和分为两种，一种是无纵模结构的随机激光，一种是有纵模结构的传统有腔激光器。随机激光的随机在于光纤分布式散射形成的大大小小的随机谐振腔，这些随机谐振腔产生的纵模频率在频谱上显示成一条直线，也就是所谓的无纵模结构。而现在的大多数随机激光器结构都是半开腔结构，或者高低反射镜构成的全腔结构，构成随机激光的一个要素在于，激光器结构中作为谐振腔产生反馈的主导部分必须具有随机性，比如光纤中的瑞利散射。传统激光器结构上，两端是带有固定谐振腔的，而在拉曼光纤激光器产生传统有模式激光，不仅仅需要带有固定谐振腔，还需要保证结构两端的固定谐振腔在整个反馈中占主导部分，避免光纤中的随机谐振腔产生的随机纵模掩盖固定谐振腔选出来的纵模结构。而光纤中的随机谐振腔主要由瑞利散射形成，光纤长度越长光纤的总瑞利散射就越强，而对于固定谐振腔来说，其镜面反射率最高只能达到100％，也就说对于任何一种类型的光纤来说，想要构成的有纵模结构的拉曼光纤激光器，其光纤长度一定有一个极限值。现有的技术表明，利用普通单模光纤作为拉曼激光器中的传输光纤，配合双端拉曼方法，其采用一阶放大和二阶放大能达到的最大腔长为270km和288km。
4.近年来，一种具有超低传输损耗的新型g.654.e光纤为解决长距离传输提供了一种新方案，该光纤通过减少光纤中的瑞利散射系数等，从而达到减少光纤各窗口的传输损耗。它在传感与通信领域的应用前景还在不断被探索与挖掘。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种超长拉曼光纤激光器，实现了一种超长距离1550nm拉曼光纤激光器，为保密光通信、光纤非线性效应以及光纤传感研究提供了一种新的平台。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.一种超长拉曼光纤激光器，包括一对泵浦光源模块、一对波分复用器a、一对波分复用器b、传输光纤、一对光纤光栅以及一对宽带高反射镜；
8.所述超长拉曼光纤激光器以传输光纤为中心、左右两端镜像设置；
9.左侧结构具体为：
10.波分复用器a由三个端口构成：1040-1090nm端口、1100-1700nm端口、公共端口；各端口连接情况为：泵浦光源模块连接1040-1090nm端口；光纤光栅连接公共端口，为产生具有固定纵模间隔输出的1550nm激光提供固定谐振腔；
11.波分复用器b由三个端口构成：1100-1480nm端口、1520-1700nm端口、公共端口；各端口连接情况为：宽带高反射镜连接1100-1480nm端口，为产生级联随机拉曼激光提供反馈，降低阈值；1520-1700nm端口做斜角处理，防止菲涅尔反射；
12.波分复用器b的公共端口连接波分复用器a的1100-1700nm端口，传输光纤连接至两个光纤光栅之间，为激光的激射提供随机瑞利反馈和增益介质。
13.作为可选的一种技术方案，传输光纤为超低损耗光纤，损耗低于0.17db/km，腔长》200km。
14.作为可选的一种技术方案，所述超长拉曼光纤激光器结构具有对称性，需要两端同时泵浦才可产生具有固定纵模间隔输出的1550nm激光。
15.作为可选的一种技术方案，宽带高反射镜包括光纤环形镜或不同中心波长串联的高反射率光纤光栅阵列。
16.作为可选的一种技术方案，光纤光栅的中心波长为1530-1570nm。
17.作为可选的一种技术方案，光纤光栅的中心波长为1550nm。
18.作为可选的一种技术方案，传输光纤产生的各阶激光，其中1550nm波长之前的均为随机激光，最终由中心波长为1480nm的随机激光作为产生具有固定纵模间隔输出的1550nm激光的最终泵浦，1550nm的纵模频率由传输光纤的长度决定。
19.作为可选的一种技术方案，传输光纤中，掺入一段掺铒光纤。
20.本发明的有益效果如下：
21.1、激光器采用高阶拉曼泵浦方式，在双端提供泵浦的前提下，将级联随机激光功率峰值推向光纤中部，大大提高了到达固定谐振腔腔面的1550nm光功率，从而提高固定谐振腔在各种谐振腔反馈中的占比，使得在更长腔长中，固定谐振腔依然压制光纤随机谐振腔成为主导，最终形成具有固定纵模间隔输出的激光。
22.2、激光器在传输光纤中选择了超低损耗光纤，其在各个波段传输损耗较普通单模光纤要低，可降低泵浦的传输损耗，提高激射激光功率，同时还具有超低的瑞利散射系数，在本质上降低了光纤本身散射造成的随机谐振腔的强度，从而提高两端固定谐振腔在各种谐振腔反馈中的占比，从而达到提高激光器腔长极限长度的目的。
23.3、超长拉曼光纤激光器由于采用的对称结构，只有在首尾端双方同时泵浦才能产生具有固定纵模间隔输出1550nm通信激光。中间一旦被破坏或者被第三方接入，1550nm激光的纵模性质会发生改变，就可被两端察觉。同时激光器的极限腔长大于200km，能满足大多数远距离光纤通信和传感的要求。
附图说明
24.图1是本发明超长拉曼光纤激光器结构框图；
25.图2是实施例一的1090nm泵浦光源模块结构框图；
26.图3是实施例二的基于3*1波分复用器的超长拉曼光纤激光器结构框图；
27.图4是具有固定纵模间隔输出的超长拉曼光纤激光器的极限腔长与光纤类型、放大方式(泵浦阶数)的关系仿真总结图；
28.图5是基于实施例1下采用364km长g.654e光纤实现的具有固定纵模间隔输出的超长拉曼光纤激光器的频谱图。
29.图中标记：1、泵浦光源模块；1-1、976nm激光器；1-2、光纤合束器；1-3、1090nm光纤光栅；1-4、掺镱光纤；1-5、普通单模光纤；1-6、隔离器；2、波分复用器；2-1、波分复用器a；2-2、波分复用器b；3、传输光纤；4、1550nm光纤光栅；5、宽带高反射镜。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.以下实施例均以1090nm泵浦光源模块1为例子，如附图2所示，其结构构成原理如下：从左到右分析，976nm激光器1-1-1通过光纤合束器1-2-1的泵浦端进入一段10m的ydf1-4-1，ydf1-4-1连接一盘4km的普通单模光纤1-5，光纤合束器1-2-1的信号端连接一个1090nm光纤光栅1-3，构成一个第一级1090nm激光器。第一级1090nm激光器产生的1090nm种子激光经过隔离器1-6-1与976nm激光器分别通过光纤合束器1-2-2的信号端与泵浦端进入第二段10m长的ydf1-4-2，第二段ydf1-4-2中的976nm激光对1090nm种子激光进行第二级的放大，最终产生的1090nm激光经过隔离器1-6-2输出，需要说明的是，两个隔离器1-6-1、1-6-2都是起到对结构进行保护的作用。
33.实施例1
34.如附图1所示，本实施例提供超长拉曼光纤激光器是基于6阶激光激射的超长拉曼光纤激光器。激光器结构呈对称式分布，波分复用器a2-1与波分复用器b2-2相连，1090nm泵浦光源模块1的输出端、1550nm光纤光栅4分别连接波分复用器a2-1的1040-1090nm端口和公共端口。宽带高反射镜5连接波分复用器b2-2的1100-1480nm端口，并对波分复用器b2-2的1520nm-1700nm端口切斜角处理。364km超低损耗传输光纤3连接至两个1550nm光纤光栅之间。这样的对称结构构成了激光器的总体结构。
35.本发明的工作原理说明：1090nm的泵浦激光从1090nm泵浦光源模块1输出，通过波分复用器a2-1进入超低损耗传输光纤3，随着1090nm泵浦输入功率的不断提高，在超低损耗传输光纤3中自发辐射产生各阶stokes光，1-5阶stokes光在超低损耗传输光纤3中通过瑞利散射以及宽带高反射镜5，被反复受激拉曼放大，由于1-5阶stokes光的反馈是光纤中的随机瑞利散射作为主导，因此最终产生的效果为无纵模的随机激光，宽带强反馈5模块起的作用是降低1-5阶拉曼随机激光产生的阈值。由于高阶随机激光沿传输光纤的功率峰值位
置更深入光纤链路中部，随着1090nm泵浦光源模块1输出功率的逐渐提高，逐渐到达每阶激光的阈值功率，其上一阶激光作为下一阶激光的直接泵浦，上一阶激光功率逐渐下降，下一阶激光开始产生并功率慢慢上升。而1480nm波段左右的第5阶随机激光一旦产生，作为最终产生1550nm激光的直接泵浦，随着1090nm泵浦光功率的提高，一阶一阶的传递到1480nm激光上，使得1480nm激光功率慢慢提高，直到达到产生1550nm激光的阈值，此时1480nm激光功率向1550nm激光转移，最终产生1550nm激光。需要说明的是，虽然1-5阶激光也是具有传统谐振腔结构的，也就是两端都提供了强反馈镜，但是由于1-5阶激光对应波长的瑞利散射系数在超低损耗传输光纤3中均高于1550nm对应系数，而光纤长度采用了364km足够长的超低损耗光纤，对于1-5阶激光的产生，反馈由超低损耗传输光纤3中的瑞利散射做主导，此时呈现无纵模特点。而对于最终产生的1550nm激光来说，仍然是1550nm光纤光栅4对组成的固定谐振腔作为主导反馈，因此最终的1550nm激光是有纵模结构的。由于超低损耗传输光纤3长度为364km，其纵模间隔频率为285hz。
36.我们还仿真了基于标准普通单模光纤与超低损耗光纤的在各阶泵浦方式下的激光器极限腔长，仿真结果如附图4所示。与此同时，我们采用364km新型g.654e光纤实现了具有固定纵模间隔输出的超长拉曼光纤激光器，并在频谱仪上观察到了明显的纵模间隔，所测频谱如图5所示。
37.实施例2
38.如附图2所示，本实施例提供超长拉曼光纤激光器是基于3*1波分复用器2的超长拉曼光纤激光器。激光器结构呈对称式分布，1090nm泵浦光源模块1的输出端、宽带高反射镜5分别连接波分复用器2的泵浦接口、中间波段接口，并对波分复用器2的1550nm端口做斜角处理，防止端面反射，波分复用器2的公共口通过1550nm光纤光栅4连入364km超低损耗传输光纤3，这样的对称结构构成了激光器的总体结构。
39.本发明的工作原理说明：本实施例工作原理与实施例1相似，不同的是简化了激光器结构，采用了一个3*1波分复用器2作为分光器件，各个模块之间通过一个波分复用器2相连。
40.泵浦光源模块1连接波分复用器2的泵浦接口，该接口为短波长窄带接口，仅允许泵浦光波长的光通过。传输光纤3连接波分复用器2的公共口。泵浦光通过波分复用器2进入传输光纤3，在传输光纤3中实现激光激射，为产生1550nm拉曼激光提供泵浦和增益介质。
41.宽带高反射镜5连接波分复用器2的中间波段接口，该接口为中间波长宽带接口，允许波长在泵浦光波长与1550nm激光波长之间的光通过。传输光纤3中后向散射回来的光通过波分复用器2进入宽带高反射镜5，为产生中间波长随机拉曼激光提供反馈。
42.1550nm光纤光栅4连接波分复用器2的1550nm接口，为产生具有固定纵模间隔输出的1550nm激光提供固定谐振腔。
43.上述实施例表明，使用超低损耗光纤作为传输光纤3，可以从本质上降低光纤中的瑞利散射等因素形成的随机谐振腔，从而达到超长距离拉曼光纤激光器的效果。而使用高阶激光激射的方式，可以将1550nm激光推向更远的1550nm光纤光栅4处，使得到达固定谐振腔的1550nm激光功率更高，固定谐振腔的激光选择效率更高，从而达到超长距离拉曼激光器的效果。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。