专利名称：全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器及其测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及全光纤通信领域的一种激光发射装置和一种性能检验装置，更具体的说, 是涉及一种全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器及其测试系统。
背景技术：
近年来，国际上光电子领域研究及应用进程发展迅速。各种高速无源和有源全光纤通信 器件不断出现，如高速率光调制器、光纤光栅等产品已经商品化，这些器件的发展为开展这 项研究创造了十分有利的条件。随着国内泵源制作技术及光纤制作技术(如材料掺杂)等的发 展，特别是光纤光栅实用化技术的成熟，为全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的研 究创造了十分有利的技术条件。适时开展此项研究，可以占领光纤传感高科技领域的前沿， 掌握自主知识产权，为未来大规模产业化打下坚实基础。开展此项研究对新一代高速率大容 量光通信技术的发展具有重要的科学意义和应用价值。经最新的文献检索，迄今尚未见有关 可调谐单频光纤阵列激光器的专利报道。国内有对掺铒光纤激光器的研究报道，铒镱共掺的
光纤激光器报道较少。中国科技大学物理系黄文财利用铒镱共^t参光纤制作的单频窄线宽分布 布拉格反射(DBR)光纤激光器，在980nm半导体激光器抽运下，当抽运功率为75mW时，获得 了输出功率为2. 3禱的单频激光，其中心波长为1557. 524nm,线宽小于5MHz,未见专利申 请及授权。
目前光纤通信系统中的载波光源通常采用分布反馈(DFB)半导体激光器，但其发射过程 伴随着有源区内自由载流子的浓度变化，导致啁啾效应使i普线展宽，不能满足高速率波分复 用系统的发展要求，成为阻碍现代光通信向高速率大容量发展的重要障碍。光纤激光技术是 近年来迅速发展起来的新型激光技术，1550nm光通信波段单频光纤激光器更是近年来国际热 点前沿课题。这是由于这种单频光纤激光器在未来光通信及高性能光纤传感系统等领域具有 极广阔的应用前景，是未来产业升级的重要基础元器件。在未来的密集波分复用(DWDM)动态 全光通信网络中，所有的器件都将集成化且其波长间隔都将固定在0. 8nm的整数倍，以符合 国际电信联盟ITU-T的标准。在网络中仅需要使用一个信道去检测总局(CO)和远程节点 (Remote Node)之间的波长失配(Wavelength Misalignment),用 一反馈环进行调谐使所有的 器件的波长匹配(alignment)以弥补环境变化对器件造成的影响。超短腔高掺杂光纤激光器 的线宽可以做得很窄。因此，为本实用新型的提出也提供了一个契机。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的技术问题,提供一种单频低 噪声的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器。同时也提供一种测试全光纤波分复用可 调谐单频光纤阵列激光器的测试系统。
参阅
图1，为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现。所述的全光 纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器主要由泵浦源、光纤耦合器、可调谐基质与峰值波长 分别为、，X2, 、的标记为4, 5,…，N+3的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器组成，其中n与N为大于零的自然数，以下相同。
泵浦源的输出端与光纤耦合器的输入端光纤连接，光纤耦合器的N个输出端分别与峰值 波长分别为M, X2,…，入。的标记为4， 5,…，N+3的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光 器的一端光纤连接,峰值波长分别为、，&，…，X。的标记为4， 5,…，N+3的光纤光栅F-P 腔分布布拉格反射激光器的另一端作为全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的输出 端，然后，将峰值波长分别为、，X2，…，人 的标记为4， 5，…，N+3的光纤光栅F-P腔分布 布拉格反射激光器并排等间隔的固定在可调谐基质上，形成由峰值波长分别为、，、，…，、 的标记为4， 5，…，N+3的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器组成的激光器组。
技术方案中所述的泵浦源是通过光纤耦合器为峰值波长分别为X,,人2,…，、的标记为 4, 5,…，N+3的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器提供泵浦光的大功率激光泵浦源； 所述的光纤耦合器是将泵浦源的泵浦光传输给峰值波长分别为、，人2,,人n的标记为4, 5,...， N+3的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器的lxN光纤耦合器，其上有一个输入端口， N 个输出端口；所述的山奪值波长分别为、，人2,…，Xn的标记为4， 5，…，N+3的光纤光栅F-P 腔分布布拉格反射激光器的F-P腔均由一段优化长度的铒镱共掺光纤与一对制作在光纤两端 的中心工作波长相等的光纤光栅构成。
本实用新型主要技术构思是在线形腔激光器的基础上，基于速率方程理论，提出全新的 单频窄线宽分布布拉格反射光纤激光器的设计方法。利用耦合模式理论和数值方法对激光器 的特性进行分析，并结合OptiAmplifier光纤激光设计软件建立原理模型对其进行数值模拟。 使用不同的抽运功率分别计算不同掺杂浓度和长度的铒镱共掺光纤，比较激光阈值增益和纵 模谦，优化其谐振腔以给出激光单频运转的最佳腔长。9S0nm半导体激光器同时泵浦短腔光 纤激光器，激光经光隔离器从铒镱共掺光纤尾端输出，以消除光反馈对激光器的影响。采用 对光纤光栅施加轴向应变改变其反射波长的方法调谐激光的输出波长。整个光纤激光模块经 仔细调节谐振腔并进行防震隔音处理后，使得输出激光具有良好的单频特性，封装到一起构 成基于光纤光4册F-P腔的一維光子集成激光源，可用于WDM全光通信系统。输出激光光谱 由分辨率0. 07nm的光纤光i普分析仪检测，用高精度激光扫描F-P干涉仪结合数字存储示波 器进行单频检测和线宽测量。提出实现单频激光输出的有效技术方法，分析影响其模式稳定 性的原因并给出解决方法。通过实验验证和理论分析结果，对其激射波长、阈值抽运功率、
最大输出功率等激光功率输出特性，斜率效率、纵模分布特性、频宽等参量作测试研究，并 对其与各相关技术参数的内在关系展开研究以优化激光阵列激光器的结构参量。
与以往的光纤激光器相比，本实用新型的有益效果是
(1) 该全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器及其测试系统具有单路、双路或多路 激光输出系列产品，输出激光信道间隔0. 8nra,每路激光输出波长为1. 55一，调谐范围为4咖；
(2) 作为一种新型高性能的光信号源，可用于高速光通信及光纤传感领域，可以满足超
高精度、超远距离传输的要求；
(3) 该全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器特别适用于WDM系统，其良好的性能
完全可以满足系统的要求；
(
4) 由于全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器具有天然良好的散热方式，所以，
全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的输出功率是稳定的；
(5) 由于采用全光纤结构方式，可实现真正的低插入损耗的光纤耦合；
(6) 该全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器采用结构紧凑的^f莫块化设计，最大限 度的降低了其制作成本。
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明
图l是全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的光路原理图中1,泵浦源，2.光纤耦合器，3.可调谐基质，4, 5，…，N+3.峰值波长分别为、，
入2，…，、n的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射(DBR)激光器。
图2是对全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的多速率电光外调制特性实际测试
的测试系统的组成框图中1.光纤激光器，2.调制器，3.驱动模块，4.误码分析仪，5.示波器，6.接收模块，
7.光衰减器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细描述
图1所示的是全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的光路原理图。它包括以下主 要零部件
大功率激光泵浦源1,通过光纤耦合器2为峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格 反射激光器4，峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长为 、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3提供泵浦光；
lxN的光纤耦合器2,耦合在泵浦源1与峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反 射激光器4，峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长为^ 的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3之间，将泵浦源1的泵浦光传输给峰值波长为 W的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器4，峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格 反射激光器5,…，峰值波长为^的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3;
可调谐基质3,将峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器4,峰值波长 为12的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长为^的光纤光栅F-P腔分布 布拉格反射激光器N+3并排等间隔的安装可调谐基质3上，使它们一起随可调谐基质3被调 谐。
峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器4,峰值波长为、的光纤光栅F-P 腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长为人n的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3,
向外输出多波长可调谐单频的激光。
它们之间的连接关系为大功率激光泵浦源1输出端与lxN的光纤耦合器2输入端口光 纤连接，lxN的光纤耦合器2的N个输出端口分别与峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布布拉 格反射激光器4，峰值波长为&的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长 为人n的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3的一端光纤连接，峰值波长为 w的光纤光 栅F-P腔分布布拉格反射激光器4，峰值波长为入2的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器 5,…，峰值波长为^的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3的另一端作为全光纤波 分复用可调谐单频光纤阵列激光器的输出端。然后，将峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布 布拉格反射激光器4，峰值波长为^的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值 波长为入n的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3并排等间隔的固定在可调谐基质3上， 形成由峰值波长为^的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器4，峰值波长为人2的光纤光栅 F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值波长为Xn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光 器N+3组成的激光器组。
图1中，4, 5，…，N+3为峰值波长分别为人)，人2,…，^的光纤光栅F-P腔分布布拉格 反射(DBR)激光器，每个光纤光栅F-P腔分布布拉格反射(DBR)激光器的F-P腔均由一段 优化长度的铒镱共掺光纤与一对制作在光纤两端的中心工作波长相等的光纤光栅构成。大功 率激光泵浦源1经一个lxN的光纤耦合器2,同时泵浦峰值波长为、的光纤光栅F-P腔分布 布拉格反射激光器4，峰值波长为入2的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器5,…，峰值 波长为^n的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器N+3。由于光纤光栅的窄反射带宽和高反 射率，每个F-P腔振荡输出 一窄线宽的单频激光。把所有的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射 (DBR)激光器并排等间隔的固定在可调谐基质3上，使其一起随可调谐基质3被调谐，且 调谐程度相同，即相邻波长间隔不变。整个激光阵列激光器通过特殊封装工艺制作完成。
图2所示为全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的多速率电光外调制特性实际测 试的测试系统的组成框图。该测试系统包括以下主要部件或装置
光纤激光器l，被测试对象，此处为全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器，当然， 也可以是其它被测试对象；
调制器2,其可以对光纤激光器1所产生的激光进行调制，得到具有指定码率的光信号， 使电信号转换为光信号；
驱动模块3,其可将误码分析仪4产生指定码率的电信号传输给调制器2;
误码分析仪4,其可以产生指定码率的电信号，通过驱动模块3作用于调制器2;
示波器5，则可以通过它观测到电信号的眼另一构思是示波器5可换用误码分析仪，若5为误码分析仪时，则它与误码分析仪4可 以组成一个完整的误码检测设备，通过它可以观测系统的误码率；
接收模块6,其可以将接收到的光信号转换为电信号，将电信号送入示波器5或误码分 析仪中；
光衰减器7，可以减小光信号的功率值，使进入接收模块6的光信号值不会太大，以免
造成接收模块的损坏。
它们之间的连接关系为光纤激光器1与调制器2光纤相连，调制器2和光衰减器7光 纤相连，光衰减器7与接收模块6光纤相连，接收模块6与示波器5或误码分析仪电线相连， 误码分析仪4与驱动模块3电线相连，驱动模块3电线相连被其驱动的调制器2。
误码分析仪4可以产生指定码率的电信号，通过驱动模块3作用于调制器2，调制器2 可以对光纤激光器l所产生的激光进行调制，得到具有指定码率的光信号，使电信号转换为 光信号。光衰减器7可以减小光信号的功率值，使进入接收模块6的光信号值不会太大，以 免造成接收模块6的损坏。接收模块6可以将接收到的光信号转换为电信号，将电信号送入 示波器5或误码分析仪中。若5为示波器，则可以通过它观测到电信号的眼图；若5为误码 分析仪，则它与误码分析仪4可以组成一个完整的误码检测设备，通过它可以观测系统的误 码率。若将调制器2的输出光信号送入示波器中，则可以观测到发送光信号的眼图。光衰减 器7可以换为长度为21km至8化m的G. 652单模光纤，将光纤输出的光信号送入示波器中， 就可以观测到各码率下光信号经过21km至84km传输后光信号的眼图。
参阅图2，采用该测试系统对本实用新型所研制的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列 激光器的高速率电光调制特性进行了测试分析，为本实用新型在通信领域的产品实用化做准 备。采用155Mbps至10Gbps多速率非归零码外调制，传输距离为21km至84km,进行传输测 试。测量光纤激光在不同距离传输下各速率的接收时钟、相关传输图形和相应眼图波形、误 码率和接收灵敏度等关键性能指标。研究电光调制系统偏振传输矩阵，系统分析电光调制传 输系统对激光偏振性的变换特性。进行此项研究对高速全光通信光纤激光发射机的优化设 计，乃至高质量的光通信传输系统有非常重要的意义。
权利要求1.一种全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器，其特征在于，所述的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器主要由泵浦源(1)、光纤耦合器(2)、可调谐基质(3)与峰值波长分别为λ1，λ2，…，λn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，...，N+3)组成，其中n与N为大于零的自然数，以下相同；泵浦源(1)的输出端与光纤耦合器(2)的输入端光纤连接，光纤耦合器(2)的N个输出端分别与峰值波长分别为λ1，λ2，…，λn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，...，N+3)的一端光纤连接，峰值波长分别为λ1，λ2，…，λn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，...，N+3)的另一端作为全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器的输出端，然后，将峰值波长分别为λ1，λ2，…，λn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，...，N+3)并排等间隔的固定在可调谐基质(3)上，形成由峰值波长分别为λ1，λ2，…，λn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，...，N+3)组成的激光器组。
2. 按照权利要求1所述的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器，其特征在于， 所述的泵浦源(1)是通过光纤耦合器(2)为峰值波长分别为、，、，…，Xn的光纤光栅F-P 腔分布布拉格反射激光器(4， 5,…，N+3)提供泵浦光的大功率激光泵浦源。
3. 按照权利要求1所述的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器，其特征在于， 所述的光纤耦合器(2)是将泵浦源(1)的泵浦光传输给峰值波长分别为、，X2,…，^的 光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4, 5，…，N+3)的lxN光纤耦合器，其上有一个 输入端口， N个输出端口。
4. 按照权利要求1所述的全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器，其特征在于， 所述的峰值波长分别为M,入2,…，Xn的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4, 5,…， N+3)的F-P腔均由一段优化长度的铒镱共摻光纤与一对制作在光纤两端的中心工作波长相 等的光纤光栅构成。
专利摘要本实用新型公开了全光纤波分复用可调谐单频光纤阵列激光器及其测试系统。旨在解决半导体激光器发射过程伴随有源区内自由载流子浓度变化，导致啁啾效应使谱线展宽，不能满足高速率波分复用系统发展的问题。激光器包含泵浦源(1)、光纤耦合器(2)、可调谐基质(3)与峰值波长分别为λ<sub>1</sub>，λ<sub>2</sub>，…，λ<sub>n</sub>的光纤光栅F-P腔分布布拉格反射激光器(4，5，…，N+3)。测试系统由光纤激光器(1)、调制器(2)、驱动模块(3)、误码分析仪(4)、示波器或误码分析仪(5)、接收模块(6)与光衰减器(7)组成。激光器用于高速光通信及光纤传感领域，满足超高精度超远距离的传输要求；测试系统可对激光器的高速率电光调制特性测试分析。
文档编号H01S3/23GK201075573SQ20072009397
公开日2008年6月18日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者王天枢, 郭玉彬, 霍佳雨 申请人:吉林大学