专利名称：一种稀土掺杂光纤光源光路结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稀土掺杂光纤光源光路结构，尤其涉及一种功率可调光谱形状不变的稀土掺杂光纤光源光路结构，本发明属于光纤通信和光纤传感领域。
背景技术：
掺铒光纤光源由于输出功率高、光谱较宽、波长稳定性好、输出光谱偏振无关和成本优势等特点，在光学器件测试、光纤光栅传感、光纤陀螺、医学成像等领域都有广泛应用。在掺铒光纤光源中，泵浦激光器把掺铒光纤中处于基态的铒离子激励到上能级，当掺铒光纤中粒子反转程度足够高时，上能级的铒离子自发跃迁到基态过程中所产生的部分自发辐射光将被受激辐射放大，产生沿掺铒光纤正反两个方向传播的放大的自发辐射ASE光(放大自发福射光Amplified Spontaneous Emission ),其中与泵浦光传输方向相同的称为前向ASE，反之称为后向ASE。为提高泵浦光的利用率，在绝大部分掺铒光纤光源中都使用反射镜对掺铒光纤一端输出的ASE进行反射，使其再次通过掺铒光纤并被放大，形成双程结构。为满足不同的应用需求，在常规的双程结构掺铒光纤光源光路中，通常在输出端放置一个光滤波器，对输出谱进行“整形”。但由于掺铒光纤固有的增益特性，当改变泵浦光功率以改变掺铒光纤光源输出功率时，若要保持输出光谱谱形不变，其光滤波器的衰减谱形也需要做相应的调整。这就导致对不同输出功率等级的掺铒光纤光源需要设计不同型号的光滤波器，额外的增加了原材料的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光谱形状不变，但功率可调的稀土掺杂光纤光源光路结构，特别是涉及一种掺铒光纤光源光路结构，可以使掺铒光纤光源在使用同一款光滤波器的情况下，保证不同输出功率等级的掺铒光纤光谱形状保持不变。本发明所采用的技术方案是:
一种稀土掺杂光纤光源光路结构，所述光路结构的组件包括法拉第旋转反射镜、光滤波器、稀土掺杂光纤、泵浦信号合波器、泵浦激光器、隔离器、衰减器；所述组件之间的连接方式为下列方式中的一种:
1)光滤波器分别连接法拉第旋转反射镜和稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤另一端连接泵浦信号合波器公共端，泵浦信号合波器泵浦端连接泵浦激光器，泵浦信号合波器透射端连接隔离器输入端，隔离器输出端连接衰减器输入端；
2)法拉第旋转反射镜连接衰减器，光滤波器分别连接衰减器另一端和稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤另一端连接泵浦信号合波器公共端，泵浦信号合波器的泵浦端连接泵浦激光器，泵浦信号合波器透射端连接隔离器输入端；
3)光滤波器分别连接法拉第旋转反射镜和泵浦信号合波器透射端，泵浦信号合波器泵浦端连接泵浦激光器，稀土掺杂光纤分别连接泵浦信号合波器公共端和隔离器输入端，隔离器输出端连接衰减器； 4)法拉第旋转反射镜连接衰减器，光滤波器分别连接衰减器另一端和泵浦信号合波器透射端，泵浦信号合波器泵浦端连接泵浦激光器，稀土掺杂光纤分别连接泵浦信号合波器公共端和隔离器输入端。
所述稀土掺杂光纤是掺铒光纤或者铒镱共掺光纤。
所述连接方式I)中的隔离器和衰减器在光路中的物理位置互换。
所述连接方式3)中的隔离器和衰减器在光路中的物理位置互换。
所述连接方式2)中的衰减器和光滤波器在光路中的物理位置互换。
所述连接方式4)中的衰减器和光滤波器在光路中的物理位置互换。
所述的光滤波器是使稀土掺杂光纤光源输出平坦型或者高斯型光谱的光滤波器。
所述衰减器为分光耦合器。
本发明具有以下优点和积极效果: 常规掺铒光纤光源通常把光滤波器放在掺铒光纤光源输出端，对于光谱形状相同，但功率不同的掺铒光纤光源需要设计不同型号的光滤波器，增加制作成本。而采用本发明的光路结构中，光滤波器被放置在双程结构的反射端，配合使用恰当的衰减器，只需要设计一款光滤波器就可以实现不同功率等级下输出光谱形状不变，减少制作成本；此外，光滤波器和反射镜对单个方向ASE实现了波长选择性反射，可提高泵浦转换效率。
图1是本发明第一种实施例提供的掺铒光纤光源光路结构； 图2是本发明第二种实施例提供的掺铒光纤光源光路结构； 图3是本发明第三种实施例提供的掺铒光纤光源光路结构； 图4是本发明第四种实施例提供的掺铒光纤光源光路结构； 图5是本发明第五种实施例提供的铒镱共掺光纤光源光路结构； 其中: 1:法拉第旋转反射镜；2:光滤波器； 3:掺铒光纤；4:泵浦信号合波器； 5:泵浦激光器；6:隔离器； 7:裳减器；8:辑镜共惨光纤； G:稀土掺杂光纤单程增益； L:衰减器的衰减值； P:掺铒光纤光源输出功率；具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明光路结构可以适合于使用掺稀土元素光纤作为增益介质的各种带宽的ASE光源。本发明不仅可以应用于掺铒光纤作为增益介质的ASE光源，而且还可以应用于铒镱共掺光纤作为增益介质的ASE光源。本发明以掺铒光纤做为增益介质为实施例进行说明。如图1和图4中箭头所示，实施例方案1、实施例方案2和实施例方案5中光滤波器只对前向ASE滤波，而实施例方案3和实施例方案4中光滤波器只对后向ASE实现滤波。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。实施例一:
本发明所采用的技术方案1，如图1所示:包括法拉第旋转反射镜1、光滤波器2、掺铒光纤3、泵浦信号合波器4、泵浦激光器5、隔离器6、衰减器7 ;光滤波器2分别连接法拉第旋转反射镜I和掺铒光纤3，掺铒光纤3另一端连接泵浦信号合波器4公共端，泵浦信号合波器4泵浦端连接泵浦激光器5，泵浦信号合波器4透射端连接隔离器6输入端，隔离器6输出端连接衰减器7输入端，衰减器7另一端连接输出尾纤。本实施例的掺铒光纤光源光路结构的工作过程具体如下:在泵浦光的激发下，掺铒光纤中同时产生前向和后向传播的ASE,其中后向ASE可经输 出端直接输出，而前向ASE在传播到掺铒光纤末端后首先通过光滤波器2，经滤波后被法拉第旋转反射镜I反射，此后再次经过光滤波器2进行第二次滤波，这样光滤波器2和法拉第旋转反射镜I对前向ASE实现了波长选择性反射。由于掺铒光纤中存在增益，被反射后的前向ASE在第二次经过掺铒光纤3的过程中再次被放大，它与掺铒光纤3中产生的后向ASE叠加后输出所需的光谱；在衰减器7衰减值为OdB时，设计恰当的光滤波器，确保高输出功率时光谱满足要求；保持泵浦激光器功率不变，调节衰减器衰减值即可以实现输出功率变小时光谱形状不变。此时，掺铒光纤3单程增益G，衰减器7衰减值L和掺铒光纤光源输出功率P之间满足下面的关系式:
P+L=G(I)
在如上(I)式中，经过选择性反射和二次放大的前向ASE和后向ASE —起经过衰减器衰减，所以衰减器的衰减值每增加ldB，输出功率就相应减小ldB，这样在掺铒光纤增益和光滤波器相同的情况下可以保证输出光谱形状不变。实施例二:
本发明所采用的技术方案2，如图2所示:包括法拉第旋转反射镜1、衰减器7、光滤波器2、掺铒光纤3、泵浦信号合波器4、泵浦激光器5、隔离器6 ;法拉第旋转反射镜I连接衰减器7，光滤波器2分别连接衰减器7另一端和掺铒光纤3，掺铒光纤3另一端连接泵浦信号合波器4公共端，泵浦信号合波器4的泵浦端连接泵浦激光器5，泵浦信号合波器4透射端连接隔离器6输入端，隔离器6输出端连接输出尾纤。本实施例的掺铒光纤光源光路结构的工作过程具体如下:在泵浦光的激发下，掺铒光纤中同时产生前向和后向传播的ASE，其中后向ASE可经输出端直接输出。而前向ASE在传播到掺铒光纤末端后首先通过光滤波器2，经滤波后被衰减器7整体衰减，之后被法拉第旋转反射镜I反射，反射后再次经过衰减器7和光滤波器2进行二次滤波，光滤波器2、衰减器7和法拉第旋转反射镜I对前向ASE实现了波长选择性反射，由于掺铒光纤中存在增益，被反射后的前向ASE在第二次经过掺铒光纤3的过程中再次被放大,它与掺铒光纤3中产生的后向ASE叠加后输出所需的光
-1'TfeP曰。为保证输出光功率变化时，输出光谱形状保持不变，关键是需要保证掺铒光纤内粒子反转程度不发生改变，即单程增益不变。为此，首先需要在光路中不加入衰减器7的情况下，设计恰当的光滤波器，确保在最大输出功率时光谱满足要求。当需要减小输出功率时，如果仅仅减小泵浦激光器的功率，使得输出功率满足要求，那么由于掺铒光纤内粒子反转程度发生了改变，改变了单程增益，结果导致输出功率减小的同时输出光谱形状也发生了改变。同样，如果仅仅增加衰减器7的衰减量，那么较大的泵浦功率使得掺铒光纤内粒子反转程度增加，同样改变了输出谱形。为解决此问题，提高衰减器7的衰减值的同时减小泵浦激光器5的功率，使得反射的ASE功率减小，同时减小泵浦激光器的功率以维持掺铒光纤内粒子反转程度不发生改变，即单程增益不发生变化，这样就可以实现减小输出功率的同时光谱形状保持不变。此时掺铒光纤3单程增益G，衰减器7衰减值L和掺铒光纤光源输出功率P之间满足下面的关系式: P+2 X L=G(2) 在(2)式中，2XL是由于前向ASE前后两次经过此衰减器，所以衰减器的衰减值每增加0.5dB，输出功率就相应减小ldB，在掺铒光纤增益和光滤波器不变的情况下保证输出光谱谱型不变。
实施例三: 本发明所采用的技术方案3，如图3所示:包括法拉第旋转反射镜1、光滤波器2、泵浦信号合波器4、泵浦激光器5，掺铒光纤3、隔离器6、衰减器7 ;光滤波器2分别连接法拉第旋转反射镜I和泵浦信号合波器4透射端，泵浦信号合波器4泵浦端连接泵浦激光器5，掺铒光纤3分别连接泵浦信号合波器4公共端和隔离器6输入端，隔离器6输出端连接衰减器7，衰减器7输出端连接输出尾纤。本实施例的掺铒光纤光源光路结构的工作过程具体如下:在泵浦光的激发下，掺铒光纤中同时产生前向和后向传播的ASE,其中前向ASE可经输出端直接输出。而后向ASE在传播到掺铒光纤末端后首先通过泵浦信号合波器4，经光滤波器2滤波后，被法拉第选择反射镜I反射，此后再经过光滤波器2 二次滤波，这样光滤波器2和法拉第旋转反射镜I对前向ASE实现波长选择反射，此后通过泵浦信号合波器4，由于掺铒光纤中存在增益，被反射后的后向ASE第二次经过掺铒光纤3的过程中再次被放大，它与掺铒光纤3中产生的前向ASE叠加后输出理想光谱；在衰减器7衰减值为OdB时，设计恰当的光滤波器，确保高输出功率时输出光谱满足要求；保持泵浦激光器功率不变，调节衰减器衰减值即可以实现输出功率变小时光谱形状不变。此时掺铒光纤3单程增益G，衰减器7衰减值L和掺铒光纤光源输出功率为P之间满足下面的关系式: P+L=G(3) 在如上(3)式中，经过选择性反射和二次放大的后向ASE和前向ASE —起经过衰减器衰减，所以衰减器的衰减值每增加ldB，输出功率就相应减小ldB，这样在掺铒光纤增益和光滤波器相同的情况下可以保证输出光谱形状不变。
实施例四: 本发明所采用的技术方案4，如图4所示:法拉第旋转反射镜1、衰减器7、光滤波器2、泵浦信号合波器4、泵浦激光器5，掺铒光纤3、隔离器6 ;法拉第旋转反射镜I连接衰减器7，光滤波器2分别连接衰减器7另一端和泵浦信号合波器4透射端，泵浦信号合波器4泵浦端连接泵浦激光器5，掺铒光纤3分别连接泵浦信号合波器4公共端和隔离器6输入端，隔离器6输出端连接输出尾纤。本实施例的掺铒光纤光源光路结构的工作过程具体如下:在泵浦光的激发下，掺铒光纤中同时产生前向和后向传播的ASE,其中前向ASE可经输出端直接输出，而后向ASE在传播到掺铒光纤末端后首先通过泵浦信号合波器4，经光滤波器2滤波后，再经过衰减器7整体衰减，此后被法拉第选择反射镜I反射，反射后再次经过衰减器7和光滤波器2进行二次滤波，光滤波器2、衰减器7和法拉第旋转反射镜I对后向ASE实现波长选择性反射，此后通过泵浦信号合波器4，由于掺铒光纤中存在增益，被反射后的后向ASE第二次经过掺铒光纤3的过程中再次被放大，它与掺铒光纤3中产生的前向ASE叠加后输出理想光谱；在衰减器衰减值为OdB时，设计恰当的光滤波器，确保高输出功率时光谱满足要求；同实施例二，提高衰减器7的衰减值的同时减小泵浦激光器5的功率，维持掺铒光纤内粒子反转程度不发生改变，即单程增益不发生变化，这样就可以实现减小输出功率的同时光谱形状保持不变。此时，掺铒光纤3单程增益G，衰减器7衰减值L和掺铒光纤光源输出功率P之间满足下面的关系式:
P+2 X L=G(4)
在如上(4)式中，2 X L是由于后向ASE前后两次经过此衰减器，所以衰减器衰减值每增加0.5dB,输出功率就相应减小IdB,这样在掺铒光纤增益和光滤波器相同的情况下保证输出光谱谱型不变。在实施例1和实施例3中，当掺铒光纤光源输出功率变化时，泵浦激光器一直工作在较大泵浦功率下，在低功率输出时功 耗比较大；而实施例2和实施例4中随着衰减器衰减值的增大，被选择性反射后的ASE功率就相应的减小,所以在减小掺铒光纤光源输出功率的同时，保证单程增益相同、光谱谱型不变所需要的泵浦激光器功率相应的减小，可提高泵浦转换效率，降低功耗。并且对于相同的输出功率，实施例1、实施例3的衰减器衰减值是实施例2、实施例4衰减值的2倍。在具体实施生产制造过程中衰减器7可以用分光耦合器、熔接插损等任何方式加入衰减的方式实现。光滤波器2实现稀土掺杂光纤光源输出光谱为平坦型或者高斯型的光滤波器。本发明中的实施例1和实施例3的掺铒光纤光源光路中，隔离器6和衰减器7在光路中的物理位置可以互换。实施例2和实施例4的掺铒光纤光源光路中，衰减器7和光滤波器2在光路中的物理位置可以互换。以铒镱共掺光纤做为增益介质为实施例进行说明，该实施例五采用技术方案同实施例一基本相同。实施例五:
本发明所采用的技术方案5，如图5所示:包括法拉第旋转反射镜1、光滤波器2、铒镱共掺光纤8、泵浦信号合波器4、泵浦激光器5、隔离器6、衰减器7 ;光滤波器2分别连接法拉第旋转反射镜I和铒镱共掺光纤8，铒镱共掺光纤8另一端连接泵浦信号合波器4公共端，泵浦信号合波器4泵浦端连接泵浦激光器5，泵浦信号合波器4透射端连接隔离器6输入端，隔离器6输出端连接衰减器7输入端，衰减器7另一端连接输出尾纤。本实施例的铒镱共掺光纤光源光路结构的工作过程具体如下:在泵浦光的激发下，铒镱共掺光纤8中同时产生前向和后向传播的ASE，其中后向ASE可经输出端直接输出，而前向ASE在传播到铒镱共掺光纤末端后首先通过光滤波器2，经滤波后被法拉第旋转反射镜I反射，此后再次经过光滤波器2进行第二次滤波，这样光滤波器2和法拉第旋转反射镜I对前向ASE实现了波长选择性反射。由于铒镱共掺光纤中存在增益，被反射后的前向ASE在第二次经过铒镱共掺光纤8的过程中再次被放大,它与铒镱共掺光纤8中产生的后向ASE叠加后输出所需的光谱；在衰减器7衰减值为OdB时，设计恰当的光滤波器，确保高输出功率时光谱满足要求；保持泵浦激光器功率不变，调节衰减器衰减值即可以实现输出功率变小时光谱形状不变。此时，铒镱共掺光纤8单程增益，衰减器7衰减值和铒镱共掺光纤光源输出功率之间同样满足实施例一中的关系式(I )，经过选择性反射和二次放大的前向ASE和后向ASE —起经过衰减器衰减，所以衰减器的衰减值每增加ldB，输出功率就相应减小ldB，这样在铒镱共掺光纤增益和光滤波器相同的情况下可以保证输出光谱形状不变。
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。
权利要求
1.一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于: 所述光路结构的组件包括法拉第旋转反射镜(I)、光滤波器(2)、稀土掺杂光纤(3)、泵浦信号合波器(4)、泵浦激光器(5)、隔离器(6)、衰减器(7); 所述组件之间的连接方式为下列方式中的一种: 1)光滤波器(2)分别连接法拉第旋转反射镜(I)和稀土掺杂光纤(3)，稀土掺杂光纤(3)另一端连接泵浦信号合波器(4)公共端，泵浦信号合波器(4)泵浦端连接泵浦激光器(5)，泵浦信号合波器(4)透射端连接隔离器(6)输入端，隔离器(6)输出端连接衰减器(7)输入端； 2)法拉第旋转反射镜(I)连接衰减器(7)，光滤波器(2)分别连接衰减器(7)另一端和稀土掺杂光纤(3)，稀土掺杂光纤(3)另一端连接泵浦信号合波器(4)公共端，泵浦信号合波器(4 )的泵浦端连接泵浦激光器(5 )，泵浦信号合波器(4 )透射端连接隔离器(6 )输入端; 3)光滤波器(2)分别连接法拉第旋转反射镜(I)和泵浦信号合波器(4)透射端，泵浦信号合波器(4 )泵浦端连接泵浦激光器(5 )，稀土掺杂光纤(3 )分别连接泵浦信号合波器(4 )公共端和隔离器(6)输入端，隔离器(6)输出端连接衰减器(7); 4)法拉第旋转反射镜(I)连接衰减器(7 )，光滤波器(2 )分别连接衰减器(7 )另一端和泵浦信号合波器(4 )透射端，泵浦信号合波器(4 )泵浦端连接泵浦激光器(5 )，稀土掺杂光纤(3)分别连接泵浦信号合波器(4)公共端和隔离器(6)输入端。
2.如权利要求1所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述稀土掺杂光纤是掺铒光纤或者掺铒镱光纤。
3.如权利要求1或2所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述连接方式I)中的隔离器(6)和衰减器(7)在光路中的物理位置互换。
4.如权利要求1或2所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述连接方式3)中的隔离器(6)和衰减器(7)在光路中的物理位置互换。
5.如权利要求1或2所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述连接方式2)中的衰减器(7)和光滤波器(2)在光路中的物理位置互换。
6.如权利要求1或2所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述连接方式4)中的衰减器(7)和光滤波器(2)在光路中的物理位置互换。
7.如权利要求1所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述的光滤波器(2)是实现稀土掺杂光纤光源输出光谱为平坦型或者高斯型的光滤波器。
8.如权利要求1或2所述的一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其特征在于:所述衰减器(7)为分光耦合器。
全文摘要
本发明涉及一种稀土掺杂光纤光源光路结构，其组件包括法拉第旋转反射镜(1)、光滤波器(2)、稀土掺杂光纤、泵浦信号合波器(4)、泵浦激光器(5)、隔离器(6)、衰减器(7)；所述组件之间的连接方式其中一种为光滤波器(2)分别连接法拉第旋转反射镜(1)和稀土掺杂光纤(3)，稀土掺杂光纤(3)另一端连接泵浦信号合波器(4)公共端，泵浦信号合波器(4)泵浦端连接泵浦激光器(5)，泵浦信号合波器(4)透射端连接隔离器(6)输入端，隔离器(6)输出端连接衰减器(7)输入端；本发明提供的一种稀土掺杂光纤光源光路结构可以使稀土掺杂光纤光源在使用同一款光滤波器的情况下，保证不同输出功率等级的光源光谱形状保持不变，从而减少成本。
文档编号H01S3/10GK103199417SQ20131010784
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者马延峰, 陈俊, 卜勤练, 余春平 申请人:武汉光迅科技股份有限公司