一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器

1.本发明涉及光纤通信技术领域，更具体的说是涉及一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器。


背景技术：

2.为了应对光接入网在带宽扩展方面的巨大需求，基于多种物理维度复用的光纤通信系统应运而生，由于传统波分复用光纤通信系统面临光纤通信波段带宽有限的问题，模式这一物理维度被加入其中，从而构成模分复用-波分复用光纤通信系统，能够产生不同横向模式和波长的激光源可以应用于其中。实现全光纤高阶模式激光器的关键是可以选择性地激发特定高阶模式的全光纤模式转换器件。目前提出的几种模式转换技术包括纤芯错位熔接、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、光纤模式选择耦合器。基于这些模式转换器件的全光纤高阶模式激光器可分为两类。第一类：采用单模增益介质，谐振腔内为基模振荡，通过模式转换器件激发高阶模式。第二类：采用少模增益介质，谐振腔内为高阶模式振荡，通过模式转换器件激发高阶模式。然而，实现高阶模式选择性放大的少模稀土掺杂光纤的设计和制造具有挑战性，因此采用少模增益介质的激光器的推广和应用存在较大困难。
3.目前，高阶模式光纤激光器一般是以切换的方式输出不同横向模式的激光，切换输出可以通过控制光开关、模式选择耦合器、空间光调制器等实现，但是对于能够同时输出不同横向模式的光纤激光器的研究较少。对于多波长光纤激光器，其形成多波长激射的关键是滤波器。滤波器一般被分为两类，一类是以马赫曾德尔干涉仪、赛格耐克干涉仪等为代表的梳状滤波器，其可以实现波长的调谐，但是由于此类滤波器具有整体改变特性，导致其波长切换能力相对较弱。另一类是以布拉格光纤光栅为代表的离散滤波器，光纤光栅的使用数量决定了激射波长的数量，其波长切换能力较强，但是多个光纤光栅的使用会造成系统的插入损耗和复杂度的增加。
4.因此，如何低成本地实现不同模式不同波长的激光同时输出，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器。本发明利用三层环形腔中不同少模长周期光纤光栅获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，通过不同少模布拉格光纤光栅实现lp
01
、lp
11
、lp
21
模式的反射，在相同波长输出状态下实现lp
01
、lp
11
、lp
21
模式的同时激射，利用单个少模布拉格光纤光栅作为离散滤波器，通过调节偏振控制器，实现单波长、双波长、三波长激射之间的切换输出，并且三个波长分别对应lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式。本发明的激光器在多波长输出的同时，实现了不同横向模式的同时输出，其能够应用于模分复用-波分复用光纤通信系统中，实现传输容量的扩展。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器，包括依次连接的光束输入
模块、三层环形腔、光束输出模块；
8.所述光束输入模块用于将光束分为三路，包括第一光束、第二光束、第三光束，分别输入到三层环形腔中；
9.所述三层环形腔包括第一谐振腔a、第二谐振腔b、第三谐振腔c，分别用于接收第一光束、第二光束、第三光束，并对接收的光束进行波长切换、模式切换和激射；
10.所述光束输出模块用于输出不同波长、不同模式的光束。
11.可选的，所述光束输入模块包括依次连接的泵浦源、波分复用器、单模掺铒光纤、第一单模耦合器。
12.可选的，所述第一谐振腔a包括依次连接的第一偏振控制器、第一少模长周期光纤光栅、第一少模光纤环形器、第一少模光纤耦合器，还包括与第一少模光纤环形器连接的第一少模布拉格光纤光栅，所述第一偏振控制器与光束输入模块连接，所述第一少模光纤耦合器与光束输出模块连接。
13.可选的，所述第二谐振腔b包括依次连接的第二偏振控制器、第二少模长周期光纤光栅、第二少模光纤环形器、第二少模光纤耦合器，还包括与第二少模光纤环形器连接的第二少模布拉格光纤光栅，所述第二偏振控制器与光束输入模块连接，所述第二少模光纤耦合器与光束输出模块连接。
14.可选的，所述第三谐振腔c包括依次连接的第三偏振控制器、第三少模长周期光纤光栅、第四少模长周期光纤光栅、第三少模光纤环形器、第三少模光纤耦合器，还包括与第三少模光纤环形器连接的第三少模布拉格光纤光栅，所述第三偏振控制器与光束输入模块连接，所述第三少模光纤耦合器与光束输出模块连接。
15.可选的，所述光束输出模块包括第二单模耦合器。
16.可选的，所述第一少模长周期光纤光栅、第二少模长周期光纤光栅、第三少模长周期光纤光栅及第四少模长周期光纤光栅的周期分别为1100μm、1088μm、1092μm、891μm。
17.可选的，所述第一少模布拉格光纤光栅、第二少模布拉格光纤光栅及第三少模布拉格光纤光栅的周期分别为1069μm、1070μm、1072μm。
18.可选的，所述第一单模耦合器和第二单模耦合器的分光比分别为1:1:1。
19.可选的，所述第一少模光纤耦合器、第二少模光纤耦合器及第三少模光纤耦合器的分光比分别为1:1。
20.本发明上述激光器的工作原理为：
21.在第一谐振腔a中，利用第一少模长周期光纤光栅同时获得lp
01
和lp
11
模式，通过第一少模布拉格光纤光栅反射lp
01
模式形成激射。在第二谐振腔b中，利用第二少模长周期光纤光栅同时获得lp
01
和lp
11
模式，通过第二少模布拉格光纤光栅反射lp
01
和lp
11
模式，利用第二偏振控制器调节第二谐振腔b的偏振状态，实现单波长、双波长、三波长激射之间的切换输出，并且三个波长分别对应lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式。在第三谐振腔c中，利用第三少模长周期光纤光栅和第四少模长周期光纤光栅同时获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，通过第三少模布拉格光纤光栅反射lp
21
模式形成激射。其中，lp表示线极化偏振模，当用lp
mn
表示时，代表m阶贝塞尔函数的第n个根，一组m、n值对应一个模式。
22.经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器，与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.目前，高阶模式光纤激光器一般是以切换的方式输出不同横向模式的激光，但是无法实现同时输出不同横向模式的激光。本发明通过不同少模布拉格光纤光栅反射lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，在相同波长输出状态下实现lp
01
、lp
11
、lp
21
模式的同时激射。对于多波长光纤激光器，采用以少模布拉格光纤光栅为代表的离散滤波器情况下，少模布拉格光纤光栅的使用数量决定了激射波长的数量，其波长切换能力较强，但是多个少模布拉格光纤光栅的使用会造成系统的插入损耗和复杂度的增加。本发明利用单个少模布拉格光纤光栅作为离散滤波器，通过调节偏振控制器，实现单波长、双波长、三波长激射之间的切换输出，并且三个波长分别对应lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式。本发明激光器在多波长输出，并且不同波长对应不同模式的同时，实现了相同波长输出状态下的不同横向模式的同时输出，能够应用于模分复用-波分复用光纤通信系统中，实现传输容量的扩展。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1为本发明提出的支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器的装置结构示意图；
26.图2(a)为第一少模长周期光纤光栅的透射谱；
27.图2(b)为第二少模长周期光纤光栅的透射谱；
28.图2(c)为第三少模长周期光纤光栅的透射谱；
29.图2(d)为第四少模长周期光纤光栅的透射谱；
30.图3为少模长周期光纤光栅的模式激发测量实验系统示意图；
31.图4为少模布拉格光纤光栅的模式反射测量实验系统示意图；
32.图5(a)为第三模式选择性光子灯笼激发lp
01
和lp
11
模式条件下，第一少模布拉格光纤光栅的反射谱；
33.图5(b)为第三模式选择性光子灯笼激发lp
01
和lp
11
模式条件下，第二少模布拉格光纤光栅的反射谱；
34.图5(c)为第三模式选择性光子灯笼激发lp
01
、lp
11
、lp
21
模式条件下，第三少模布拉格光纤光栅的反射谱；
35.图6为第一谐振腔a的lp
01
模式单波长激射情况；
36.图7(a)为第二谐振腔b的lp
01
模式单波长激射情况；
37.图7(b)为第二谐振腔b的lp
01
和lp
11
混合模式单波长激射情况；
38.图7(c)为第二谐振腔b的lp
11
模式单波长激射情况；
39.图7(d)为第二谐振腔b的lp
01
模式以及lp
01
和lp
11
混合模式双波长激射情况；
40.图7(e)为第二谐振腔b的lp
01
模式和lp
11
模式双波长激射情况；
41.图7(f)为第二谐振腔b的lp
01
和lp
11
混合模式以及lp
11
模式双波长激射情况；
42.图7(g)为第二谐振腔b的lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式三波长激射情况；
43.图8为第三谐振腔c的lp
21
模式单波长激射情况；
44.其中，a为第一谐振腔，b为第二谐振腔，c为第三谐振腔，1为泵浦源，2为波分复用器，3为单模掺铒光纤，4为第一单模耦合器，5为第一偏振控制器，6为第一少模长周期光纤光栅，7为第一少模光纤环形器，8为第一少模布拉格光纤光栅，9为第一少模光纤耦合器，10为第二偏振控制器，11为第二少模长周期光纤光栅，12为第二少模光纤环形器，13为第二少模布拉格光纤光栅，14为第二少模光纤耦合器，15为第三偏振控制器，16为第三少模长周期光纤光栅，17为第四少模长周期光纤光栅，18为第三少模光纤环形器，19为第三少模布拉格光纤光栅，20为第三少模光纤耦合器，21为第二单模耦合器，22为光谱分析仪，23为电荷耦合元件，24为激光器，25为单模光纤环形器，26为第一模式选择性光子灯笼，27为第二模式选择性光子灯笼，28为功率计，29为宽谱光源，30为第三模式选择性光子灯笼。
具体实施方式
45.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
46.本发明实施例公开了一种支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器，参见图1，包括依次连接的光束输入模块、三层环形腔、光束输出模块；
47.所述光束输入模块用于将光束分为三路，包括第一光束、第二光束、第三光束，分别输入到三层环形腔中；
48.所述三层环形腔包括第一谐振腔a、第二谐振腔b、第三谐振腔c，分别用于接收第一光束、第二光束、第三光束，并对接收的光束进行波长切换、模式切换和激射；
49.所述光束输出模块用于输出不同波长、不同模式的光束。
50.可选的，所述光束输入模块包括依次连接的泵浦源1、波分复用器2、单模掺铒光纤3、第一单模耦合器4。
51.所述光束输出模块包括第二单模耦合器21。
52.在具体实施例中，泵浦源1型号选取980nm泵浦源，波分复用器2选取980/1550波分复用器。980nm泵浦源1输出的泵浦光经980/1550波分复用器2进入单模掺铒光纤3中，然后通过第一单模耦合器4将光束分为三路。
53.具体的，第一路光束由第一单模耦合器4的1口依次进入第一偏振控制器5、第一少模长周期光纤光栅6、第一少模光纤环形器7的1口、第一少模光纤环形器7的2口、第一少模布拉格光纤光栅8、第一少模光纤环形器7的3口、第一少模光纤耦合器9及第二单模耦合器21的1口中，从而形成第一谐振腔a。
54.第二路光束由第一单模耦合器4的2口依次进入第二偏振控制器10、第二少模长周期光纤光栅11、第二少模光纤环形器12的1口、第二少模光纤环形器12的2口、第二少模布拉格光纤光栅13、第二少模光纤环形器12的3口、第二少模光纤耦合器14及第二单模耦合器21的2口中，从而形成第二谐振腔b。
55.第三路光束由第一单模耦合器4的3口依次进入第三偏振控制器15、第三少模长周期光纤光栅16、第四少模长周期光纤光栅17、第三少模光纤环形器18的1口、第三少模光纤环形器18的2口、第三少模布拉格光纤光栅19、第三少模光纤环形器18的3口、第三少模光纤
耦合器20及第二单模耦合器21的3口中，从而形成第三谐振腔c。
56.在具体实施过程中，所述第一少模长周期光纤光栅6、第二少模长周期光纤光栅11、第三少模长周期光纤光栅16及第四少模长周期光纤光栅17的周期分别为1100μm、1088μm、1092μm、891μm。
57.在具体实施过程中，所述第一少模布拉格光纤光栅8、第二少模布拉格光纤光栅13及第三少模布拉格光纤光栅19的周期分别为1069μm、1070μm、1072μm。
58.在具体实施过程中，所述第一单模耦合器4和第二单模耦合器21的分光比分别为1:1:1。
59.在具体实施过程中，所述第一少模光纤耦合器9、第二少模光纤耦合器14及第三少模光纤耦合器20的分光比分别为1:1。
60.进一步的，分别在第一少模光纤耦合器9、第二少模光纤耦合器14及第三少模光纤耦合器20的2口利用光谱分析仪22和电荷耦合元件23测量波长激射和光斑分布情况。
61.下面对少模长周期光纤光栅的模式激发效果和少模布拉格光纤光栅的模式反射效果进行实验验证：
62.一、少模长周期光纤光栅的模式激发测量实验
63.少模长周期光纤光栅在谐振腔中实现模式转换的作用。在少模光纤上写入啁啾长周期光栅，利用其在少模光纤的纤芯中获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式。不同少模长周期光纤光栅透射谱参见图2(a)、图2(b)、图2(c)，其模式激发测量实验系统如图3所示。系统由激光器24、单模光纤环形器25、第一模式选择性光子灯笼26、第一少模长周期光纤光栅6、第二少模长周期光纤光栅11、第三少模长周期光纤光栅16、第四少模长周期光纤光栅17、第二模式选择性光子灯笼27、功率计28组成。由第一模式选择性光子灯笼26激发lp
01
模式，当进入第一少模长周期光纤光栅6或第二少模长周期光纤光栅11中，可以同时获得lp
01
和lp
11
模式，当进入第三少模长周期光纤光栅16和第四少模长周期光纤光栅17中，利用第三少模长周期光纤光栅16同时获得lp
01
和lp
11
模式，通过第四少模长周期光纤光栅17同时获得lp
11
和lp
21
模式，从而同时获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，由第二模式选择性光子灯笼27实现模式分离，通过功率计28测量第二模式选择性光子灯笼27的lp
01
、lp
11
、lp
21
模式输出端口的功率。第一模式选择性光子灯笼26和第二模式选择性光子灯笼27的模式损耗和第一少模长周期光纤光栅6、第二少模长周期光纤光栅11、以及第三少模长周期光纤光栅16和第四少模长周期光纤光栅17的模式功率占比如表1和表2所示。从表2可知，通过第一少模长周期光纤光栅6或第二少模长周期光纤光栅11同时获得lp
01
和lp
11
模式的功率占比接近，利用第三少模长周期光纤光栅16和第四少模长周期光纤光栅17同时获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，lp
01
和lp
11
模式的功率占比较小，lp
21
模式的功率占比较多。
64.表1模式选择性光子灯笼的模式损耗
65.66.表2少模长周期光纤光栅各模式功率与总功率比值
[0067][0068]
二、少模布拉格光纤光栅的模式反射测量实验
[0069]
少模布拉格光纤光栅在谐振腔中实现模式反射的作用。采用飞秒激光逐点写入法在少模光纤上写入布拉格光栅，使其在少模光纤的纤芯中反射lp
01
、lp
11
、lp
21
模式。由于少模布拉格光纤光栅反射波长与横向模式相对应，在特定周期的少模布拉格光纤光栅中模式阶次越高对应的波长越短，并且除了模式的自耦合之外，还存在两个模式的互耦合，互耦合反射波长介于两个模式自耦合对应波长之间。少模布拉格光纤光栅反射谱测量实验如图4所示。该系统由宽谱光源29、第一单模耦合器4、第三模式选择性光子灯笼30、第一少模光纤环形器7、第一少模布拉格光纤光栅8、第二少模布拉格光纤光栅13、第三少模布拉格光纤光栅19、光谱分析仪22构成。通过第三模式选择性光子灯笼30激发lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，在第一少模光纤环形器7的3口通过第一光谱分析仪22测量少模布拉格光纤光栅的反射谱。第一少模布拉格光纤光栅8、第二少模布拉格光纤光栅13、第三少模布拉格光纤光栅19的反射谱如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，图5(a)和图5(b)是在第三模式选择性光子灯笼30激发lp
01
和lp
11
模式条件下，第一少模布拉格光纤光栅8、第二少模布拉格光纤光栅13的反射谱。图5(c)是在第三模式选择性光子灯笼30激发lp
01
、lp
11
、lp
21
模式条件下，第三少模布拉格光纤光栅19的反射谱。
[0070]
在第一谐振腔a中，由于图5(a)中第一少模布拉格光纤光栅8反射谱的1反射峰与其它反射峰的峰值差值大于7db，因此，第一谐振腔a中只在反射峰1的峰值附近形成激射，对应lp
01
模式，如图6所示。在第二谐振腔b中，由于图5(b)中第二少模布拉格光纤光栅13反射谱的2、3、4反射峰的峰值接近，因此，第二谐振腔b中在反射峰2、3、4的峰值附近形成激射，分别对应lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式，并且通过调节偏振控制器，可以实现单波长、双波长、三波长激射之间的切换输出，即三个波长的排列组合，如图7所示。在第三谐振腔c中，由于图5(c)中第三少模布拉格光纤光栅19反射谱的反射峰4与其它反射峰的峰值差值大于3db，同时由于表2中通过第三少模长周期光纤光栅16和第四少模长周期光纤光栅17同时获得lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，其中lp
01
和lp
11
模式的功率占比较小，lp
21
模式的功率占比较多，因此，第三谐振腔c中只在反射峰4的峰值附近形成激射，对应lp
21
模式，如图8所示。从图6、图7(c)、图8可知，第一少模布拉格光纤光栅8的反射峰1、第二少模布拉格光纤光栅13的反射峰4、第三少模布拉格光纤光栅19的反射峰5的峰值附近形成的激射波长一致，并且分别对应lp
01
、lp
11
、lp
21
模式，因此实现了相同波长输出状态下的不同横向模式的同时激射。从图7可知，第二少模布拉格光纤光栅13的反射峰2、3、4的峰值附近形成激射，调节图1第二谐振腔b中的第二偏振控制器10，实现单波长、双波长、三波长激射之间的切换输出，三个波长分别对应lp
01
模式、lp
01
和lp
11
混合模式、lp
11
模式。从图6、图7(g)、图8可知，本发明提
出的支持多种横向模式同时输出的多波长光纤激光器在多波长输出，并且不同波长对应不同模式的同时，实现了相同波长输出状态下的不同横向模式的同时激射。可以进一步改善少模长周期光纤光栅的模式功率占比，以及缩小少模布拉格光纤光栅的反射峰之间的峰值差异，从而能够在每层谐振腔中，通过调节偏振控制器，实现多个波长的激射，并且不同波长对应不同横向模式。
[0071]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0072]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。