專利名稱：多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)儀，由幾個(gè)功能單元構(gòu)成的有源光纖器件組合構(gòu)成，屬于激光技術(shù)背景當(dāng)今信息時(shí)代，放大的自發(fā)輻射(ASE)寬帶光源、摻鉺光纖放大器(EDFA)、摻鉺光纖激光器(EDFL)在光纖通訊系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光傳感系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。有源光纖器件發(fā)展迅速，科研成果頻傳，已成為光學(xué)、光電子學(xué)及現(xiàn)代光通訊中最有生命力和最活躍的研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
我們研制的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，它由若干個(gè)功能單元構(gòu)成泵浦增益單元；信號(hào)光輸入單元；光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元；由3dB耦合器做成的反射單元和耦合輸出調(diào)諧單元。單元之間采用跳線插接方式，儀器前面板提供了跳線插接的端口。用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實(shí)驗(yàn)放大的自發(fā)輻射寬帶光源、摻鉺光纖放大器、摻鉺光纖激光器和全光纖調(diào)Q激光器等。
我們從專題系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想出發(fā)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和了解這些單元的結(jié)構(gòu)及原理基礎(chǔ)上，自己可以用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，目的明確、概念清晰、快捷方便的進(jìn)行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纖調(diào)Q激光器等一系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這種多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，它包括泵浦增益單元a、信號(hào)光輸入單元c、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元d、反射單元b、和耦合輸出調(diào)諧單元e，其特點(diǎn)在于用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實(shí)驗(yàn)泵浦增益單元的端口②為前向ASE光源的輸出端，端口①為后向ASE光源的輸出端，反射單元的端口③和端口①連接，使后向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從端口②輸出，為雙程前向ASE的實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元的端口①與信號(hào)光輸入單元(c)的端口④連接，就組成一個(gè)EDFA實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元(a)的端口①與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個(gè)可調(diào)諧EDF環(huán)形腔激光器；泵浦增益單元(a)的端口①與光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元(d)的⑥、泵浦增益單元(a)的②與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑧以及光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元(d)的⑦與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑨分別連接起來，就組成了一個(gè)全光纖調(diào)Q激光器。
泵浦增益單元本身就是一個(gè)摻鉺光纖ASE光源的實(shí)驗(yàn)裝置，端口②為前向ASE的輸出端，端口①為后向ASE的輸出端。
本實(shí)用新型的有益效果是我們借鑒了近幾年對(duì)光纖放大器、光纖激光器等有源光纖器件的科研成果，研制的這臺(tái)組合實(shí)驗(yàn)儀，給學(xué)生提供了一個(gè)學(xué)習(xí)和研究的多層次平臺(tái)。通過這個(gè)平臺(tái)使學(xué)生不但可以學(xué)習(xí)、了解光纖放大器、光纖激光器等有源光纖器件的工作原理、性能和技術(shù)指標(biāo)，而且還可以對(duì)它們做優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善功能和提高技術(shù)指標(biāo)等深層次的工作。此裝置便于操作，性能優(yōu)良，概念清晰。


圖1.多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成a、泵浦增益單元 b、反射單元 c、信號(hào)光輸入單元 d、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元 e、耦合輸出調(diào)諧單元其中11.驅(qū)動(dòng)源 12.半導(dǎo)體激光器LD 13.波分復(fù)用耦合器WDM. 14、摻鉺光纖EDF、15.光隔離器ISO 16.3dB耦合器 20.可變衰減器 21.信號(hào)光源 23、24.干涉儀的臂25.PZT控制器 28.可調(diào)整光纖光柵FBG圖2.980nm激光泵浦的3m EDF增益譜圖3.增益和泵浦功率的關(guān)系圖4.輸出功率和分光比B的關(guān)系曲線圖5.全光纖調(diào)Q激光器輸出脈沖實(shí)施具體方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明這種多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，它包括泵浦增益單元a、信號(hào)光輸入單元c、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元d、反射單元b、和耦合輸出調(diào)諧單元e，其特點(diǎn)在于用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實(shí)驗(yàn)泵浦增益單元a的端口②為前向ASE的輸出端，端口①為后向ASE的輸出端，反射單元b的端口③和端口①連接，使后向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從端口②輸出，為雙程前向ASE的實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元a的端口①與信號(hào)光輸入單元c的端口④連接，就組成一個(gè)EDFA實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元a的端口①與耦合輸出調(diào)諧單元e的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個(gè)可調(diào)諧EDF環(huán)形腔激光器；泵浦增益單元a的端口①與光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元d的⑥、泵浦增益單元a的②與耦合輸出調(diào)諧單元e的⑧以及光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元d的⑦與耦合輸出調(diào)諧單元e的⑨分別連接起來，就組成了一個(gè)全光纖調(diào)Q激光器。泵浦增益單元本身就是一個(gè)摻鉺光纖ASE光源的實(shí)驗(yàn)裝置，端口②為前向ASE的輸出端，端口①為后向ASE的輸出端。
泵浦增益單元a由驅(qū)動(dòng)源11、半導(dǎo)體激光器LD 12、波分復(fù)用耦合器WDM 13、摻鉺光纖EDF 14和光隔離器ISO 15依次連接構(gòu)成。
半導(dǎo)體激光器(LD)的波長是980nm。反射單元b由3dB耦合器構(gòu)成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構(gòu)成一個(gè)反射鏡。信號(hào)光輸入單元c由信號(hào)光源21、可變衰減器20、3dB耦合器19和光隔離器ISO 15依次連接構(gòu)成。信號(hào)光源21的中心波長為1546nm的發(fā)光二極管。光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元d由兩段普通通信光纖23、24作為干涉儀的兩臂連接兩個(gè)3dB耦合器26、22構(gòu)成，M-Z干涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂23作為參考臂，另一臂24粘在壓電陶瓷PZT控制器25上。耦合輸出調(diào)諧單元e由3dB耦合器和可調(diào)整的光纖光柵FBG 28連接構(gòu)成，F(xiàn)BG固定在一個(gè)懸臂梁上。FBG中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
按照?qǐng)D1把每個(gè)單元的組件分別進(jìn)行熔接，保證每個(gè)熔接點(diǎn)的損耗小于0.02dB。
EDF的ASE光源的實(shí)驗(yàn)是由980nm LD經(jīng)WDM直接抽運(yùn)EDF，其前向ASE光譜經(jīng)-ISO從端口②輸出，用光譜儀與端口②連接可以觀測到前向ASE譜，與端口①連接就可以觀測后向ASE譜。端口③和端口①連接，用光譜儀與端口②連接，可以觀測雙程前向ASE譜。
端口①與端口④連接，就組成一個(gè)EDFA實(shí)驗(yàn)裝置。信號(hào)光經(jīng)3dB耦合器分為兩束，一束光經(jīng)端口⑤輸出到光譜儀作為信號(hào)光的監(jiān)測，另一束和980nm的泵光一同經(jīng)WDM耦合進(jìn)入EDF，經(jīng)EDFA最終放大的信號(hào)從端口②輸出到光譜儀進(jìn)行觀測，也可和輸入信號(hào)光進(jìn)行比較。為防止放大器的自激振蕩及傳輸光路中的光反饋，在放大器的輸入和輸出端放置兩個(gè)ISO。實(shí)驗(yàn)中通過可調(diào)衰減控制信號(hào)的強(qiáng)度變化，測量放大器的輸出特性；增益和泵光功率的關(guān)系；增益和信號(hào)光功率的關(guān)系以及噪聲系數(shù)分析。
把端口①與⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個(gè)可調(diào)諧EDF環(huán)形腔激光器。980nm LD經(jīng)WDM泵浦由EDF、ISO和3dB輸出耦合器及與它右端相連的FBG組成的環(huán)形腔，腔內(nèi)置ISO使激光工作于行波狀態(tài)。泵光的能量經(jīng)EDF增益后轉(zhuǎn)化為1550nm波段的激光，從端口⑩輸出到光譜儀觀測。FBG起到了選頻、調(diào)諧和腔鏡的多重作用。通過改變懸臂梁的應(yīng)力可以改變FBG的周期，以實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長的調(diào)諧。用此裝置測量激光器的輸出功率隨泵光輸入功率的變化，獲得激光閾值以及斜率效率等參量。在EDF摻雜濃度和長度一定情況下，測量耦合器不同分光比對(duì)激光器輸出特性的影響。
把端口①與⑥、②與⑧以及⑦與⑨分別連接起來，就組成了一個(gè)全光纖調(diào)Q激光器。在M-Z干涉儀的一臂上加調(diào)制電壓，在調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)增益的控制，起到了Q開關(guān)的作用。得到的激光調(diào)Q脈沖從端口⑩輸出到光探測器(PD)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用100MHz的示波器觀測調(diào)Q激光脈沖。
圖2為ASE光源實(shí)驗(yàn)中，泵浦功率為6.95mW，武漢郵電研究院提供的3米長摻鉺光纖(1000ppm)的正向ASE譜，它是一個(gè)具有1531nm和1557nm兩個(gè)峰的不平坦的寬帶自發(fā)輻射光源。通過調(diào)節(jié)LD的驅(qū)動(dòng)電流連續(xù)改變LD的輸出功率，可以觀測到兩個(gè)峰的變化趨勢(shì)。端口③和端口①連接，觀測雙程前向ASE譜，譜的形狀和帶寬基本不變，而輸出功率增加近一倍。
圖3為EDFA實(shí)驗(yàn)中，使用同一根摻鉺光纖，在1532nm處增益和泵浦功率的關(guān)系曲線。
圖4為EDF環(huán)形腔激光器實(shí)驗(yàn)中，泵浦電流為100mA，輸出功率與分光比B的關(guān)系曲線。由圖看出，輸出分光比存在一個(gè)最佳值，當(dāng)采用具有最佳分光比的耦合器時(shí)，同樣的泵浦功率會(huì)得到較大的激光輸出。
圖5為全光纖調(diào)Q激光器實(shí)驗(yàn)中，在PZT上加一個(gè)38V、760Hz的正弦電壓信號(hào)，得到的調(diào)Q激光脈沖圖。圖中上邊一條正弦曲線為調(diào)制信號(hào)，下邊為調(diào)Q激光器的周期性脈沖，兩者頻率一致。
泵浦增益單元由980nm LD、波分復(fù)用耦合器(980/1550 WDM)、摻鉺光纖(EDF)和偏振無關(guān)的寬帶光隔離器ISO[龐勇，葉勇，蔣佩璇等。端面附近缺陷在EDF中引起的震蕩。光學(xué)學(xué)報(bào)，1996；16(8)1133～1135]組成。
反射單元由3dB耦合器構(gòu)成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構(gòu)成一個(gè)光纖反射鏡。信號(hào)光輸入單元由中心波長為1546nm LED的信號(hào)光源、可調(diào)衰減器、3dB耦合器和ISO組成。光纖M-Z干涉儀單元由兩個(gè)3dB耦合器和兩段普通通信光纖組成，M-Z干涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂作為參考臂，令一臂粘在壓電陶瓷(PZT)上，PZT由調(diào)制電信號(hào)驅(qū)動(dòng)。輸出調(diào)諧單元由3dB耦合器和光纖光柵(FBG)組成，F(xiàn)BG固定在一個(gè)懸臂梁上。FBG中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
端口③和端口①連接，使后向ASE譜功率反射和前向ASE譜合一，從端口②輸出，為雙程前向ASE的實(shí)驗(yàn)裝置。端口①與端口④連接，就組成一個(gè)EDFA實(shí)驗(yàn)裝置(Mears R J，BakerS R.Erbium fiber amplifiers and laser.Optical and QuantumElectronics.1992，24517～538)。端口①與⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個(gè)可調(diào)諧EDF環(huán)形腔激光器。[楊秀峰，趙東暉，葛春風(fēng)等。光纖環(huán)形腔激光器輸出特性的研究。光學(xué)學(xué)報(bào)，1999；19(9)1194～1196]。端口①與⑥、②與⑧以及⑦與⑨分別連接起來，就組成了一個(gè)全光纖調(diào)Q激光器。
權(quán)利要求1.一種多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，它包括泵浦增益單元(a)、信號(hào)光輸入單元(c)、光纖馬赫—曾特爾(M-Z)干涉儀單元(d)、反射單元(b)、和耦合輸出調(diào)諧單元(e)，其特征在于泵浦增益單元(a)的端口②為放大自發(fā)輻射光源的前向輸出端，端口①為自發(fā)輻射光源的后向輸出端，反射單元(b)的端口③和端口①連接，使后向自發(fā)輻射譜功率反射和前向自發(fā)輻射譜合一，從端口②輸出，為雙程前向自發(fā)輻射的實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元(a)的端口①與信號(hào)光輸入單元(c)的端口④連接，就組成一個(gè)摻鉺光纖放大器EDFA實(shí)驗(yàn)裝置；泵浦增益單元(a)的端口①與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑨、②與⑧分別連接起來，就組成了一個(gè)可調(diào)諧摻鉺光纖EDF環(huán)形腔激光器；泵浦增益單元(a)的端口①與光纖M-Z干涉儀單元(d)的⑥、泵浦增益單元(a)的②與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑧以及光纖M-Z干涉儀單元(d)的⑦與耦合輸出調(diào)諧單元(e)的⑨分別連接起來，就組成了一個(gè)全光纖調(diào)Q激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于泵浦增益單元(a)由驅(qū)動(dòng)源(11)、半導(dǎo)體激光器(LD、12)、波分復(fù)用耦合器(WDM、13)、摻鉺光纖(EDF、14)和偏振無關(guān)的寬帶光隔離器(ISO、15)依次連接構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于半導(dǎo)體激光器LD的波長是980nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于反射單元(b)由3dB耦合器構(gòu)成，3dB耦合器的輸出兩端熔接在一起，構(gòu)成一個(gè)光纖反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于信號(hào)光輸入單元(c)由信號(hào)光源(21)、可變衰減器(20)、3dB耦合器(16)和光隔離器(ISO、15)依次連接構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于信號(hào)光源(21)的中心波長為1546nm的發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于光纖M-Z干涉儀單元(d)由兩段普通通信光纖(23、24)作為干涉儀的兩臂連接兩個(gè)3dB耦合器(16)構(gòu)成，M-Z干涉儀兩臂長差約為0.14mm，消光比為98％，其中一臂(23)作為參考臂，另一臂(24)粘在壓電陶瓷(PZT控制器、25)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于耦合輸出調(diào)諧單元(e)由3dB耦合器和可調(diào)整光纖光柵(FBG、28)連接構(gòu)成，F(xiàn)BG固定在一個(gè)懸臂梁上，通過調(diào)節(jié)加在懸臂梁上的應(yīng)力，使其彎曲，從而調(diào)整光纖光柵的周期，實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于可調(diào)整光纖光柵FBG的中心波長為1553nm，反射率為98％，帶寬為0.1nm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多功能有源光纖器件組合實(shí)驗(yàn)儀，由幾個(gè)功能單元構(gòu)成的有源光纖器件組合構(gòu)成，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。構(gòu)成單元為泵浦增益單元、信號(hào)光輸入單元、光纖馬赫－曾特爾(M－Z)干涉儀單元、3dB耦合器做成的反射單元和耦合輸出調(diào)諧單元。單元之間采用跳線插接方式，儀器前面板提供了跳線插接的端口。用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，可以方便地組裝成有源光纖器件系列實(shí)驗(yàn)放大的自發(fā)輻射寬帶光源、摻鉺光纖放大器、摻鉺光纖激光器和全光纖調(diào)Q激光器等。從專題系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)出發(fā)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和了解這些單元的結(jié)構(gòu)及原理基礎(chǔ)上，自己可以用跳線把相關(guān)插接點(diǎn)連接起來，目的明確、概念清晰、快捷方便的進(jìn)行ASE光源、EDFA、EDFL和全光纖調(diào)Q激光器等一系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2700994SQ20042002863
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者呂福云, 王宏杰, 張江水, 謝春霞, 范宇 申請(qǐng)人:南開大學(xué)