Двухволновой перестраиваемый волоконный кольцевой лазер

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДВУХВОЛНОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ВОЛОКОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Поляков Александр Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Двухволновой перестраиваемый волоконный кольцевой лазер, содержащий волоконный эрбиевый оптический усилитель, оптический изолятор, контроллер поляризации, оптические разветвители, отличающийся тем, что в него введены полупроводниковый оптический усилитель, резонансный волоконный фильтр Фабри-Перо, оптический полосовой перестраиваемый фильтр и два волоконных резонатора. Предлагаемая полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в таких важных приложениях, как прецизионные волоконно-оптические измерения и высокоскоростные системы связи на базе технологии мультиплексирования с разделением по длинам волн . Известен волоконный кольцевой лазер 1, состоящий из волоконного эрбиевого усилителя, двух соединителей, контроллера поляризации, оптического изолятора, двух пере 68152010.12.30 страиваемых решеток Брэгга, установленных на пьезокерамике, четырехпортового оптического циркулятора и волоконного световода. Данное устройство предназначено для генерации в одночастотном режиме ультракоротких импульсов. Недостатками данного устройства являются возможность одновременного генерирования импульсов только на одной длине волны достаточно низкая выходная мощность (-25 дБм) для перестройки периодов волоконных решеток Брэгга к пьезоэлектрической керамике необходимо прикладывать высокое напряжение (более 300 В). Известен волоконный кольцевой лазер 2, выбранный в качестве прототипа, состоящий из волоконного эрбиевого усилителя, первого оптического разветвителя, второго оптического разветвителя, первого волоконного кольца, второго волоконного кольца,первого и второго контроллеров поляризации. Первое волоконное кольцо представляет собой первый объемный резонатор со своим свободным спектральным диапазоном, второе волоконное кольцо представляет собой второй объемный резонатор с другим свободным спектральным диапазоном. В результате на выходе кольцевого лазера появляется излучение на двух близко расположенных длинах волн. В процессе распространения по первому кольцу это излучение усиливается волоконным эрбиевым усилителем. В каждом волоконном кольце происходит контроль поляризации. В результате на выходе лазера фиксируются две длины волны 1560,17 и 1561,93 нм со спектральным интервалом 1,7 нм и мощностью излучения -7,1 и -8,1 дБм. К недостаткам данного устройства можно отнести отсутствие возможности перестройки длины волны излучения невысокую мощность излучения в связи с тем, что усиление эрбиевого усилителя гомогенно (однородно расширено), существует вероятность использования инверсии населенности на усиление только одной длины волны возможность возникновения биений среди продольных мод первого кольца, что ведет к возрастанию уровня шума. Задачей предлагаемой полезной модели является создание двухволнового волоконного кольцевого лазера, обеспечивающего перестройку длины волны в широком спектральном диапазоне и увеличение мощности излучения. Сущность полезной модели заключается в том, что в волоконный кольцевой лазер, содержащий волоконный эрбиевый оптический усилитель, оптический изолятор, контроллер поляризации, оптические разветвители, по предлагаемому техническому решению введены полупроводниковый оптический усилитель, резонансный волоконный фильтр Фабри-Перо,оптический полосовой перестраиваемый фильтр и два волоконных резонатора. Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже представлена функциональная схема двухволнового перестраиваемого волоконного кольцевого лазера. Заявляемый волоконный кольцевой лазер содержит волоконный эрбиевый оптический усилитель 1, -образный оптический разветвитель 2, оптический изолятор 3, два контроллера поляризации 4, резонансный волоконный фильтр Фабри-Перо 5, первый волоконный резонатор 6, два -образных разветвителя 7, второй волоконный резонатор 8, полупроводниковый оптический усилитель 9, оптический полосовой перестраиваемый фильтр 10. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение со сплошным спектром, пройдя через оптический изолятор 3 и контроллер поляризации 4, на выходе резонансного волоконного фильтра Фабри-Перо 5 преобразуется в излучение только на резонансных частотах резонатора Фабри-Перо. Генерация каждой длины волны в одномодовом режиме в виде продольной моды обеспечивается двумя волоконными резонаторами 6 и 8, связанными с основным кольцом -образными разветвителями 7. Далее после установления линейной поляризации контроллером поляризации 4 происходит предварительное усиление излучения полупроводниковым оптическим усилителем 9. Селекция двух длин волн и перестройка в заданном спектральном диапазоне осуществляются оптическим полосовым перестраиваемым фильтром 10. Излучение на двух выделенных длинах волн 2 68152010.12.30 усиливается волоконным эрбиевым оптическим усилителем 1 и с помощью -образного разветвителя выводится из лазера. Основным элементом резонансного волоконного фильтра Фабри-Перо является отрезок одномодового оптического волокна с торцами, имеющими форму линзы, на которые напылено полупрозрачное зеркальное покрытие с высоким коэффициентом отражения. Свободная область спектрарассчитывается по формуле/(2),(1) где- показатель преломления сердцевины волокна- длина резонатора- скорость света в вакууме а выражение для ширины резонансной кривой по уровню -3 дБ имеет вид 1,(2) 2 где- коэффициент отражения полупрозрачного зеркала по интенсивности света. При длине фильтра Фабри-Перо 2,5 мм и 0,7 согласно (1) и (2)40 ГГц и 4,6 ГГц. В качестве перестраиваемого полосового фильтра используется волоконный интерференционный фильтр, в котором выбор длины волны осуществляется при изменении угла наклона плоскости фильтра, его линейного перемещения или вращения автоматически с помощью электронного привода со скоростью установки параметров фильтра не более нескольких миллисекунд. Перестраиваемый оптический фильтр компанииимеет следующие параметры диапазон перестройки 1525-1565 нм, ширина полосы пропускания 100 ГГц (0,8 нм), разрешение по длине волны 0,05 нм, типовые вносимые потери 1,5 дБ,максимальный уровень обратного отражения -50 дБ. Ширины полосы пропускания перестраиваемого фильтра достаточно, чтобы пропустить выделенный с помощью резонансного фильтра Фабри-Перо диапазон, содержащий две длины волны. Таким образом, в волоконном кольцевом лазере генерируются две длины волны, разнесенные на 40 ГГц(0,32 нм). Путем перестройки полосового фильтра выбирается та пара мод резонатора Фабри-Перо, которая и будет генерироваться. Перестройка является ступенчатой с шагом 40 ГГц в рамках спектрального диапазона, равного 30 нм. Генерация двухволновых сигналов при наличии только волоконного эрбиевого оптического усилителя является нестабильной, поскольку одна длина волны может монопольно захватить всю инверсию населенности при усилении слабых (порядка -30 дБм) сигналов. Чтобы этого избежать, необходимо осуществлять предварительное усиление,что достигается использованием полупроводникового оптического усилителя. Использование одного только полупроводникового усилителя не обеспечивает достаточного усиления для достижения приемлемого отношения сигнал/шум. Полупроводниковый оптический усилитель при токе накачки 200 мА имеет коэффициент усиления 16 дБ, что обеспечивает мощность излучения на его выходе -10 дБм. Волоконный эрбиевый оптический усилитель состоит из двух оптических изоляторов, расположенных на входе и выходе усилителя, отрезка волоконного световода длиной 10 м, легированного эрбием, лазера накачки мощностью излучения 100 мВт на длине волны 980 нм и -разветвителя. Основные характеристики эрбиевого усилителя коэффициент усиления 15 дБ, спектральная полоса усиления 35 нм в диапазоне длин волн 1535-1570 нм, коэффициент шума 4-6 дБ. Вывод излучения из кольцевого лазера обеспечивается -образным разветвителем с коэффициентом деления мощности 5050. Таким образом, выходная мощность волоконного кольцевого лазера составляет 2,5 дБм. Период обращения сигналов по основному кольцу составляет 325 нс. К этому кольцу с помощью -образных оптических разветвителей с коэффициентом деления 1090 присоединены два волоконных резонатора длиной 6 и 0,85 м. Длины резонаторов подобраны таким образом, чтобы предотвратить биения, возникающие среди многих продольных мод 3 68152010.12.30 основного кольца, и уменьшить отношение сигнал/шум. В результате при отводе 10 мощности излучения в эти резонаторы регистрируемое отношение сигнал/шум составляет 40 дБ. В качестве контроллера поляризации используется поляризатор полированного типа, в котором часть оболочки, почти до самого сердечника, удалена полировкой и на обработанную поверхность напылен металл, алюминий или серебро. Среди мод, электрические составляющие которых перпендикулярны или параллельны металлической поверхности,на моды с перпендикулярной составляющей приходится основная доля потерь поглощения. Для снижения потерь мод с параллельной составляющей между отполированной поверхностью волокна и металлом сформирован буферный слой (2), обладающий более низким коэффициентом преломления, чем оболочка. В результате коэффициент затухания поляризатора для перпендикулярных компонент составляет 45 дБ и вносимые потери для параллельных составляющих не превышают 1 дБ. Работа оптического изолятора основана на эффекте Фарадея. В качестве материала для элемента Фарадея используется монокристаллжелезоиттриевого граната с большой постоянной Верде, прозрачный на длине волны более 1,2 мкм. Кроме того, в конструкцию изолятора входят поляризатор, магнит для создания магнитного поля,оптический анализатор. Изолятор имеет следующие параметры центральная длина волны 155050 нм, прямые потери 0,6 дБ, коэффициент развязки 28 дБ. Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, заявляемый двухволновой перестраиваемый волоконный кольцевой лазер позволяет осуществлять перестройку длины волны генерации в интервале 30 нм с шагом 40 ГГц, при этом мощность излучения увеличивается в 1,8 раза, спектральный интервал между выделенными длинами волн уменьшается в 5 раз, а отношение сигнал/шум возрастает до 40 дБ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4