專利名稱：基于mems的多通道可調諧光纖激光器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及激光器，具體涉及一種基于微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystems) MEMS的多通道可調諧光纖激光器及其控制方法。
背景技術：
隨著激光技術在通信、傳感、生物醫學、儀器測試、自動控制等領域的大力發展，人們對可調諧激光器的需求增長迅速。這類激光器不但可以代替多個固定波長激光器以節省成本，還在諸多新型激光系統中發揮著不可替代的作用。例如在光通信密集波分復用系統中，采用多通道多波長可調諧激光器將大大降低系統的運營成本和備份成本。此外，這類可調諧激光器還可實現全光波長變換、波長路由、光包交換以及基于波長的個人虛擬網絡等功能，為網絡帶來前所未有的靈活性和動態性能。因此多波長調諧、多通道輸出的高性能價格比的可調諧激光器成為人們的研究熱點。 近年來，世界各著名公司和研究機構如美國IPG、英國SPI、加拿大NortelNetworks、Stanford大學，Bell實驗室等積極開展可調諧光纖激光器的研發工作。2010年美國IPG公司因掌握核心技術，研發的各類光纖激光器在市場份額中占70%，英國SPI激光器公司和德國的IPHT公司也是重要光纖激光器供應商，隨后美國相干、德國羅芬等激光器 巨頭也紛紛涌入。目前，人們對多通道波長可調諧光纖激光器的研究主要集中在如何獲得穩定、波長可連續調諧、波長間隔可控、輸出波長數目足夠多且各波長功率均衡的多波長激射。為實現以上要求，國內外研究者對多波長調諧技術進行了大量的研究，提出了諸多方法來實現，包括光纖布拉格光柵(高雙折射光纖上寫入布拉格光柵，取樣布拉格光柵，少量模光纖光柵等)、光纖型法布里-玻羅腔、聲光可調光學濾波器、高雙折射薩格納克(Sagnac)光纖環鏡干涉儀和基于光波導的馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀等。現有調諧技術存在的問題和不足之處在于(I)采用光纖布拉格光柵需要通過熱效應或者外加應力來實現波長調諧，因此激光器易受環境因素的干擾，導致其封裝成本很高，另外波長調節范圍也有限；(2)光纖型法布里-玻羅腔在實現單波長調諧過程中需要把法布里-玻羅F-P腔的自由光譜范圍設為激光器的可調諧范圍，否則易出現多縱模起振，這就需要另一個選頻元件來選擇其中的單縱模，然而，前者的F-P腔長必須做得很短，從而導致光學濾波效果差，影響激光器的性能，后者需要附加額外的選頻元件，增加器件成本；(3)光纖聲光可調光學濾波器在聲光轉換過程中會產生微小頻移，另外聲光轉換對偏振敏感也難以克服；(4)基于Sagnac環形腔和Mach-Zehnder干涉儀等需要克服外界環境因素導致的波長漂移；(5)電液晶調制器也是常用的調諧元件，不足之處表現為偏振相關性等方面。
發明內容
針對目前可調諧激光器在調諧性、靈活性、穩定性、調諧范圍、多波長功率均衡性等方面的不足，本發明提出一種基于微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems)MEMS的多通道波長寬帶可調諧光纖激光器。該激光器的核心器件MEMS處理器是一種利用微精細加工的超大規模集成電路，即處理器的芯片上集成超過10萬個元件數。通過在芯片上施加尋址電壓，驅動對應元件(像素)特性發生變化，實現對光波的有效調制，從而達到在放大器的整個增益譜范圍內任意調諧一個或者多個波長的目的。本發明的一個目的在于提 供一種基于MEMS的多通道可調諧光纖激光器。本發明的基于MEMS的多通道可調諧光纖激光器包括n個光纖光學模塊和一個體光學模塊；n個光纖光學模塊中的每一個包括光纖放大器、光纖耦合器、光纖和雙尾纖準直器，η個雙尾纖準直器構成雙尾纖準直器陣列；體光學模塊包括第一透鏡、光柵、第二透鏡和MEMS處理器，MEMS處理器為設置有MEMS芯片的超大規模集成電路，MEMS芯片上集成有像素陣列，并與η個雙尾纖準直器相對應地劃分為η個工作區；其中，η個光纖光學模塊中的每一個光纖放大器發出自發輻射譜，分別經光纖耦合器，一小部分的光作為激光輸出，大部分的光通過光纖進入雙尾纖準直器，入射光隨后經過第一透鏡聚焦至光柵上，在一級衍射方向上發生空間色散，該色散光通過第二透鏡平行照射在MEMS芯片的相對應的工作區，且不同波長的光落在工作區的不同的像素的區域，通過分別對每個工作區的某區域的像素加載尋址電壓，驅動對應的像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域的像素上的對應波長的光發生衍射，并調整MEMS處理器的偏轉方向，確保衍射光分別沿原路返回耦合入與工作區相對應的準直器的另一個光纖中，經過光纖放大器的增益和多次循環之后輸出高品質的單模激光，其中，η為自然數且η >2。本發明在結構中摒棄了常見的多通道光纖激光器內部由多個獨立激光器簡單組合的笨拙方案，巧妙地采用多個光纖光學模塊共享同一個體光學模塊，實現僅利用一塊MEMS處理器同時獨立調諧多路激光輸出的目的。下面以其中的第m路激光通道為例說明本發明的工作原理，其中，m為自然數，且Iη。第m光纖放大器發出自發輻射譜，經第m光纖耦合器，一小部分的光作為激光輸出，大部分的光通過第m光纖進入第m雙尾纖準直器，入射光隨后經過第一透鏡聚焦至光柵上，在一級衍射方向上發生空間色散，該色散光通過第二透鏡平行照射在MEMS芯片的第m工作區，且自發輻射譜中的不同波長的光落在第m工作區的不同的像素的區域。若控制第m路激光通道輸出波長為λπ，則對第m工作區的與入m相應的像素加載尋址電壓，驅動對應的像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域的像素上的對應波長λ m的光發生衍射，并調整MEMS處理器的偏轉方向，確保衍射光沿原路返回耦合入與第m工作區相應的第m準直器的另一個光纖中，經過第m光纖放大器的增益和多次循環之后輸出高品質的波長為λ m的單模激光。多路激光通道的工作原理與單路激光通道的工作原理相同，利用MEMS處理器的多通道多波長獨立調諧功能，結構設計中利用多個光纖光學模塊共享同一個體光學模塊，有利于本發明向集成化、小型化、高精度、多功能方向發展。整個實驗對環境的要求不高，操作簡單，易于產品化。雙尾纖準直器陣列與第一透鏡以及第一透鏡與光柵的中心的距離均為第一透鏡的焦距；光柵的中心與第二透鏡以及第二透鏡與MEMS芯片之間的距離均為第二透鏡的焦距。
進一步，η個光纖光學模塊中的元件采用保偏元件，即η個光纖光學模塊中的每一個包括保偏光纖放大器、保偏光纖稱合器、保偏光纖和保偏雙尾纖準直器，η個保偏雙尾纖準直器構成保偏雙尾纖準直器陣列。采用保偏元件一方面確保線偏振激光的輸出，另一方面明顯提高整個系統的信號穩定性。光柵的水平旋轉角位于一級衍射光在近似閃耀條件下，衍射效率最大的位置上。本發明的另一個目的在于提供一種基于MEMS的多通道可調諧光纖激光器的控制方法。本發明的基于MEMS的多通道可調諧光纖激光器的控制方法，包括以下步驟1)η個光纖光學模塊中的每一個光纖放大器發出自發輻射譜；2)分別經光纖耦合器，一小部分的光作為激光輸出，大部分的光通過光纖進入雙尾纖準直器； 3)入射光隨后經過第一透鏡聚焦至光柵上，在一級衍射方向上發生空間色散，該色散光通過第二透鏡平行照射在MEMS芯片的相對應的工作區，且不同波長的光落在工作區的不同的像素的區域；4)通過分別對每個工作區的某區域的像素加載尋址電壓，驅動對應的像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域的像素上的對應波長的光發生衍射，并調整MEMS處理器的偏轉方向，確保衍射光分別沿原路返回耦合入與工作區相對應的準直器的另一個光纖中； 5)分別經過光纖放大器的增益，并重復步驟2)至4)的多次循環之后，輸出高品質的單模激光，其中，η為自然數且η>2。本發明的主要特點是(I)可同時輸出多個波長通道的激光，每個通道的激光波長均可在光纖放大器發出的波段內連續可調，各通道之間獨立開關控制；(2)各通道的輸出波長和輸出功率均可同時獨立進行本地或遠程軟件調諧；(3)可獲得穩定而嚴格的線偏振激光輸出；(4)各波長通道的信號線寬50pm，邊模抑制比SMSR均超過50dB ；(5)激光最大輸出功率10mW，功率調諧精度O. 02mff,波長調諧精度O. Olnm,在長期連續工作情況下的波長穩定性優于O. 02nm，功率穩定性優于O. 02dBm。本發明的有益效果(I)首次提出利用MEMS處理器作為光纖激光器的波長調諧元件，利用MEMS芯片的像素陣列對光束的高效率衍射來實現波長調諧過程，具有結構穩定可靠、調諧快速靈活、功能模塊化、低驅動電壓等諸多優勢；(2)利用先進的MEMS處理器，通過巧妙光學設計，可以實現無交叉串擾的多通道單波長或者單通道多波長的激光出射，并且激光輸出具有多波長間隔任意可調，各波長功率獨立可控，波長與通道開關不影響其他波長激射等特點；(3)激光器采用全保偏設計，在保證輸出激光具有良好線偏振特性的同時，大幅度提高了整機的長期工作穩定性；(4)多通道光纖激光器在設計中摒棄了常見的多通道激光器內部由多個獨立激光器簡單組合的笨拙方案，巧妙地采用多個光纖模塊共享同一個體光學模塊，實現僅利用一塊MEMS芯片調諧多通道激光的目的，并具備各通道之間獨立開關控制等功能；(5)相比較于科研和工程上常見的可調諧激光器，本發明有利于向集成化、小型化、高精度、多功能方向發展，整個實驗對環境的要求不高，操作簡單，易于產品化。
圖I為本發明的基于MEMS的多通道連續可調諧光纖激光器的結構示意圖；圖2為本發明的一個實施例的保偏摻鉺光纖放大器發出的C波段自發輻射譜與開環下MEMS處理器的選頻譜；圖3本發明的基于MEMS的多通道連續可調諧光纖激光器的一個實施例在C波段內輸出的可調諧激光信號的光強的曲線圖；圖4本發明的基于MEMS的多通道連續可調諧光纖激光器的一個實施例的輸出信 號I小時內的波長穩定性和功率穩定性的散點圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實施例，進一步闡述本發明。在本實施例中，本發明的基于MEMS的多通道可調諧光纖激光器包括三個光纖光學模塊和一個體光學模塊。三個光纖光學模塊中的每一個包括光纖放大器I、光纖耦合器
2、光纖3和雙尾纖準直器，三個雙尾纖準直器構成雙尾纖準直器陣列4 ;體光學模塊包括第一透鏡5、光柵6、第二透鏡7和MEMS處理器8，MEMS處理器為設置有MEMS芯片的超大規模集成電路，MEMS芯片上集成有像素陣列，并與三個雙尾纖準直器相對應地劃分為三個工作區,如圖I所示。其中，三個光纖光學模塊中的兀件均米用保偏兀件，即保偏摻鉺光纖放大器I、保偏光纖稱合器2、保偏光纖3和保偏雙尾纖準直器陣列4。保偏摻鉺光纖放大器I發出C波段自發輻射譜，波長范圍153(Tl560nm，飽和輸出功率20dBm，輸出偏振消光比20dB。保偏光纖稱合器2的分光比為90:10。保偏光纖3米用熊貓型保偏光纖。第一透鏡5和第二透鏡7均采用紅外增透雙膠合透鏡，第一透鏡5的焦距為100mm，第二透鏡7的焦距為75mm。光柵6采用1200線/mm的紅外波段的閃耀刻劃光柵。MEMS處理器8的設置為O. 5英寸、1024 X 768個像素并鍍紅外增透膜。下面以其中一路激光通道為例對本實施例的實施進行說明。保偏摻鉺光纖放大器I發出C波段自發輻射譜，通過保偏光纖耦合器2，其中10%的光作為激光輸出，90%的光通過保偏光纖3和保偏雙尾纖準直器陣列4進入體光學模塊。實驗中通過旋轉保偏光纖3,確保光束在各光纖中的偏振方向一致。從準直器出射的光束隨后經過第一透鏡5聚焦至閃耀刻劃光柵6上，在一級衍射方向上發生空間色散。調節保偏雙尾纖準直器陣列4與第一透鏡5以及第一透鏡5與閃耀刻劃光柵的中心6的距離，確保兩器件之間的距離均為第一透鏡5的焦距100mm。微調閃耀刻劃光柵6的水平旋轉角，使得一級衍射光在滿足近似閃耀條件下，衍射效率最大。調節閃耀刻劃光柵中心6與第二透鏡7以及第二透鏡7與MEMS處理器8之間的距離，確保相鄰兩器件之間距離均為第二透鏡7的焦距75mm。該色散光通過第二透鏡7平行照射到MEMS處理器8的MEMS芯片的與該路激光通道相對應的工作區。自發輻射譜中不同波長的光落在MEMS芯片的與該路通道相對應的工作區上不同的像素的區域。通過對某區域的像素加載尋址電壓，驅動對應像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域像素上的對應的波長的光發生一級衍射。實驗中，MEMS處理器固定于三維微動螺旋調節架上，通過微調處理器的偏轉方向，一方面確保多通道衍射光全部無重疊均勻分布在MEMS芯片的有效的工作區，另一方面入射光經過MEMS芯片上對應驅動像素的調制后，微調MEMS處理器的傾角，使得在近似閃耀條件下，多路在相應的工作區發生一級衍射的光均近似沿原路返回雙尾纖準直器陣列的相對應的準直器的光纖中，再次進入光纖光學模塊，經過保偏摻鉺光纖放大器I的增益和多次循環之后輸出高品質的單模偏振激光。圖2為本發明的一個實施例的保偏摻鉺光纖放大器發出的C波段自發輻射譜與開環下MEMS處理器的選頻譜，圖中的虛線代表C波段(1530-1560nm)的自發輻射譜，實線代表開環下(即環形腔非閉合時)MEMS處理器的選頻譜。圖3為閉環下單通道激光輸出信號，信號線寬50pm，邊模抑制比超過50dB，其中，圖3 Ca)為可調諧光纖激光器在粗調下的輸出信號，信號可從1530nm調諧至1560nm，圖3 (b)為細調下的輸出信號，調諧精度O.Olnm。實驗中，MEMS芯片上工作區的不同位置處的像素對應不同波長的光。通過給不同像素加載驅動電壓，從而使該像素的區域所對應的波長發生衍射，并返回到像 素所在的工作區所對應的準直器中，從而對應的通道輸出此波長的單色激光，可以實現調諧激光輸出波長的目的。在長期連續工作情況下的波長穩定性優于O. 02nm,功率穩定性優于0.02dBm，如圖4所示。多路激光通道的工作原理與單路激光通道的工作原理相同利用MEMS處理器的多通道多波長獨立調諧功能，結構設計中利用多個光纖光學模塊共享同一個體光學模塊，有利于本發明向集成化、小型化、高精度、多功能方向發展。整個實驗對環境的要求不高，操作簡單，易于產品化。最后應說明的是雖然本說明書通過具體的實施例詳細描述了本發明使用的參數，結構及其控制方法，但是本領域的技術人員應該理解，本發明的實現方式不限于實施例的描述范圍，在不脫離本發明實質和精神范圍內，可以對本發明進行各種修改和替換，因此本發明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
權利要求
1.一種多通道可調諧光纖激光器，其特征在于，所述激光器包括n個光纖光學模塊和一個體光學模塊；η個光纖光學模塊中的每一個包括光纖放大器(I)、光纖耦合器(2)、光纖(3)和雙尾纖準直器，η個雙尾纖準直器構成雙尾纖準直器陣列(4);體光學模塊包括第一透鏡(5 )、光柵(6 )、第二透鏡(7 )和MEMS處理器(8 )，MEMS處理器(8 )為設置有MEMS芯片的超大規模集成電路，MEMS芯片上集成有像素陣列，并與η個雙尾纖準直器相對應地劃分為η個工作區；其中，η個光纖光學模塊中的每一個光纖放大器(I)發出自發輻射譜，分別經光纖耦合器(2)，一小部分的光作為激光輸出，大部分的光通過光纖(3)進入雙尾纖準直器，入射光隨后經過第一透鏡(5)聚焦至光柵(6)上，在一級衍射方向上發生空間色散，該 色散光通過第二透鏡(7)平行照射在MEMS芯片的相對應的工作區，且不同波長的光落在工作區的不同的像素的區域，通過分別對每個工作區的某區域的像素加載尋址電壓，驅動對應的像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域的像素上的對應波長的光發生衍射，并調整MEMS處理器(8)的偏轉方向，確保衍射光分別沿原路返回耦合入與工作區相對應的準直器的另一個光纖中，經過光纖放大器的增益和多次循環之后輸出高品質的單模激光，其中，η為自然數且η>2。
2.如權利要求I所述的激光器，其特征在于，所述雙尾纖準直器陣列(4)與第一透鏡(5)以及第一透鏡(5)與光柵(6)的中心的距離均為第一透鏡的焦距。
3.如權利要求I所述的激光器，其特征在于，所述光柵(6)的中心與第二透鏡(7)以及第二透鏡(7)與MEMS芯片之間的距離均為第二透鏡的焦距。
4.如權利要求I所述的激光器，其特征在于，所述η個光纖光學模塊中的元件采用保偏元件，η個光纖光學模塊中的每一個包括保偏光纖放大器、保偏光纖耦合器、保偏光纖和保偏雙尾纖準直器，η個保偏雙尾纖準直器構成保偏雙尾纖準直器陣列。
5.如權利要求I所述的激光器，其特征在于，所述光柵(6)的水平旋轉角位于一級衍射光在近似閃耀條件下，衍射效率最大的位置上。
6.一種多通道可調諧光纖激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法，包括以下步驟 1)η個光纖光學模塊中的每一個光纖放大器發出自發輻射譜； 2)分別經光纖耦合器，一小部分的光作為激光輸出，大部分的光通過光纖進入雙尾纖準直器； 3)入射光隨后經過第一透鏡聚焦至光柵上，在一級衍射方向上發生空間色散，該色散光通過第二透鏡平行照射在MEMS芯片的相對應的工作區，且不同波長的光落在工作區的不同的像素的區域； 4)通過分別對每個工作區的某區域的像素加載尋址電壓，驅動對應的像素的特性發生變化，構成二維“閃耀”光柵，使得落在該區域的像素上的對應波長的光發生衍射，并調整MEMS處理器的偏轉方向，確保衍射光分別沿原路返回耦合入與工作區相對應的準直器的另一個光纖中； 5)分別經過光纖放大器的增益，并重復步驟2)至4)的多次循環之后，輸出高品質的單 模激光，其中，η為自然數且η > 2。
全文摘要
本發明公開了一種基于微機電系統MEMS的多通道可調諧光纖激光器及其控制方法。本發明在結構中摒棄了常見的多通道光纖激光器內部由多個獨立激光器簡單組合的笨拙方案，巧妙地采用多個光纖光學模塊共享同一個體光學模塊，實現僅利用一塊MEMS處理器同時獨立調諧多路激光輸出的目的，并有利于本發明向集成化、小型化、高精度、多功能方向發展。本發明可同時輸出多個波長通道的激光，每個通道的激光波長均可在光纖放大器發出的波段內連續可調，各通道之間獨立開關控制；各通道的輸出波長和輸出功率均可同時獨立進行本地或遠程軟件調諧。整個實驗對環境的要求不高，操作簡單，易于產品化。
文檔編號H01S3/08GK102832532SQ20121031306
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者陳笑, 宋菲君, 陳根祥, 顏玢玢, 桑新柱, 呂敏, 肖峰, 卡馬爾, 王義全 申請人:中央民族大學