文摘
我们已经开发出一种独特的宽动态、准确和快速wavelength-swept光纤激光器光纤传感。波长调谐是基于色散优化技术,它调节色散激光腔的损失/收益。通过使用宽带半导体光放大器(soa),扫描范围可能一样宽180海里。由于腔不包含机械部件,如可调滤波器,可以实现非常高的扫描速度,高达200千赫。我们已经意识到横扫三波长激光乐队,1550 nm、1300 nm和800 nm,使用soa和掺铒光纤放大器(edfa),和两个激光配置、环形和线性的。我们还成功地应用了激光动态布拉格光纤光栅(FBG)传感器系统。在这篇文章中,我们回顾我们研究广泛和快速wavelength-swept光纤激光器。
1。介绍
Wavelength-tunable激光多功能电信和传感应用。的传感应用,宽调谐范围需要改善空间分辨率和/或测量范围,和快速的调优(扫描)需要提高测量速度动态传感。图1显示的两个例子wavelength-swept激光传感系统,光纤布喇格光栅(FBG)传感器系统(图1(一))[1)和光学相干断层扫描(OCT)系统(图1 (b))[2]。光纤光栅传感器系统,应变或温度变化是解码的转变的光纤光栅布喇格波长的位置。自多点传感是通过多路复用光纤光栅波长,调谐范围决定了光纤光栅的数量(∝测量范围)。在动态的情况下光纤光栅传感,如振动,调谐速度必须快于振动。光纤光栅传感器系统,1550 nm波长区域主要是使用,因为纤维损失最小和电信的组件都是现成的。在10月系统中,散射和反射的光被测试对象,通常活组织,解决在频域通过与参考光干涉,其空间分辨率是成反比的调谐范围。三维(3 d) 10月测量、激光光束偏转和扫描空间。因此,动态和高分辨率3 d-oct测量需要极其宽调谐范围超过100海里,和超快扫描速度超过100千赫。视网膜10月、1300 nm波长区域主要是选择为了妥协散射光波(强)和水吸收在长波长(大)。应该注意的是,这些被激光不需要连续波,但可以在干扰脉冲的,只要是有保证的。
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(b)
多种wavelength-swept激光,激光二极管(LD)——建立或纤维激光,至今已提出了。外腔可调谐摩门教的商用在几个波长乐队和宽调谐范围超过100海里(3),但调谐速度并不快,因为大部分的优化是通过旋转光栅。使用最广泛的wavelength-swept激光由一个宽增益介质,和快速可调光学滤波器,如图2(一个)。宽增益介质通常是一个半导体光放大器(SOA)或一个掺铒光纤放大器(EDFA)。摘要可以输出高功率和EDFA-based激光可以在80海里(可调4),但它的波长带只限于1550海里。所以首选增益介质的传感应用SOA,它可以工作在许多波长乐队(1550 nm、1300 nm、1000 nm和800 nm)与宽增益带宽超过100海里。至于扫描速度,有两个限制因素,一个是扫描速度的光学过滤器,另一个是光子寿命的激光腔,腔长度成反比。有几个快速可调光学滤波器,如piezo-transducer——(压电)基于可调谐法布里-珀罗滤波器(FFP) [5),和多边形镜子扫描仪(6]。他们基本上是机械可调滤波器,扫描速度通常是有限的几十千赫以下的机械运动。ffp已被证明可以被更快,几个数百千赫,利用特别设计压电陶瓷的谐振7),但耐力压电陶瓷的谐振模式还不清楚。第二个限制因素而言,空腔长度,基于soa的激光的优势比以来EDFA-based激光腔可以更短。作为一个不同的方式这个问题,所谓傅氏域锁模(FDML)最近提出的扫描时间设置为等于一个腔的往返时间(7]。FDML 105 nm调谐范围和290 kHz扫描速度已经实现,但耐力的FFP如此高的速度仍然是问题。
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综述论文,我们提出我们的小说和不同类型的广泛和快速wavelength-tunable光纤激光器(8]。它使用相同的增益介质与传统光纤激光器,但不使用任何可调滤波器。横扫激光器的调谐机制是所谓的“分散优化”技术,它调节色散的损失/收益激光腔,如图2 (b)。通过使用宽带soa,扫频范围一样大~ 180 nm。由于腔不包含机械部件,如可调滤波器,可以实现非常高的扫描速度,高达~ 200 kHz。我们已经意识到横扫三波长激光乐队,1550 nm、1300 nm,使用soa和800 nm,连同edfa,和两个激光配置,环形和线性的。我们还成功地应用了激光动态光纤光栅传感器。我们回顾研究广泛和快速wavelength-swept光纤激光器。
2。分散优化的原则
激光腔有离散的纵向共振模式。环形腔的共振条件表示为 在哪里是一个整数表达模式数量,表示在一个角频率传播常数的角频率是吗th共振模式,空腔长度。然而,(1可以转化为) 间距相邻模式或自由光谱范围(FSR)激光腔的表达,使用关系作为 在哪里腔的有效折射率,c光速在真空。请注意,被认为是一个常数推导(3)。
在光纤激光器腔,很长,因此相邻模式之间的间距很小。在这里,我们假设然后(2)成为 然而,(4身上发生)会导致另一个更一般的表达 我们可以锁定激光模式,生成一个短脉冲序列采用的调制频率,这是众所周知的主动锁模技术9]。调制频率空腔必须配以一个整数()身上发生的时间(),谐波的顺序(谐波锁模)。没有色散腔,在整个频率是一个常数。在这种情况下,激光增益峰值波长发生,无论是否锁定模式。
当激光腔中存在色散,变得依赖于频率,。通过扩大在一个频率泰勒级数,(5)成为 在哪里,这是最初的身上,在这里我们假定包含条件远小于第一项。忽略高阶色散身上发生的变化变化的频率,表示为 然而,(7)意味着FSR(取决于放大或缩小的迹象)线性比例的变化频率,如图3。分散调优技术使用不均匀间隔的共振模式的色散激光腔。假设我们应用调制强烈的色散腔足以锁模,激光有义务在频率以满足锁模运转条件。在图中3在哪里是负的,低刺激产生激光的频率较低,甚至更高刺激产生激光的频率更高。提醒(7)的谐波锁模阶,激光频率的变化和调制频率的变化应该有一个关系, 在这里,我们使用和折射率在哪里有时更有用的重写(8)的激光波长的变化。使用关系在哪里D色散参数,(8可以转化为) 在哪里,这是最初的调制频率因此,激光频率或波长可调谐通过改变调制频率。这就是所谓的分散优化技术(10,11]。发现(9),波长位移时调制频率的变化更加敏感和很小,这意味着不是定义良好和色散波长调谐是虚弱的。
波长扫描范围是由两个因素决定的。一个是增益带宽,另一种是激光在相邻谐波模式,(th)或(th模式。当调制的变化超过一个身上。从(9),表示为 然而,(10)意味着更小的,,给更广泛的扫描范围。
扫描速度成反比的光子寿命一样传统的激光,也就是说,当扫描速度更快小:
自锁模激光器,输出是连续波,但脉冲重复率等于调制频率。的脉冲宽强烈鸣叫和腔内色散。锁模光纤激光器的脉冲与腔内色散表达一个啁啾高斯脉冲11)的光谱宽度的一半δω是由 在哪里是调制深度。这个方程意味着可以窄线宽是小,和更大。然而,从(9),小增加激光波长的不稳定,导致线宽展宽,这是大多数情况下,在接下来的实验。因此应该是高达的线宽展宽(12)是可以接受的。
从上面的讨论中,为了实现广泛和快速调谐窄谱线宽,和应尽可能大,应该尽可能小。
3所示。横扫光纤环形激光器使用SOA在1550 nm和1300 nm波长
图4展示了一个示意性的建设分散tuning-based wavelength-swept光纤环形激光器在波长1550纳米带。激光在一个环形激光配置,和所有的设备都梳辫子的单模纤维。SOA polarization-independent模块3 db的增益带宽79.7 nm是作为增益介质的激光器。主动锁模是通过直接注入电流调制到SOA实现的射频信号的射频合成器。它可以减少腔内损耗和外部调制器的成本。三角信号从信号发生器为调制频率扫描射频合成器的输入。为了提供所需的激光腔色散的色散调优,我们插入一个100米长的色散补偿光纤(DCF)的色散参数在ps / nm /公里nm。SOA中的一个隔离器模块保证单向激光的激光谐振腔。然而,10%的在激光光腔是9:1耦合器的输出。
我们设置了锁模频率在410 MHz。它是由射频调制SOA的特点。图5显示了激光光谱和激光波长的变化,分别手动锁模频率的改变。结果表明,激光波长几乎线性变化向长波长随着锁模频率的增加。调谐灵敏度为138.12 nm /兆赫和静态调谐范围宽达178.7海里。输出功率是1.1 ~ 1.3 dBm和瞬时线宽~当激光波长为1540 nm。任何波长的瞬时谱线宽度几乎是相同的。图6的时间波形输出脉冲的调制频率400 MHz。发现脉搏很广,~ 1 ns,因为强烈的鸣叫腔内色散。
(一)
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锁模频率在410 MHz需要线性调制与三角波形示意图如图4扫描波长线性。三角波形有两个扫描区域,upscan downscan。upscan区域,激光波长的变革更长的波长。图7(一)显示了山顶举行光谱光学频谱分析仪的使用功能,和图7 (b)显示了时序波形,当扫描速率改变,200 Hz, 2 kHz, 20 kHz, 60 kHz, 100 kHz, 200千赫。实现一个动态扫频范围超过120海里扫描速度超过100千赫。upscan和downscan之间的差异可以归因于SOA中的非线性效应(12]。输出功率−1.95 dBm当这个激光扫扫描速度为200千赫。
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如前所述,我们的激光已广泛和快速扫描特征。应用这种被激光使分配大量的光纤光栅阵列和光纤光栅传感系统的动态测量。目前,调谐速度只取决于光子寿命。注意调优率较高是可能通过减少腔长度和高分散元素的使用。
操作波长带可以很容易地转移通过简单改变我们席卷光纤激光器的增益介质。这里显示了使用SOA光纤环形激光器在波长1300纳米带。实验设置是一样的图4SOA和其他设备,除了取而代之的是类似设备设计为1300海里。我们使用相同的100米长的光纤色散媒质。光纤的色散参数估计在ps / nm /公里nm。我们选择了锁模频率460 MHz。
图8显示了激光光谱和激光波长的变化,分别手动锁模频率的改变。调谐范围宽达140海里。输出功率是~−0.78 dBm和瞬时线宽~ 0.9 nm时,激光波长为1286 nm。任何波长的瞬时谱线宽度几乎是相同的。图9(一个)显示了山顶举行光谱被三角波形调制频率时,和图9 (b)显示了时序波形数扫描率。动态调谐范围超过120海里再次实现扫描速度超过100千赫。
(一)
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4所示。被纤维线性激光使用SOA波长1550 nm和800 nm
在前面的小节中,我们演示了在环形腔光纤激光器的广泛和快速wavelength-swept配置。然而,环形激光器需要一个单向激光腔内隔离器,确保稳定。在某些波长的乐队,如800海里、光电隔离器不是现成的。相比之下,线性腔配置不需要一个内腔式隔离器,因此,多才多艺的运作波长。在这里,我们表明,分散优化也适用于线性激光,并展示广泛和快速wavelength-swept光纤线性激光使用SOA波长1550 nm和800 nm。
广泛的实验装置和快速wavelength-swept线性激光器在波长1550纳米纤维带图所示10。SOA的一端涂上是一个高度反光的镜子(人力资源)。主动锁模也通过直接注入电流调制到SOA实现射频信号的射频合成器。300米长的DCF,同样与环激光在前一节中,插入腔。另一个镜子放置在DCF的结束。然而10%的光腔中提取9:1耦合器作为输出光。从这个实验中使用的SOA偏振依赖,我们使用两个法拉第旋转器(FRs),前一个SOA,结束前,另一个镜子形成法拉第旋转镜(农场),为了补偿激光腔的偏振波动(13]。没有隔离器的腔。
图11显示了激光光谱和激光波长的变化,分别为手动锁模频率调整。调谐范围宽达110海里。输出功率是~ 0.4 d Bm和瞬时并举~ 0.7海里。图12(一个)显示了山顶举行光谱图12 (b)显示了时序波形锁模频率调制时在不同扫描速率。动态扫频范围超过100海里再次实现扫描速度/ 2千赫。更高的扫描速度,20 kHz,时序波形是退化。这是因为光子寿命的极限的腔。往返长度的线性腔腔长度的两倍,因此对应的长600米的环形激光器。我们希望更快的扫描将可能短光纤长度。
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(b)
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我们也由宽,快速wavelength-swept光纤线性激光器在波长800纳米带。实验设置在图基本上是一样的10SOA和其他设备,除了取而代之的是类似设备为800海里,与FRs不习惯,因为他们没有在这个波长乐队。至于色散光纤中,我们使用一个300米长的单模光纤波长800纳米带,大的材料色散~−100 ps / nm /公里。图13显示了激光光谱和激光波长的变化,分别作为锁模频率的变化。调谐范围大约是45纳米,这是SOA的增益带宽限制用于实验。输出功率是~ 10−dBm和瞬时并举~ 0.67海里。图(14日)显示了山顶举行光谱图14 (b)显示了时序波形。动态扫频范围再次约45海里,实现扫描速度/ 2千赫。然而,山顶举行光谱不平坦,可能由于SOA的增益频谱和极化变化波长的变化。更高的扫描速度,20 kHz,时序波形退化,因为长腔长度。我们计划解决这些问题在不久的将来。
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5。横扫光纤环形激光器用EDFA在波长1550纳米的乐队
到目前为止,我们使用SOA作为获得媒体和直接注入电流调制SOA用于实现锁模色散所需的调优。soa的优点是很宽的增益带宽,和直接调制的能力。一个缺点是直接射频调制soa的特征。作为讨论的部分2,我们应该提高调制频率尽可能高稳定的宽,快速扫描,最好高于1 GHz。然而,SOA芯片及周边电子模块的设计通常不接受直接调制在如此高的频率。在实验中使用SOA,我们首先测量射频直接调制SOA模块的特点,这是不同的一个接一个,找到恰当的调制频率直接调制的“甜蜜点”。另一个问题是输出功率不高,最好在3 dBm。
为了实现高频调制输出功率较高时,我们选择使用一个外部LiNb强度调制器的方式储物柜,EDFA增益介质。实验设置如图15。自从强度调制器具有强大的偏振依赖,我们不得不组成偏振保持(PM)类型的设备,包括EDFA (PM-EDFA)。PM-DCF以来我们没有,我们选择使用所谓sigma-laser配置使用一个偏振分束器(PBS)和一个农场,和50米长的光纤,与前面的实验相同,是放置在之间。作为结果,腔内偏振状态是在整个波长带常数。主动锁模实现通过应用强度强度调制器的调制。然而,10%的光腔中提取9:1耦合器作为输出光。
图16显示了激光光谱和激光波长的变化,分别作为锁模频率的变化。调谐范围并不大,大约20 nm,大概是因为小EDFA的增益带宽和大强度调制器的腔内损耗。由于调制频率设置为任意值,我们改变了调制频率500 MHz到2 GHz。如图16 (b),结果表明,激光波长的斜率与调制频率变得温和如调制频率越高,和调谐范围变得更广,如预期的9)。图17显示了山顶举行光谱和时间波形调制频率时被三角波形。动态扫频范围再次约20海里,达到10 kHz的扫描速度。然而,山顶举行光谱不平坦,可能由于剩余极化改变腔波长的变化。
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6。应用光纤光栅传感器
wavelength-swept激光的应用进一步追究一个光纤光栅传感系统。我们基于swept-laser的光纤光栅传感器的实验装置如图18。横扫激光器是基于soa的环形激光器在波长1550纳米带中描述的部分3。多路复用光纤光栅阵列由布拉格光纤光栅具有不同波长、FBG1: 1525海里,FBG2: 1540海里,FBG3: 1550海里,FBG4: 1560海里,有超过90%的反射率。反射的光从光纤光栅阵列光电二极管通过循环器。的触发信号具有相同的频率扫描信号用于同步A / D转换器。为了控制A / d转换器和计算从光纤光栅信号,使用虚拟仪器。如图19(a),扫光源时,激光器的输出光扫描每一个光纤光栅。只有对应于每个光纤光栅的布喇格波长的光反射和转换成一个电信号的光电二极管作为传感器信号如图19(b)。在这个系统中,我们可以属性中的每个脉冲时间波形对应的光纤光栅,并计算相对使用参考光纤光栅波长。当参考光纤光栅将FBG3如图19,相对波长估计从通过 在哪里光纤光栅的波长相对参考,光纤光栅的相对时间参考,扫描频率(赫兹)的来源,然后呢是扫频范围(nm)的激光。请注意,光纤光栅的应变添加比例的变化。在我们的实验中,为了避免错误由于波动的峰值时间波形,波形过滤和分化。我们跟踪分化波形计算的最小点的相对波长。
图20.(一个)显示的时间波形反射的光从光纤光栅阵列。图20.(b)是传感器信号在500 kHz和分化过滤后可调谐激光源时扫40 kHz - ramp波形如图20.(一个)。我们选择只使用光纤光栅阵列的downscan接受审讯,因为downscan比的线性upscan,部分中讨论3。扫描速率的测量40 kHz成功实现。测量的相对波长参考FBG3时不应用于光纤光栅应变表进行了总结1。这些结果从数据获得获得5秒。每个平均参考光纤光栅的相对波长几乎等于所使用的光纤光栅的布喇格波长,并且每个标准差也很小。
图21显示了相对波长的改变手动添加到FBG2应变时,光纤光栅是由钢拉伸幻灯片的手工阶段。它是观察到的相对波长变化线性应变是补充道。这个结果表明该传感器系统是否按预期运行。线性拟合的斜率为0.99 nm / (m应变)。
图22显示动态感知的结果当添加到FBG2周期性压力。动态应变由压电应用阶段由正弦波形射频函数发生器。当应变变化的频率从1到10 Hz,证实了这种传感器可以捕捉的变化频率,如图(22日)。图22 (b)表明可以测量动态应变应变时正确地添加150 Hz正弦振动。FFT频谱由MATLAB软件计算。这个传感器的分辨率是目前的瞬时谱线宽度的限制了激光自大于光纤光栅的带宽,这将在未来能够得到改善。工作的结果表明,该系统能够准确地测量率高和测量瞬态失真。
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7所示。结论
我们回顾了我们的研究广泛和快速wavelength-swept光纤激光器。我们提出了提出了小说和不同类型的广泛和快速wavelength-tunable光纤激光器。它使用相同的增益介质与传统光纤激光器,但不使用任何可调滤波器。的调优机制被激光分散优化技术,它调节色散激光腔的损失/收益。通过使用宽带soa,扫频范围可能宽~ 180纳米。由于腔不包含机械部件,如可调滤波器,可以实现非常高的扫描速度,高达~ 200 kHz。我们已经意识到横扫三波长激光乐队,1550 nm、1300 nm和800 nm,使用soa和edfa,和两个激光配置、环形和线性的。我们还成功地应用了激光动态光纤光栅传感器。
为进一步改善我们的激光扫描速度,空腔长度要短,调制频率高。我们目前的光纤色散元件的选择,既满足大型分散,大带宽、低损耗。我们仍需要更高的色散长度较短。可能的选择可能是光纤光栅在非常宽的频段,鸣叫或光子晶体光纤设计有很高的色散。短腔长度也希望提高激光器的稳定性。至于调制频率,目前受限于RF调制SOA模块的特点,部分中讨论5,所以我们认为SOA模块设计为直接调制是商用。为进一步改善我们的激光扫频范围,宽带SOA是必要的。
扫频范围是由两个因素决定,增益带宽和激光相邻谐波模式,部分中讨论2。后者因素可以避免通过适当的激光器设计,所以前者的因素是主要的限制因素。在非常宽的激光,另一个问题将会出现,高阶色散不容忽视,因此,激光波长(或频率)的变化不是线性的变化成正比的波长,其指示已经观察到在图5 (b)。
横扫的瞬时谱线宽度激光目前1纳米左右,更广泛的比计算值(12)(~ 0.1海里)。因此,作为讨论的部分2,应该是提高了提高调制频率。实际上,我们取得了与调制频率的瞬时谱线宽度约0.2 nm 1 GHz的第一个实验(8]。
我们成功地应用了激光动态光纤光栅传感器。我们的系统好得多的扫描速度和扫描范围比现有的光纤光栅传感器系统,但其分辨率还没有和他们一样好,主要是由于大型瞬时被激光的线宽,未来需要改进。
承认
这项工作是支持的科研补助金(KAKENHI) B 18360163。