阅读说明：本技术 一种全光纤色散调节方法及全光纤色散管理器件 (All-fiber dispersion adjusting method and all-fiber dispersion management device ) 是由 王屹山 赵卫 王虎山 张挺 潘然 胡晓鸿 张伟 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种全光纤色散调节方法及全光纤色散管理器件,该器件利用大角度倾斜光纤光栅的模式耦合作用特性以及光纤高阶模式的色散特性,实现高性能的全光纤色散管理,对于超快光纤激光技术的实用化发展具有推动作用。本发明基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件包括沿光传输方向依次连接的第一大角度倾斜光纤光栅、传输光纤和第二大角度倾斜光纤光栅；其中,第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度,所述传输光纤为单模光纤、少量模光纤或多模光纤。(The invention provides an all-fiber dispersion adjusting method and an all-fiber dispersion management device, which utilize the mode coupling action characteristic of a large-angle inclined fiber grating and the dispersion characteristic of a high-order mode of an optical fiber to realize high-performance all-fiber dispersion management and have a promoting effect on the practical development of an ultrafast fiber laser technology. The all-fiber dispersion management device based on the large-angle inclined fiber grating comprises a first large-angle inclined fiber grating, a transmission fiber and a second large-angle inclined fiber grating which are sequentially connected along the light transmission direction; the inclination angles of the first large-angle inclined fiber grating and the second large-angle inclined fiber grating are 66-89 degrees, and the transmission fiber is a single-mode fiber, a small-number-mode fiber or a multi-mode fiber.)

一种全光纤色散调节方法及全光纤色散管理器件

技术领域

本发明涉及光纤器件和光纤激光器领域，具体涉及一种全光纤色散调节方法及全光纤色散管理器件，该器件是一种利用大角度倾斜光纤光栅模式耦合及光纤高阶模式色散特性的全光纤色散管理器件，可应用于超短脉冲光纤激光器，实现激光器腔内色散的调控和管理。

背景技术

光纤激光以高光束质量、高效率、高集成、高可靠性等独特技术优势成为激光技术领域的重要发展方向。其中，超短脉冲光纤激光器具有脉冲宽度窄、重复频率高、峰值功率高、光谱范围宽等显著特征，在精密加工、医学、高速成像、强场物理、精密测量、光纤传感等领域具有广泛的应用和巨大的市场价值。

在光纤超短脉冲激光中，尤其是飞秒激光技术中，色散管理是主要的物理问题和关键技术。光学介质中的色散是光的相速度和群速度在透明介质中传播随频率变化的现象。色散特性对脉冲的传输有很重要的影响，因为脉冲具有一定的谱宽范围，因此会使频率组分以不同的速度传输。正常色散情况下，高频部分的群速度更小，因此产生正啁啾，而反常色散则产生负啁啾。与脉冲具有相反的色散量可以用来压缩脉冲，而与脉冲具有相同的色散量则可以用来展宽脉冲。因此，色散管理对实现稳定可靠的超短脉冲激光具有重要意义。

具有大范围、精准的全光纤色散管理是较难实现的，尤其是在1.3微米以下的波段，普通光纤中的基模光均处于正色散区域，为获得较窄的超短脉冲需要提供负色散补偿和管理。目前三种常用的传统色散管理器件及其存在的问题如下：（1）衍射光栅，其原理为光脉冲入射到两个相互平行光栅对的一个光栅上时，脉冲中不同频率分量发生衍射的角度不同，脉冲到达第二个光栅时，各频率分量受到不同的时间延迟，因此可以实现色散管理。但是，这种色散器件空间占有率大，破坏了全光纤结构，并会引入损耗大、结构复杂、难以调节等问题；（2）光子晶体光纤，由于光子晶体光纤的包层空气孔结构，其纤芯和包层的折射率差增大，波导色散可以呈现反常色散特性，从而可以用于色散补偿。但光子晶体光纤的空芯结构易导致光反馈，对锁模稳定性造成影响，光子晶体光纤和普通光纤熔接困难熔接损耗较高；（3）啁啾光纤光栅，光栅周期沿纤芯轴向均匀变化，不同栅格周期对应不同布拉格反射波长，短波长和长波长分量产生时延差，实现色散管理。啁啾光纤光栅需要切趾技术整形，在环形腔光纤激光器中需配合环形器使用。另外，超快光纤激光器中通常需要的色散补偿量较小（一般只有0.01-1ps²），要实现如此小色散的补偿以及较大的光谱响应范围，需要的光纤光栅啁啾量较大（一般要大于80nm/cm），而目前基于相位掩膜法的光纤光栅制造工艺无法实现如此大的啁啾量，因此啁啾光纤光栅通常会引入过量的色散，无法实现小色散精密管理。近年，采用特殊光路设计可实现这种具有大啁啾量、小色散的啁啾光纤光栅，但是其反射率一般小于20%，在环形腔超短脉冲激光器中会引入大损耗。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种全光纤色散调节方法及全光纤色散管理器件，该器件利用大角度倾斜光纤光栅的模式耦合作用特性以及光纤高阶模式的色散特性，实现高性能的全光纤色散管理，对于超快光纤激光技术的实用化发展具有推动作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种全光纤色散调节方法，光纤纤芯中传输的光，经过第一大角度倾斜光纤光栅时，被耦合至单模光纤的光纤包层中以高阶模式传输；再经过第二大角度倾斜光纤光栅时，从光纤包层耦合回光纤纤芯中继续传输；通过控制单模光纤的长度实现色散量的调节；其中，第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度。

本发明还提供另一种全光纤色散调节方法，光纤纤芯中传输的光，经过第一大角度倾斜光纤光栅时，被耦合至少量模光纤或多模光纤的光纤纤芯或光纤包层中以高阶模式传输，再经过第二大角度倾斜光纤光栅时，从纤芯高阶模式或光纤包层耦合回纤芯基模继续传输；通过控制少量模光纤或多模光纤的长度实现色散量的调节；其中，第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度。

同时，本发明还提供一种基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件，包括沿光传输方向依次连接的第一大角度倾斜光纤光栅、传输光纤和第二大角度倾斜光纤光栅；其中，第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度，所述传输光纤为单模光纤、少量模光纤或多模光纤。

进一步地，所述第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜方向沿光纤轴向相同或相反。

进一步地，所述第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜角相同。

进一步地，所述第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的光栅周期相同。

进一步地，所述第一大角度倾斜光纤光栅、传输光纤和第二大角度倾斜光纤光栅制作在同一根光纤上，或者分别制作之后再进行光纤熔接。

进一步地，所述传输光纤的光纤包层上涂覆低折胶。

此外，本发明还提供了一种超短脉冲光纤激光器，包括权利要求上述基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件，所述基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件熔接在光纤激光器腔内，提供定量的色散，实现光纤激光器腔内净色散管理。

本发明还提供了另外一种超短脉冲光纤激光器，包括上述基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件，所述基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件熔接在激光器输出光纤端，实现超短脉冲激光的压缩或展宽。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明采用大角度倾斜光纤光栅实现光纤中不同模式的光耦合，使得全光纤色散管理器件具有如下优点：（a）相比传统的应力挤压、弯曲、错位熔接等模式耦合方式，通过大角度倾斜光纤光栅实现光纤中的模式耦合可具有更高的精度和耦合效率；（b）大角度倾斜光纤光栅为全光纤结构，对于光纤激光器具有较高的系统集成度和可靠性；（c）相比长周期光纤光栅，大角度倾斜光纤光栅具有偏振响应，可以提高输出激光的偏振度；（d）可分别设计并优化两个大角度倾斜光纤光栅，实现不同的耦合效率及响应带宽，进而更易优化器件的参数。

2.本发明采用光纤高阶模式色散特性进行色散管理，使得该全光纤色散管理器件具有如下优点：（a）高阶模式色散系数范围较大，除了适用于超短脉冲激光种子源以外，也适用于需要脉冲展宽的系统中，例如啁啾脉冲放大系统；（b）容易实现1.3微米以下波段的负色散，对于1μm波段飞秒激光产生有着显著作用；（c）确定耦合模式后，通过控制传输光纤的长度即可简单实现色散量的调节；（d）光纤包层以及少模或多模光纤纤芯的模场面积大、非线性阈值高，可承受较高功率。

附图说明

图1为本发明基于大角度倾斜光纤光栅的色散管理装置示意图（光纤为单模光纤）；

图2为本发明基于大角度倾斜光纤光栅的色散管理装置示意图（光纤为少量模光纤或多模光纤）；

图3为本发明基于大角度倾斜光纤光栅的色散管理装置示意图（两个大角度倾斜光纤光栅的光栅倾斜方向相反）。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于大角度倾斜光纤光栅的色散管理器件，该器件利用一对大角度倾斜光纤光栅的模式耦合特性以及光纤高阶模式色散特性实现色散管理，具有全光纤结构、色散量范围大、色散值精准、损耗低等多个优点，有利于超短脉冲光纤激光的产生，推动超快光纤激光技术的实用化和商用化发展。

如图1和图2所示，本发明基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件包括沿光传输方向依次连接的第一大角度倾斜光纤光栅、传输光纤和第二大角度倾斜光纤光栅。本发明中，第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅之间的传输光纤可采用普通单模光纤、少量模光纤或多模光纤。不同的光纤种类会影响器件的色散特性，不同的光纤长度会影响色散的大小。在实际应用中，根据超短脉冲光纤激光器实际需求的色散量，需通过对相应传输光纤高阶模式色散的计算，设计该色散管理器件所需的光纤种类以及长度。

如图1所示，当两个大角度倾斜光纤光栅之间的传输光纤为单模光纤时，其工作原理是：由于大角度倾斜光纤光栅的模式耦合作用，在光纤纤芯中传输的光在经过第一大角度倾斜光纤光栅时被耦合至单模光纤的光纤包层中传输。光纤包层中传输的光具有高阶模式，因此相比同波段纤芯中的基模光具有不同的色散特性，根据光纤特性以及耦合的包层模式阶次可实现更小的相同色散特性、更小或更大的相反色散特性；光以高阶模式传输一定距离后，经过第二大角度倾斜光纤光栅从光纤包层耦合回光纤纤芯中继续传输。

如图2所示，当两个大角度倾斜光纤光栅之间的传输光纤为少量模光纤或多模光纤时，其工作原理是：由于大角度倾斜光纤光栅的模式耦合作用，在单模光纤纤芯中传输的光在经过第一大角度倾斜光纤光栅后，被耦合至少量模光纤或多模光纤的纤芯或包层中，并以纤芯或包层的高阶模式传输。相比单模光纤纤芯中的基模光，在少量模光纤或多模光纤纤芯或包层中以高阶模式传输的光具有不同的色散特性，根据光纤特性以及耦合的纤芯或包层高阶模式阶次可实现更小的相同色散特性、更小或更大的相反色散特性。光以高阶模式继续在少量模光纤或多模光纤纤芯或包层中传输一定距离后，经过第二大角度倾斜光纤光栅从光纤纤芯高阶模式耦合回纤芯基模继续传输，或从光纤包层模耦合回纤芯基模继续传输。

本发明采用的第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅不同于普通的光纤光栅，在纤芯具有倾斜的周期性结构，为实现传输光在前向纤芯至前向包层及前向包层至前向纤芯的耦合，倾斜角度一般大于66度，具体为66～89度，具体的倾斜角度和光栅周期根据所需超短脉冲光纤激光器的波长和带宽决定。

当第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅之间的传输光纤为单模光纤时，该方案中两个大角度倾斜光纤光栅可制作在同一根传输光纤上，或者分别制作之后再进行光纤熔接。当第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅之间的传输光纤为少量模光纤或多模光纤时，该方案中两个大角度倾斜光纤光栅需要分别制作并熔接在一段少量模光纤或多模光纤两端。

第一大角度倾斜光纤光栅和第二大角度倾斜光纤光栅的倾斜方向可以沿光纤轴向相同（如图1）或相反（如图3），均可以实现该色散管理器件。两个大角度倾斜光纤光栅可具有相同的倾斜角、光栅周期等参数，使得两个大角度倾斜光纤光栅具有相同或近似的耦合波长及带宽，以实现最大的器件响应带宽和传输效率。两个大角度倾斜光纤光栅也可具有不同的参数，即具有不同的耦合波长及带宽，通过两个大角度倾斜光纤光栅响应波长和带宽的错位，实现一定的滤波效果，但同时会增加器件损耗。

本发明中，当利用光纤包层模式的色散时，即在大角度倾斜光纤光栅把光从纤芯耦合至传输光纤包层的情况下，若采用的传输光纤有涂覆层，涂覆层为高折胶，则传输光纤的光纤包层部分需要去掉涂覆层或涂覆低折胶，以防止包层的光泄漏到光纤外面，造成额外损耗。若采用的传输光纤无涂覆层，则无需去除涂覆层，直接涂覆低折胶。

同时，本发明全光纤色散管理器件中，采用的大角度倾斜光纤光栅需在去掉涂覆层的光纤上制作，大角度倾斜光纤光栅制作后可以不涂覆，或为了保护大角度倾斜光纤光栅进行涂覆，如果涂覆需要选用低折胶涂覆，以防止包层的光泄漏到光纤外面，造成额外损耗。

本发明中，色散管理器件为全光纤结构，可以将器件两端的光纤熔接在光纤激光器腔内，提供定量的色散，实现光纤激光器腔内净色散管理。超短脉冲光纤激光器可采用线性腔或环形腔。另外，也可用在超短光纤激光器腔外，熔接在激光器输出光纤端，实现超短脉冲激光的压缩或展宽。

结合大角度倾斜光纤光栅和光纤高阶模式，设计新型色散管理装置，相比传统的色散管理器件，基于本方案的新型色散管理器件可具有全光纤结构、色散量范围大、色散值精准、损耗低等多个优点。

本发明器件采用大角度倾斜光纤光栅实现光纤中不同模式的光耦合，使得该全光纤色散管理器件具有如下优点为：（a）相比传统的应力挤压、弯曲、错位熔接等模式耦合方式，通过大角度倾斜光纤光栅实现光纤中的模式耦合可具有更高的精度和耦合效率；（b）大角度倾斜光纤光栅为全光纤结构，对于光纤激光器具有较高的系统集成度和可靠性；（c）相比长周期光纤光栅，大角度倾斜光纤光栅具有偏振响应，可以提高输出激光的偏振度；（d）可分别设计并优化两个大角度倾斜光纤光栅，实现不同的耦合效率及响应带宽，进而更易优化器件的参数。

本发明装置采用光纤高阶模式色散特性进行色散管理，使得该器件具有如下优点：（a）不同阶次的高阶模式具有不同的色散系数，光纤高阶模式色散系数范围较大，除了适用于超短脉冲激光种子源以外，也适用于需要脉冲展宽的系统中，例如啁啾脉冲放大系统；（b）光纤高阶模式的有效折射率不同于基模的有效折射率，因此具有不同于基模的色散特性。在模式阶次高于某一值时（根据采用光纤的参数有所区别），可实现1.3微米以下波段的负色散，对于1μm波段飞秒激光产生有着显著作用；（c）确定耦合模式后，通过控制光纤的长度即可简单实现色散量的调节；（d）光纤包层以及少模/多模光纤纤芯的模场面积大、非线性阈值高，可承受较高功率。