Документ описывает полезную модель двухволнового перестраиваемого волоконного кольцевого лазера, разработанного Белорусским государственным университетом. Этот лазер включает волоконный эрбиевый оптический усилитель и новые элементы, такие как полупроводниковый оптический усилитель и резонансный волоконный фильтр фабри-перо, что позволяет осуществлять перестройку длины волны в широком спектральном диапазоне и увеличивать мощность излучения. Предложенное устройство имеет преимущества над известными аналогами, включая увеличение мощности и улучшение отношения сигнал/шум.

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6815
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
H 01S 3/08
H 01S 3/06
(54) ДВУХВОЛНОВОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ВОЛОКОННЫЙ
КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР
(21) Номер заявки: u 20100261
(22) 2010.03.17
(71) Заявитель: Белорусский государ-
ственный университет (BY)
(72) Автор: Поляков Александр Владими-
рович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Двухволновой перестраиваемый волоконный кольцевой лазер, содержащий волокон-
ный эрбиевый оптический усилитель, оптический изолятор, контроллер поляризации, оп-
тические разветвители, отличающийся тем, что в него введены полупроводниковый
оптический усилитель, резонансный волоконный фильтр Фабри-Перо, оптический поло-
совой перестраиваемый фильтр и два волоконных резонатора.
(56)
1. Патент US 2008/0025348A1, МПК H 01S 3/30, опубл. 31.01.2008.
2. Патент US 2009/0086787, МПК H 01S 3/92, опубл. 02.04.2009.
Предлагаемая полезная модель относится к лазерной технике и может быть использо-
вана в таких важных приложениях, как прецизионные волоконно-оптические измерения и
высокоскоростные системы связи на базе технологии мультиплексирования с разделением
по длинам волн (wavelength division multiplexing WDM).
Известен волоконный кольцевой лазер [1], состоящий из волоконного эрбиевого уси-
лителя, двух соединителей, контроллера поляризации, оптического изолятора, двух пере-
BY6815U2010.12.30

2. BY 6815 U 2010.12.30
2
страиваемых решеток Брэгга, установленных на пьезокерамике, четырехпортового опти-
ческого циркулятора и волоконного световода. Данное устройство предназначено для ге-
нерации 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 при-
кладывать высокое напряжение (более 300 В).
Известен волоконный кольцевой лазер [2], выбранный в качестве прототипа, состоя-
щий из волоконного эрбиевого усилителя, первого оптического разветвителя, второго оп-
тического 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, вто-
рое волоконное кольцо представляет собой второй объемный резонатор с другим свобод-
ным 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 пере-
стройки длины волны излучения; невысокую мощность излучения; в связи с тем, что уси-
ление эрбиевого усилителя гомогенно (однородно расширено), существует вероятность
использования инверсии населенности на усиление только одной длины волны; возмож-
ность возникновения биений среди продольных мод первого кольца, что ведет к возраста-
нию уровня шума.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание двухволнового волоконно-
го кольцевого лазера, обеспечивающего перестройку длины волны в широком спектраль-
ном диапазоне и увеличение мощности излучения.
Сущность полезной модели заключается в том, что в волоконный кольцевой лазер, со-
держащий 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 во-
локонного кольцевого лазера.
Заявляемый волоконный кольцевой лазер содержит волоконный эрбиевый оптический
усилитель 1, Y-образный оптический разветвитель 2, оптический изолятор 3, два контрол-
лера поляризации 4, резонансный волоконный фильтр Фабри-Перо 5, первый волоконный
резонатор 6, два X-образных разветвителя 7, второй волоконный резонатор 8, полупро-
водниковый 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 одномо-
довом режиме в виде продольной моды обеспечивается двумя волоконными резонаторами
6 и 8, связанными с основным кольцом X-образными разветвителями 7. Далее после уста-
новления линейной поляризации контроллером поляризации 4 происходит предваритель-
ное 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

3. BY 6815 U 2010.12.30
3
усиливается волоконным эрбиевым оптическим усилителем 1 и с помощью Y-образного
разветвителя выводится из лазера.
Основным элементом резонансного волоконного фильтра Фабри-Перо является отре-
зок одномодового оптического волокна с торцами, имеющими форму линзы, на которые
напылено полупрозрачное зеркальное покрытие с высоким коэффициентом отражения.
Свободная область спектра fr рассчитывается по формуле:
fr = c/(2nl), (1)
где n - показатель преломления сердцевины волокна;
l - длина резонатора;
c - скорость света в вакууме;
а выражение для ширины резонансной кривой по уровню -3 дБ имеет вид:
,
R
R1
nl2
c
fr
π
−
=∆ (2)
где R - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала по интенсивности света.
При длине фильтра Фабри-Перо l = 2,5 мм и R = 0,7 согласно (1) и (2) fr = 40 ГГц и
∆fr = 4,6 ГГц.
В качестве перестраиваемого полосового фильтра используется волоконный интерфе-
ренционный 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 компании DiCon имеет
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 пере-
страиваемого фильтра достаточно, чтобы пропустить выделенный с помощью резонанс-
ного 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 опти-
ческого усилителя является нестабильной, поскольку одна длина волны может монополь-
но захватить всю инверсию населенности при усилении слабых (порядка -30 дБм)
сигналов. Чтобы этого избежать, необходимо осуществлять предварительное усиление,
что достигается использованием полупроводникового оптического усилителя. Использо-
вание одного только полупроводникового усилителя не обеспечивает достаточного усиле-
ния 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 оптиче-
ский усилитель состоит из двух оптических изоляторов, расположенных на входе и выхо-
де усилителя, отрезка волоконного световода длиной 10 м, легированного эрбием, лазера
накачки мощностью излучения 100 мВт на длине волны 980 нм и WDM-разветвителя. Ос-
новные 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 Y-образным разветвителем с ко-
эффициентом деления мощности 50 : 50. 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 X-образных оптических разветвителей с коэффициентом деления 10 : 90 присо-
единены два волоконных резонатора длиной 6 и 0,85 м. Длины резонаторов подобраны
таким образом, чтобы предотвратить биения, возникающие среди многих продольных мод

4. BY 6815 U 2010.12.30
4
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 обрабо-
танную 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 поглоще-
ния. Для снижения потерь мод с параллельной составляющей между отполированной по-
верхностью волокна и металлом сформирован буферный слой (CaF2), 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 монокристалл YIG железоиттриевого граната с боль-
шой постоянной Верде, прозрачный на длине волны более 1,2 мкм. Кроме того, в кон-
струкцию изолятора входят поляризатор, магнит для создания магнитного поля,
оптический анализатор. Изолятор имеет следующие параметры: центральная длина волны
1550±50 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 пе-
рестройку 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.