CN110346943B - 一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器 - Google Patents

一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，属于光纤激光技术及器件领域，对于保偏光纤引入偏振模双折射，通过偏振型光纤分束器实现偏振模干涉，并采用较长的单偏振光纤可以保证注入信号足够高的偏振消光比；通过对偏振控制器施加不同的电压信号，可以同时改变注入保偏光纤中光信号的偏振态及光纤主轴方向上光信号分量的相位差，实现稳定的信号光偏振态控制，并实现光谱透过率调制深度和中心波长的多维度调节；另外保偏光纤采用光子晶体结构，其偏振模色散特性对温度的敏感性较普通保偏光纤钝化30倍以上，可以实现对外界环境温度变化的不敏感，实现幅频效应的稳定补偿；本设计器件集成度高，可靠性好，能有效应用于高功率激光器装置中。

Description

一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器
技术领域
本发明属于光纤激光技术及器件领域，具体涉及一种多维度调谐、温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器。
背景技术
高功率激光装置中，为了实现光谱束匀滑和抑制横向受激布里渊散射效应，需要对单纵模种子光源进行相位调制展宽。理论上，相位调制后的脉冲经过理想光传输系统将会保持光脉冲时域形状不变，但实际上由于光传输系统传递函数的不均匀(形状或者相位)，将会导致宽带光脉冲光谱畸变从而影响光脉冲形状。这种相位调制周期信号反映到脉冲时域形状上的现象被称作幅频效应(FM－to－AM)。幅频效应将会影响脉冲功率平衡，严重时还会影响脉冲形状，甚至损坏光学元件。为了抑制幅频效应，提升高功率激光装置实验性能，需要对光谱透过率非均匀的光传输系统进行补偿调节。基于此，申请人于2016年申请了一件申请号为“CN201610032832.0”，名称为“一种可调光谱调制器及其用途”的发明专利。在该专利中光谱调制器光纤起偏器对光信号进行起偏，然后通过光纤法兰引入退偏效应并与保偏光纤连接，在保偏光纤中存在的光纤双折射将引入偏振模色散，随后通过光纤准直器输出到空间上利用半波片进行偏振方向旋转，最后再通过检偏器实现偏振干涉并从光纤准直器输出。该发明专利提出的梳状可调光谱调制器能有效改变透过率光谱的调制深度，对装置光传输系统的光谱传递函数进行补偿或者预补偿，从而实现幅频效应的补偿抑制。但是该发明专利的方案仍存在一定的不足：其采用空间光路设计，稳定性有待提升；且半波片只能实现光信号偏振方向的旋转，即光谱调制器只能实现调制深度的一维调节，对于复杂光传输系统传递函数补偿效果有限。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了实现更加稳定和有效的幅频效应补偿要求，本发明提出一种多维度调谐且温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器。
本发明采用的技术方案如下：
一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，用于实现透过率光谱可调，所述全光纤幅频效应补偿滤波器沿光路方向包括依次连接的单偏振光纤1、偏振控制器2、保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4；所述单偏振光纤1用于作为起偏器，使得注入滤波器的光信号获得足够高的偏振消光比；所述偏振控制器2采用电控挤压式，用于完成对注入光信号覆盖整个庞加莱球的偏振态变换；所述保偏光子晶体光纤3采用光子晶体结构，用于提供较大的主轴折射率差，同时还用于提供较大的主轴折射率差温度不敏感系数；所述光纤偏振分束器4为偏振相关型器件，主要用于对光信号进行检偏，使得经过保偏光子晶体光纤3色散后的两主轴分量发生偏振干涉，得到周期性的调制光谱，同时配合所述偏振控制器2的使用，对注入光纤分束器4的光信号的偏振方向和光纤两主轴分量的初始相位差均进行调节，从而使滤波器透过率光谱的调制深度和中心波长均可以调节。
进一步的，所述单偏振光纤1、偏振控制器2、保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4的连接方式为熔接，且所述保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4熔接时主轴相差45°。
进一步的，所述单偏振光纤1的光纤长度L1至少为4m，用于保证注入信号足够高的偏振消光比。
进一步的，所述偏振控制器2包括单模光纤以及四个电极，通过在四个电极施加电压信号驱动，可在四个电极上产生相应的电压信号，从而改变施加给单模光纤的应力并改变光纤折射率，从而改变和调节注入保偏光子晶体光纤3中光信号的偏振态及光纤主轴方向上光信号分量的相位差，实现波片组合的调节。
进一步的，滤波器的光谱调制周期所述由保偏光子晶体光纤3的长度和主轴折射率差决定，
Figure GDA0002886600400000031
λ表示光信号中心波长，Δλ表示波长间隔或光谱调制周期，L表示保偏光子晶体光纤3的长度，Δn表示保偏光子晶体光纤3的主轴折射率差。
另一方面，本发明还提供了一种基于前述任一全光纤幅频效应补偿滤波器对高功率激光进行调制的方法，高功率光脉冲信号通过所述单偏振光纤1注入滤波器，得到高偏振消光比的偏振光；然后调整所述偏振控制器2上的电极电压值对单模光纤进行挤压，从而改变光信号偏振态和保偏光子晶体光纤3中主轴分量的初始相位；经过调节的光信号分别注入保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4，使得经过保偏光子晶体光纤3色散后的两主轴分量发生偏振干涉，得到周期性的调制光谱。
进一步的，对注入光纤分束器4的光信号偏振方向和光纤两主轴分量的初始相位差均进行调节，从而使所述滤波器透过率光谱的调制深度和中心波长均可以调节。
进一步的，所述滤波器的透过率曲线函数H(λ)表示如下：
Figure GDA0002886600400000032
其中
Figure GDA0002886600400000033
表示由光纤法兰的偏振消光比PER引入的偏振方向变化；PER的定义为：PERj＝1/tan2(φj)，在实际应用中，光纤法兰的PER通常为23dB(200)；
Figure GDA0002886600400000041
表示保偏光子晶体光纤3的双折射效应，其中2πLΔn/λ表示保偏光子晶体光纤3的快慢轴累积的相位差，λ表示波长，Δn＝nslow－nfast是保偏光子晶体光纤3的主轴折射率差，典型值为10－4数量级；
P表示由光纤偏振分束器4等效的Jones矩阵表示；
MPC表示由偏振控制器2等效的Jones矩阵。
进一步的，已知偏振控制器2可以等效为一个半波片和一个四分之一波片，所以：
Figure GDA0002886600400000042
其中，δh和δq分别表示半波片和四分之一波片快慢轴引入的相位差，即π和π/2。θh和θq分别代表波片的光轴和x方向的夹角，通过旋转偏振控制器2即可改变θh和θq。将δh＝π和δq＝π/2带入上式，可以得到：
Figure GDA0002886600400000043
和
Figure GDA0002886600400000044
假设入射光为沿x方向偏振的线偏振光
Figure GDA0002886600400000045
分别经过半波片和四分之一波片后的透射光Jones矩阵为
Figure GDA0002886600400000046
和
Figure GDA0002886600400000047
很显然，经过半波片后的透射光x，y两分量相位差固定，与θh无关；经过四分之一波片后的透射光x，y两分量相位差为π/2-arctan(cos2θq)，随着四分之一波片的转动，透射光x，y方向分量相位差随之变化。
进一步的，所述光纤偏振分束器4作为检偏器件其Jones矩阵表示为：
Figure GDA0002886600400000051
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器对于保偏光纤引入偏振模双折射，通过偏振型光纤分束器实现偏振模干涉，从而实现光谱透过率周期性调制；
2、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器采用较长的单偏振光纤可以保证注入信号足够高的偏振消光比；
3、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器通过对偏振控制器施加不同的电压信号，可以同时改变注入保偏光纤中光信号的偏振态及光纤主轴方向上光信号分量的相位差，实现稳定的信号光偏振态控制，并实现光谱透过率调制深度和中心波长的多维度调节；
4、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器偏振控制器采用电压控制，可以实现稳定的信号光偏振态控制；
5、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器由于保偏光纤采用光子晶体结构，其偏振模色散特性对温度的敏感性较普通保偏光纤钝化30倍以上，可以实现对外界环境温度变化的不敏感，从而实现幅频效应的稳定补偿；
6、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器在保偏光子晶体光纤和光纤偏振分束器熔接时采用主轴相差45°，使得偏振模干涉效果更好，有利于光谱透过率周期性形成；
7、本发明提供的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器采用了全光纤设计，器件集成度高，可靠性好，能有效应用于高功率激光器装置中。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的滤波器结构示意图；
图2为改变偏振光偏振方向角得到的光谱透过率仿真曲线；
图3为改变偏振光分量相位差得到的光谱透过率仿真曲线；
图4为综合改变偏振光方向和偏振光分量相位差得到的光谱透过率仿真曲线；
图5所示为通过调整偏振控制器电压得到的不同光谱透过率实验曲线；
图6所示为不同温度下(24－27℃)滤波器的光谱透过率实验曲线。
其中附图标记为：1—单偏振光纤，2—偏振控制器，3—保偏光子晶体光纤，4—光纤偏振分束器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例公开了一种多维度调谐且温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，并基于偏振模干涉原理实现透过率光谱可调。所述全光纤幅频效应补偿滤波器沿光路方向包括依次连接的单偏振光纤1、偏振控制器2、保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4。在一个实施例中所述单偏振光纤1、偏振控制器2、保偏光子晶体光纤3和光纤偏振分束器4的连接方式为熔接。
所述单偏振光纤1用于作为起偏器，使得注入滤波器的光信号获得足够高的偏振消光比，其光纤长度L1根据实际应用需求进行合理的选择。在一个实施例中所述单偏振光纤1的长度L1至少为4m，较长的单偏振光纤可以保证注入信号足够高的偏振消光比。
所述偏振控制器2采用电控挤压式，用于完成对注入光信号覆盖整个庞加莱球的偏振态变换；所述偏振控制器2包括单模光纤以及四个电极，通过在四个电极施加电压信号驱动，可在四个电极上产生相应的电压信号，从而改变施加给单模光纤的应力并改变光纤折射率，从而改变和调节注入保偏光子晶体光纤3中光信号的偏振态及光纤主轴方向上光信号分量的相位差，实现了波片组合的调节。
根据偏振控制器2的作用，其实际上可以等效为一个半波片和一个四分之一波片的组合。光脉冲信号通过该半波片可以实现偏振方向的改变，光脉冲信号通过四分之一波片时，在波片两主轴方向引入π/2的固定相位差，但可以通过调节四分之一波片的方向，使得后续保偏光子晶体光纤3中两主轴方向光分量的初始相位差将随四分之一波片方向的不同而不同。但半波片+1/4波片是两个空间光器件，其相比于本实施例中采用的偏振控制器2而言其偏振结构紧凑型差，可靠性低，因此在本实施例中采用偏振控制器2对光路参数进行调整能达到更好的调节效果和光路紧凑效果。
另一方面，所述保偏光子晶体光纤3采用光子晶体结构，主要用于提供较大的主轴折射率差，实现较大的偏振模色散，同时还用于提供较大的主轴折射率差温度不敏感系数，使得保偏光子晶体光纤3的偏振模色散随温度变化不明显，其偏振模色散特性对温度的敏感性较普通保偏光纤钝化30倍以上，可以实现对外界环境温度变化的不敏感，从而实现幅频效应的稳定补偿，从而得到稳定的干涉光谱。
所述光纤偏振分束器4为偏振相关型器件实现偏振模干涉，主要用于对光信号进行检偏，使得经过保偏光子晶体光纤3色散后的两主轴分量发生偏振干涉，得到周期性的调制光谱。同时，配合偏振控制器2的使用，使注入光纤分束器4的光信号偏振方向和光纤两主轴分量的初始相位差均进行调节，从而使滤波器透过率光谱的调制深度和中心波长均可以调节。
在一个实施例中所述保偏光子晶体光纤和光纤偏振分束器熔接时主轴相差45°，使得偏振模干涉效果更好，有利于光谱透过率周期性形成。
另外，滤波器的光谱调制周期所述由保偏光子晶体光纤3的长度和主轴折射率差决定，
Figure GDA0002886600400000081
λ表示光信号中心波长，Δλ表示波长间隔或者是光谱调制周期，L表示保偏光子晶体光纤3的长度，Δn表示保偏光子晶体光纤3的主轴折射率差。
利用Jones矩阵分析方法，可以对上述功能描述进行理论定性分析。滤波器的透过率曲线函数可以用H(λ)来表示：
Figure GDA0002886600400000082
其中
Figure GDA0002886600400000083
表示由光纤法兰的偏振消光比PER引入的偏振方向变化；PER的定义为：PERj＝1/tan2(φj)，在实际应用中，光纤法兰的PER通常为23dB(200)。
Figure GDA0002886600400000091
表示保偏光子晶体光纤3的双折射效应，其中2πLΔn/λ表示保偏光子晶体光纤3的快慢轴累积的相位差，λ表示波长，Δn＝nslow－nfast是保偏光子晶体光纤3的主轴折射率差，典型值为10－4数量级；
MPC表示由偏振控制器2等效的Jones矩阵。
P表示由光纤偏振分束器4等效的Jones矩阵。
将所述偏振控制器2可以等效为一个半波片和一个四分之一波片，所以：
Figure GDA0002886600400000092
其中，Jh和Jq分别表示半波片和四分之一波片的Jones矩阵，δh和δq分别表示半波片和四分之一波片快慢轴引入的相位差，即π和π/2。θh和θq分别代表波片的光轴和x方向的夹角，通过旋转偏振控制器2即可改变θh和θq。将δh＝π和δq＝π/2带入上式，可以得到：
Figure GDA0002886600400000093
和
Figure GDA0002886600400000094
为方便起见，假设入射光为沿x方向偏振的线偏振光
Figure GDA0002886600400000095
分别经过半波片和四分之一波片后的透射光Jones矩阵为
Figure GDA0002886600400000101
和
Figure GDA0002886600400000102
很显然，经过半波片后的透射光x，y两分量相位差固定，与θh无关；经过四分之一波片后的透射光x，y两分量相位差为π/2-arctan(cos2θq)，随着四分之一波片的转动，透射光x，y方向分量相位差随之变化。以上分析与半波片、四分之一波片对于偏振光偏振态的改变效果一致：即半波片不改变偏振光偏振态，只改变偏振方向；四分之一波片可以改变偏振光偏振态，而不改变偏振方向。
最后，所述光纤偏振分束器4最后作为检偏器件其Jones矩阵可以表示为：
Figure GDA0002886600400000103
实施例二
实施例二提供了一种对前述实施例提供的全光纤幅频效应补偿滤波器的具体参数设计和选择方案、以及所述滤波器的工作机制，在本实施例中所述全光纤幅频效应补偿滤波器包括如下器件：
所述单偏振光纤1的长度L1选择为4m；所述偏振控制器2为四级电极设计，通过挤压单模光纤实现庞加莱球的遍历；所述保偏光子晶体光纤3的长度L为3.8m左右，其理论上光谱滤波器调制周期为0.6nm左右；所述偏振光纤分束器4与保偏光子晶体光纤3通过熔接工序连接，熔接时两者的折射率主轴方向相差45°。光脉冲信号通过所述单偏振光纤1注入滤波器，得到高偏振消光比的偏振光，通过调整所述偏振控制器2的电极电压值对单模光纤进行挤压，从而实现光信号偏振态和保偏光子晶体光纤3中主轴分量的初始相位的改变，从而实现光谱透过率的多维调节。所述保偏光子晶体光纤3采用光子晶体光纤结构，在保证与普通PM980光纤相似的双折射的情况下，提供显著增强的温度稳定性。
图2为改变偏振光偏振方向角仿真得到的光谱透过率曲线，图3为改变偏振光分量相位差得到的光谱透过率仿真曲线，图4为综合改变偏振光方向和偏振光分量相位差得到的光谱透过率仿真曲线，从图2－4中可以看出通过改变偏振光偏振方向角，滤波器透过率曲线的调制深度明显变化；改变偏振光偏振分量间的相位差，滤波器透过率曲线的中心波长明显变化；同时改变上述两个参量，滤波器透过率曲线的调制深度和中心波长可以同时变化。该仿真结果说明利用本发明实施例提供的偏振控制器的设计，所述滤波器可以有效实现滤波曲线的多维度调谐。
图5所示为实验中通过调整偏振控制器电压得到的不同光谱透过率曲线。可以看到，由于采用本发明实施例提供的所述偏振控制器的设计，滤波器光谱透过率实现了多维度的调节，即中心波长和调制深度同时可调，实验结果和仿真结果吻合较好。本方案较之前的方案(专利申请号：CN201610032832.0)调节维度更丰富，幅频效应补偿效果更好。
图6所示为不同温度下(24－27℃)滤波器的光谱透过率实验曲线，由于采用了保偏光子晶体光纤设计，滤波器中心波长随温度变化关系约为0.018nm/℃，同样的配置下，采用保偏PM980光纤设计滤波器中心波长随温度偏移关系约为2.5nm/℃。
本发明并不局限于前述的具体实施方式，也不局限于前述所描述的应用场景，可以应用于任一滤波场景中，本发明对此不做限定。并且本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，用于实现透过率光谱可调，其特征在于，所述全光纤幅频效应补偿滤波器沿光路方向依次连接单偏振光纤(1)、偏振控制器(2)、保偏光子晶体光纤(3)和光纤偏振分束器(4)；所述单偏振光纤(1)用于作为起偏器，使得注入滤波器的光信号获得足够高的偏振消光比；所述偏振控制器(2)采用电控挤压式，用于完成对注入光信号覆盖整个庞加莱球的偏振态变换；所述保偏光子晶体光纤(3)采用光子晶体结构，用于提供较大的主轴折射率差，同时还用于提供较大的主轴折射率差温度不敏感系数；所述光纤偏振分束器(4)为偏振相关型器件，主要用于对光信号进行检偏，使得经过保偏光子晶体光纤(3)色散后的两主轴分量发生偏振干涉，得到周期性的调制光谱，同时配合所述偏振控制器(2)的使用，对注入光纤偏振分束器(4)的光信号的偏振方向和光纤两主轴分量的初始相位差均进行调节，从而使滤波器透过率光谱的调制深度和中心波长均可以调节。
2.如权利要求1所述的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，其特征在于，所述单偏振光纤(1)、偏振控制器(2)、保偏光子晶体光纤(3)和光纤偏振分束器(4)的连接方式为熔接，且所述保偏光子晶体光纤(3)和光纤偏振分束器(4)熔接时主轴相差45°。
3.如权利要求1所述的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，其特征在于，所述单偏振光纤(1)的光纤长度L1至少为4m，用于保证注入信号足够高的偏振消光比。
4.如权利要求1所述的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，其特征在于，所述偏振控制器(2)包括单模光纤以及四个电极，通过在四个电极施加电压信号驱动，可在四个电极上产生相应的电压信号，从而改变施加给单模光纤的应力并改变光纤折射率，从而改变和调节注入保偏光子晶体光纤(3)中光信号的偏振态及光纤主轴方向上光信号分量的相位差，实现波片组合的调节。
5.如权利要求1所述的一种多维度调谐温度不敏感的全光纤幅频效应补偿滤波器，其特征在于，滤波器的光谱调制周期由所述保偏光子晶体光纤(3)的长度和主轴折射率差决定，
Figure FDA0003159868460000023
λ表示光信号中心波长，Δλ表示波长间隔或光谱调制周期，L表示保偏光子晶体光纤(3)的长度，Δn表示保偏光子晶体光纤(3)的主轴折射率差。
6.一种基于权利要求1－5任一全光纤幅频效应补偿滤波器对高功率激光进行调制的方法，其特征在于，高功率光脉冲信号通过所述单偏振光纤(1)注入滤波器，得到高偏振消光比的偏振光；然后调整所述偏振控制器(2)上的电极电压值对单模光纤进行挤压，从而改变光信号偏振态和保偏光子晶体光纤(3)中主轴分量的初始相位；经过调节的光信号分别注入保偏光子晶体光纤(3)和光纤偏振分束器(4)，使得经过保偏光子晶体光纤(3)色散后的两主轴分量发生偏振干涉，得到周期性的调制光谱。
7.如权利要求6所述的一种高功率激光进行调制的方法，其特征在于，对注入光纤偏振分束器(4)的光信号偏振方向和光纤两主轴分量的初始相位差均进行调节，从而使所述滤波器透过率光谱的调制深度和中心波长均可以调节。
8.如权利要求6所述的一种高功率激光进行调制的方法，其特征在于，所述滤波器的透过率曲线函数H(λ)表示如下：
Figure FDA0003159868460000021
其中
Figure FDA0003159868460000022
表示由光纤法兰的偏振消光比PER引入的偏振方向变化；PER的定义为：PERj＝1/tan2(φj)；
Figure FDA0003159868460000031
表示保偏光子晶体光纤(3)的双折射效应，其中2πLΔn/λ表示保偏光子晶体光纤(3)的快慢轴累积的相位差，λ表示波长，Δn＝nslow－nfast是保偏光子晶体光纤(3)的主轴折射率差，L表示保偏光子晶体光纤(3)的长度；
P表示由光纤偏振分束器(4)等效的Jones矩阵表示；
MPC表示由偏振控制器(2)等效的Jones矩阵。
9.如权利要求8所述的一种高功率激光进行调制的方法，其特征在于，
所述偏振控制器(2)可等效为一个半波片和一个四分之一波片，所以：
Figure FDA0003159868460000032
其中，Jh和Jq分别表示半波片和四分之一波片的Jones矩阵，δh和δq分别表示半波片和四分之一波片快慢轴引入的相位差，即π和π/2，θh和θq分别代表波片的光轴和x方向的夹角，通过旋转偏振控制器(2)即可改变θh和θq；将δh＝π和δq＝π/2带入上式，可以得到：
Figure FDA0003159868460000037
和
Figure FDA0003159868460000033
假设入射光为沿x方向偏振的线偏振光
Figure FDA0003159868460000034
分别经过半波片和四分之一波片后的透射光Jones矩阵为
Figure FDA0003159868460000035
和
Figure FDA0003159868460000036
10.如权利要求6所述的一种高功率激光进行调制的方法，其特征在于，所述光纤偏振分束器(4)作为检偏器件其Jones矩阵表示为：
Figure FDA0003159868460000041
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