CN110649456A - 一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置及稳定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置及稳定方法，属于激光设备技术领域，沿着激光传输方向依次包括单模光纤分束器、单模光纤、光纤偏振器、偏振光纤分束器和两个光电探测器，本发明基于单模光纤的偏振温度特性，通过实时控制单模光纤的环境温度能够较好的稳定激光的偏振态，原理简单，采用全光纤链路柔性传输，结构紧凑，性能可靠稳定，无需电机辅助，成本较低，同时，采用主动温度调谐的方法，可以抑制外界环境温度变化对激光偏振态的影响，对光纤无直接应力挤压、弯曲，装置总体插入损耗较低，采用实时反馈的控制模式，可以进一步抑制激光自身的抖动。

Description

一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置及稳定方法
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置及稳定方法。
背景技术
在相干光通信、激光放大器、偏振调制光纤传感器以及很多无源器件的应用中要求输入光的偏振态稳定。一般而言，理想单模光纤所传导的是一对彼此正交的
Figure BDA0002226164460000011
偏振模，这两种模式在传导过程中不会发生相互耦合。但是，由于实际的单模光纤在生产加工中会出现几何形状偏差，内部折射率分布不均匀，以及在应用中受环境温度、弯曲和应力等诸多因素的影响，导致这一对偏振态在传导过程中不断发生耦合和双折射效应。由于耦合过程和双折射效应是随机的，所以光纤输出的偏振态具有一定的随机性。
基于激光偏振态稳定的重要价值，研究人员提出了很多偏振稳定的原理和方法，如波片型、电光晶体型以及光纤型的偏振稳定装置。前两种形式的偏振稳定装置受环境因素影响大、插入损耗高，且偏振控制结构和光纤体系分离，实用性欠佳。光纤型偏振稳定装置具备较强的抗干扰能力、可靠性高、插入损耗小等特点，应用较广泛。常见的光纤型偏振稳定装置可分为光纤挤压型、可旋转光纤线圈型、可旋转光纤曲柄型等。这些光纤型偏振稳定装置从原理上是通过挤压、弯曲等方式调节光纤所受应力使光纤材料折射率分布发生变化，从而附加应力双折射，引起输出激光偏振态的改变，以实现对偏振态的控制。上述光纤型偏振稳定装置需要采用多个高精度电机辅助施加应力或者扭转光纤，成本较高，而且长时间挤压或者扭转光纤有可能导致光纤损伤，导致插入损耗上升。
发明内容
发明人采用多种偏振稳定方法后发现：单模光纤周围环境温度的变化会引起光纤内应力的变化进而导致光纤材料的折射率分布发生变化，以及温度变化将引起光纤材料的伸缩效应进而导致光波导几何尺寸的变化，而这两种效应都将导致激光偏振态变化。对于应用在实际环境中的单模光纤，基于温度变化感生的线性双折射效应远大于光纤固有的圆双折射效应，温度变化对单模光纤输出激光偏振态的影响主要表现在对线性双折射效应的影响上，并且线性双折射角和温度变化量呈线性关系。因此，基于单模光纤的偏振温度特性，通过实时控制单模光纤的环境温度可以较好的稳定激光的偏振态，原理简单，采用全光纤链路传输，结构紧凑，性能可靠稳定，无需电机辅助，成本较低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置，沿着激光传输方向通过光纤依次连接有：
单模光纤分束器，其将激光按比例分为第一主激光束和第一监测激光束；
单模光纤，其在温度调谐作用下改变第一主激光束的偏振态，形成特定方向偏振态的激光；
光纤偏振器，其透射特定方向偏振态的激光，并衰减与特定方向偏振态正交的激光，使通过它的激光变为偏振方向固定的线偏振光；
偏振光纤分束器，其将特定方向偏振态的激光按比例分成第二主激光束和第二监测激光束，并保持激光的偏振态不变；
两个光电探测器，其将第一监测激光束、第二监测激光束进行光电转换形成控制信号并送入反馈控制模块，反馈控制模块将控制信号进行模数转换后形成信号处理结果并发送给温度调谐模块，温度调谐模块根据信号处理结果调节单模光纤的环境温度。
进一步，所述第一主激光束和第一监测激光束的分束比为99：1，所述第二主激光束和第二监测激光束的分束比为99：1。
进一步，所述单模光纤去除光纤涂覆层，以便于快速感知外界温度变化。
进一步，所述偏振光纤分束器中的光纤采用保偏光纤或单偏振光纤。
进一步，所述光电探测器采用PIN光电二极管，其时间响应快、灵敏度高。
进一步，所述单模光纤分束器、单模光纤的尾纤类型为HI1060，纤芯直径为6μm，包层直径为125μm。
进一步，所述光纤偏振器采用单偏振光纤制成，所述单偏振光纤导通两个互为正交的偏振模式中的一个，而令另一个偏振模式截止。
另，本发明还提供一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置的稳定方法，包括如下步骤：
S1：激光经单模光纤分束器分束，第一监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果A。
S2：第一主激光束经单模光纤传输，光纤偏振器起偏后，然后经偏振光纤分束器分束，第二主激光束向后续激光系统传输，第二监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果B。
S3：反馈控制模块控制温度调谐模块使单模光纤的环境温度从低向高遍历，记录整个遍历过程中信号处理结果比值B/A形成数据库，遍历过程结束后，从数据库中取出比值B/A的最大值的90％处对应的单模光纤环境温度T，将所述温度T作为温度调谐的基准，并控制温度调谐模块设定单模光纤的初始环境温度为T。
其中，环境温度最低值、最高值的确定是由具体采用的单模光纤的偏振温度特性决定的。当温度变化对单模光纤输出激光偏振态较敏感时所需环境温度的变化范围较小，当温度变化对单模光纤输出激光偏振态不敏感时所需环境温度的变化范围较大。对于常用的HI1060单模光纤，温度变化范围为30℃，环境温度最低值为15℃，环境温度最高值为45℃。
S4：实时监测比值B/A的变化，当比值B/A变化时，控制温度调谐模块改变单模光纤的环境温度使比值B/A稳定，从而保持激光偏振态的稳定。
进一步，步骤S3中，所述比值B/A的最大值的90％为经验值，包括并不限制于90％。
进一步，步骤S4中，当比值B/A增大时，调低环境温度，当比值B/A减小时，调高环境温度。
本发明的有益效果是：
基于单模光纤的偏振温度特性，通过实时控制单模光纤的环境温度能够较好的稳定激光的偏振态，原理简单，采用全光纤链路柔性传输，结构紧凑，性能可靠稳定，无需电机辅助，成本较低，同时，采用主动温度调谐的方法，可以抑制外界环境温度变化对激光偏振态的影响，对光纤无直接应力挤压、弯曲，装置总体插入损耗较低，采用实时反馈的控制模式，可以进一步抑制激光自身的抖动。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
附图中：1-单模光纤分束器、2-单模光纤、3-光纤偏振器、4-偏振光纤分束器、5-第一光电探测器、6-第二光电探测器、7-反馈控制模块、8-温度调谐模块。
其中，图1中箭头表示激光传输方向。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置，沿着激光传输方向依次包括单模光纤分束器1、单模光纤2、光纤偏振器3、偏振光纤分束器4和两个光电探测器。
具体的，单模光纤分束器1将激光按比例分为第一主激光束和第一监测激光束，本实施例中，所述第一主激光束和第一监测激光束的分束比为99：1。单模光纤2在温度调谐作用下改变第一主激光束的偏振态，形成特定方向偏振态的激光，为了便于快速感知外界温度变化，所述单模光纤2去除光纤涂覆层。光纤偏振器3透射特定方向偏振态的激光，并衰减与特定方向偏振态正交的激光，光纤偏振器3采用单偏振光纤制成，所述单偏振光纤导通两个互为正交的偏振模式中的一个，而令另一个偏振模式截止。偏振光纤分束器4将特定方向偏振态的激光按比例分成第二主激光束和第二监测激光束，并保持激光的偏振态不变，同时，所述偏振光纤分束器4中的光纤采用保偏光纤或单偏振光纤。本实施例中，所述第二主激光束和第二监测激光束的分束比为99：1。
两个光电探测器分别为第一光电探测器5和第二光电探测器6，其中，第一光电探测器5位于单模光纤分束器1的监测分光口处，第二光电探测器6位于偏振光纤分束器4的监测分光口处。第一光电探测器5、第二光电探测器6分别将第一监测激光束、第二监测激光束进行光电转换形成控制信号并送入反馈控制模块7，反馈控制模块7将控制信号进行模数转换后形成信号处理结果并发送给温度调谐模块8，温度调谐模块8根据信号处理结果调节单模光纤2的环境温度。
本实施例中，单模光纤分束器1、单模光纤2的尾纤类型为HI1060，纤芯直径为6μm，包层直径为125μm，光纤偏振器3的型号为HB1060Z，偏振光纤分束器4中的光纤采用型号为PM980的保偏光纤，所述第一光电探测器5和第二光电探测器6均采用PIN光电二极管。
一种采用所述全光纤偏振稳定装置的稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：激光经单模光纤分束器分束，第一监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果A；
S2：第一主激光束经单模光纤传输，光纤偏振器起偏后，然后经偏振光纤分束器分束，第二主激光束向后续激光系统传输，第二监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果B；
S3：反馈控制模块控制温度调谐模块使单模光纤的环境温度从低向高遍历，记录整个遍历过程中信号处理结果比值B/A形成数据库，遍历过程结束后，从数据库中取出比值B/A的最大值的90％处对应的单模光纤环境温度T，将所述温度T作为温度调谐的基准，并控制温度调谐模块设定单模光纤的初始环境温度为T；
S4：实时监测比值B/A的变化，当比值B/A变化时，控制温度调谐模块改变单模光纤的环境温度使比值B/A稳定，从而保持激光偏振态的稳定。
所述比值B/A的最大值的90％为经验值，包括并不限制于90％。采用最大值的90％是为了当激光发生自身抖动导致能量注入偏低时，本发明有一定的余量进行向上调节。对于一般的单模光纤2，由于环境温度变化对单模光纤输出激光偏振态的影响主要表现在对线性双折射效应的影响上，并且线性双折射角和温度变化量呈线性关系，因此，当比值B/A增大时，调低环境温度，当比值B/A减小时，调高环境温度。
激光的偏振态稳定方法从本质上是通过调节激光的相位差来达到对偏振态的控制，由于光纤中传输的激光的偏振态一般变化比较缓慢，通过主动温度调谐的方式可以较好的稳定激光的偏振态，这种调节方法对光纤无直接应力挤压、弯曲，装置总体插入损耗较低。此外，本发明采用的主动温度调谐的方法可以抑制外界环境温度变化对激光偏振态的影响，采用实时反馈的控制模式可以进一步抑制激光自身的抖动。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种基于温度调谐的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，沿着激光传输方向依次包括：
单模光纤分束器，其将激光按比例分为第一主激光束和第一监测激光束；
单模光纤，其在温度调谐作用下改变第一主激光束的偏振态，形成特定方向偏振态的激光；
光纤偏振器，其透射特定方向偏振态的激光，并衰减与特定方向偏振态正交的激光；
偏振光纤分束器，其将特定方向偏振态的激光按比例分成第二主激光束和第二监测激光束，并保持激光的偏振态不变；
两个光电探测器，其将第一监测激光束、第二监测激光束进行光电转换形成控制信号并送入反馈控制模块，反馈控制模块将控制信号进行模数转换后形成信号处理结果并发送给温度调谐模块，温度调谐模块根据信号处理结果调节单模光纤的环境温度。
2.根据权利要求1所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述第一主激光束和第一监测激光束的分束比为99：1，所述第二主激光束和第二监测激光束的分束比为99：1。
3.根据权利要求1所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述单模光纤去除光纤涂覆层。
4.根据权利要求1所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述偏振光纤分束器中的光纤采用保偏光纤或单偏振光纤。
5.根据权利要求1所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述光电探测器采用PIN光电二极管。
6.根据权利要求2-5任一所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述单模光纤分束器、单模光纤的尾纤类型为HI1060，纤芯直径为6μm，包层直径为125μm。
7.根据权利要求6所述的全光纤偏振稳定装置，其特征在于，所述光纤偏振器采用单偏振光纤制成，所述单偏振光纤导通两个互为正交的偏振模式中的一个，而令另一个偏振模式截止。
8.一种采用如权利要求7所述的全光纤偏振稳定装置的稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：激光经单模光纤分束器分束，第一监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果A；
S2：第一主激光束经单模光纤传输，光纤偏振器起偏后，然后经偏振光纤分束器分束，第二主激光束向后续激光系统传输，第二监测激光束经光电转换，将激光的功率变化转化为光生电流变化，送入反馈控制模块，经模数转换后形成信号处理结果B；
S3：反馈控制模块控制温度调谐模块使单模光纤的环境温度从低向高遍历，记录整个遍历过程中信号处理结果比值B/A形成数据库，遍历过程结束后，从数据库中取出比值B/A的最大值的90％处对应的单模光纤环境温度T，将所述温度T作为温度调谐的基准，并控制温度调谐模块设定单模光纤的初始环境温度为T；
S4：实时监测比值B/A的变化，当比值B/A变化时，控制温度调谐模块改变单模光纤的环境温度使比值B/A稳定，从而保持激光偏振态的稳定。
9.根据权利要求8所述的稳定方法，其特征在于，步骤S3中，所述比值B/A的最大值的90％为经验值，包括并不限制于90％。
10.根据权利要求9所述的稳定方法，其特征在于，步骤S4中，当比值B/A增大时，调低环境温度，当比值B/A减小时，调高环境温度。
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