CN110932064A - 一种正交偏振模式选择输出光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，它包括泵浦激光器、光纤放大器、偏振控制器1、光纤环形器、保偏光纤、隔离器、偏振控制器2和光纤耦合器。本发明利用受激布里渊散射在保偏光纤中的偏振主轴方向的偏振牵引效应,以及受激布里渊散射的超窄增益带宽特性，实现了由保偏光纤构成的受激布里渊光纤激光器。通过设定泵浦光偏振态位置，实现两正交偏振模式的振荡选择。当泵浦光偏振态与保偏光纤快轴偏振态矢量之积为正时，激光器输出快轴方向的偏振态模式；两者之积为负时，激光器输出慢轴方向的偏振态模式；两者之积为零时，快慢轴方向的两正交偏振的激光等幅度同时独立振荡，实现窄带激光的偏振态退偏输出。偏振态的正交切换激光或正交偏振态等幅独立振荡的退偏激光的是解决偏振扰动和偏振相关问题的关键。

Description

一种正交偏振模式选择输出光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种正交偏振模式选择输出光纤激光器基于保偏光纤中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应，实现激光输出偏振态在两正交偏振模式之间任意选择或同时振荡。本发明可应用于解决光纤通信与光纤传感及检测系统中普遍存在的偏振损伤问题，属于光信息处理领域。
背景技术
光纤中的偏振随机扰动是长期困扰高码率光通信和光传感系统的问题。在光通信系统中表现为光的偏振色散、偏振损耗等效应，在光传感系统中则表现为由偏振扰动引起的偏振相位噪声和偏振衰落问题。偏振态可正交切换选择的激光或正交偏振态等幅独立振荡的退偏激光的是解决偏振扰动和偏振相关问题的主要方法。保偏光纤中受激布里渊散射偏振态定向牵引的物理机理，可极大拓展非线性偏振效应的研究空间，在偏振态非线性控制、SBS光子器件、光信息处理等领域具有广阔的应用前景，具有重要的科学意义。
激光偏振态的偏振正交切换主要是通过偏振态调制方法实现的，如光电光、磁光、压电陶瓷等调制方法。目前，退偏光的实现主要采用Lyot退偏方法和时间动态退偏方法。Lyot退偏器虽然结构简单，但受双折射晶体或光纤的长度限制，其退偏效应只对宽光谱光源有效，即被退偏光的相干长度很小，因此由Lyot退偏法实现的退偏光不能实现对窄谱光源进行退偏，不适用于光纤通信系统和干涉臂不等长的光纤传感系统。时间动态退偏虽然可适用于各种光谱宽度，但采用扰偏技术的系统中，需要对均匀遍历的偏振态的扫描测量进行时间平均，因此不适用于快速瞬态响应系统的实时测量。迄今为止，能够同时实现两正交偏振态任意选择单一输出，或同时输出的激光器还未见相应报道。
本发明内容基于保偏光纤中的受激布里渊散射的非线性轴向偏振牵引效应，即在保偏光纤中，受激布里渊散射的信号光在泵浦光作用下，其偏振态将向着保偏光纤主轴方向牵引，由此搭建了由保偏光纤构成的受激布里渊光纤激光器，通过设定泵浦光偏振态方向，实现两正交偏振模式的单独或同时振荡输出。当泵浦光偏振态与保偏光纤快轴偏振态矢量之积为正时，激光器输出快轴方向的偏振态模式；两者之积为负时，激光器输出慢轴方向的偏振态模式；两者之积为零时，快慢轴方向的两正交偏振的激光等幅度同时独立振荡，实现窄带激光的偏振态退偏输出。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，基于受激布里渊散射在保偏光纤中的轴向偏振牵引效应的物理机理，提出一种由正交偏振模式选择输出光纤激光器。该激光器通过设定输入泵浦光偏振态位置，实现两正交输出激光偏振模式的选择振荡。当泵浦光偏振态与保偏光纤快轴偏振态矢量之积为正时，激光器输出快轴方向的偏振态模式；两者之积为负时，激光器输出慢轴方向的偏振态模式；两者之积为零时，快慢轴方向的两正交偏振的激光等幅度同时独立振荡，实现窄带退偏激光输出。当泵浦光偏振态沿着与保偏光纤主轴夹角为45度的方向注入，并且输入光功率超过SBS阈值和激光器起振阈值时，激光腔内沿保偏光纤主轴方向的正交偏振模式开始激振，两正交激振光等振幅且独立，因此输出的合成激光为退偏激光。由于SBS增益的超窄带宽，因此本发明可以实现超窄带宽的退偏激光输出。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
所述一种正交偏振模式选择切换输出的光纤激光器，如图1所示，包括泵浦激光器、光纤放大器、偏振控制器1、三端口光纤环形器、保偏光纤、隔离器、偏振控制器2、光纤耦合器构成。其特征在于所述泵浦激光器经光纤放大器和偏振控制器1连接光纤环形器的1端口，光纤环形器的2端口经保偏光纤、隔离器、偏振控制器2和光纤耦合器连接光纤环形器的3端口，经光纤耦合器输出；工作原理：由三端口光纤环形器、保偏光纤、光纤耦合器构成激光谐振腔；泵浦光由光纤环形器进入激光谐振腔，当泵浦光光功率大于激光起振阈值后，通过改变输入泵浦光的偏振态，可控制激光器的输出激光在保偏光纤的两主轴偏振模式间切换与选择。
所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其激光输出的偏振切换是基于保偏光纤中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应。输出激光的偏振态由泵浦光偏振态(Stokes矢量
Figure BDA0002263627570000021
)与保偏光纤偏振矢量
Figure BDA0002263627570000022
的相对位置决定，输出激光偏振态位于
Figure BDA0002263627570000023
即通过改变泵浦光偏振态与保偏光纤主轴偏振态的相对位置，可精确选择在正交的偏振态
Figure BDA0002263627570000024
或
Figure BDA0002263627570000025
上的输出激光。
所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，设置泵浦光强度，使其满足在
Figure BDA0002263627570000026
时，光纤激光器谐振腔内的受激布里渊增益等于光纤腔内损耗，泵浦光偏振态可在所有
Figure BDA0002263627570000027
范围实现对激光输出偏振态的切换的调节。
所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，当泵浦光偏振态满足
Figure BDA0002263627570000028
时，激光器同时输出两个等幅度的正交偏振模式，实现超窄带退偏激光输出。
所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，通过调节泵浦光强度，可实现激光器只在泵浦光偏振态的
Figure BDA0002263627570000029
邻域内有激光振荡输出，从而实现对泵浦光的正交偏振态滤波。
所述的一种偏振态正交切换输出光纤激光器，当光纤激光器谐振腔内的受激布里渊增益大于等于光纤腔内损耗,随着输入泵浦光光强的增加，激光器同时输出两个等幅度的正交偏振模式的区域变大。两个正交偏振光随着
Figure BDA00022636275700000210
的变化同时产生不同强度的激光，输出不同退偏度的激光。
本发明的原理如下
理论推导得到保偏光纤中受激布里渊散射效应的信号光偏振态的演进方程为：
Figure BDA0002263627570000031
其中
Figure BDA0002263627570000032
为保偏光纤的归一化偏振矢量，
Figure BDA0002263627570000033
为信号光的Stokes偏振态矢量。
Figure BDA0002263627570000034
为入射泵浦光偏振态，
Figure BDA00022636275700000319
为入射泵浦光功率。并由此得到信号光增益为：
Figure BDA0002263627570000035
公式(1)表明对任意输入信号光，其偏振态将向着
Figure BDA0002263627570000036
方向牵引；公式(2)表明对任意泵浦偏振态
Figure BDA0002263627570000037
信号光的最大增益发生在
Figure BDA0002263627570000038
偏振态处，最小增益发生在
Figure BDA0002263627570000039
偏振态处，两偏振态正交，最大最小增益分别为：
Figure BDA00022636275700000310
对泵浦偏振态
Figure BDA00022636275700000311
时，信号光最大增益和最小增益相等，即
Figure BDA00022636275700000312
因此对腔内损耗为αdB，耦合器输出耦合率为K的激光谐振腔，通过设定泵浦光功率使其满足：
Figure BDA00022636275700000313
则可得到激光器在
Figure BDA00022636275700000314
时，激光器将振荡在最大增益偏振模式
Figure BDA00022636275700000315
上，泵浦光功率满足：
Figure BDA00022636275700000316
且
Figure BDA00022636275700000317
时，激光器的将同时等幅激励起
Figure BDA00022636275700000318
偏振模式。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
(1)本发明是基于发明人在理论上发现并实验上证明的受激布里渊散射效应中线保偏光纤具有确定的轴向偏振牵引效应提出的。
(2)本发明提出的正交偏振模式任意选择输出光纤激光器，通过调节泵浦光偏振态，可实现输出激光在两正交偏振态之间切换或同时输出：或选择两正交偏振模式之一全偏振光输出，或选择两正交偏振模式等幅振荡的窄带退偏激光输出。
(3)不同于现有的空间完全退偏只适用于宽带光源和时间动态退偏难以应用于快速响应系统的实时测量，本发明提出的正交偏振模式任意选择输出光纤激光器，选择两正交偏振模式等幅振荡的窄带退偏激光输出，可应用于窄带光源和快速响应的系统。
附图说明
图1是本发明正交偏振模式选择输出的光纤激光器的结构框图。
图2是本发明针对任意输入泵浦光偏振态，对应激光器输出激光偏振态的正交偏振(a)与退偏输出(b)。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，本正交偏振模式选择输出光纤激光器，包括泵浦激光器(1)、光纤放大器(2)、偏振控制器1(3)、光纤环形器(4)、保偏光纤(5)、隔离器(6)、偏振控制器2(7)和光纤耦合器(8)，其特征在于所述泵浦激光器(1)经光纤放大器(2)和偏振控制器1(3)连接光纤环形器(4)的1端口，光纤环形器(4)的2端口经保偏光纤(5)、隔离器(6)、偏振控制器2(7)和光纤耦合器(8)连接光纤环形器(4)的3端口，经光纤耦合器(8)输出；工作原理：由三端口光纤环形器(4)、保偏光纤(5)、光纤耦合器(8)构成激光谐振腔(9)；泵浦光由光纤环形器(4)进入激光谐振腔(9)，当泵浦光光功率大于激光起振阈值后，通过改变输入泵浦光的偏振态，可控制激光器的输出激光在保偏光纤(5)的两主轴偏振模式间切换与选择。
实施例二：
本实验例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，激光输出的偏振态切换是基于保偏光纤(5)中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应，输出激光的偏振态由泵浦光偏振态(Stokes矢量
Figure BDA0002263627570000041
)与保偏光纤偏振矢量
Figure BDA0002263627570000042
的相对位置决定，输出激光偏振态位于
Figure BDA0002263627570000043
即通过改变泵浦光偏振态与保偏光纤主轴偏振态的相对位置，可精确选择在正交的偏振态
Figure BDA0002263627570000044
或
Figure BDA0002263627570000045
上的输出激光。所述一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，设置泵浦光强度，使其满足在
Figure BDA0002263627570000046
时，激光谐振腔(9)内的受激布里渊增益等于谐振腔内损耗，则泵浦光偏振态可在所有
Figure BDA0002263627570000047
范围实现对激光输出偏振态切换的调节。所述一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，泵浦光偏振态满足
Figure BDA0002263627570000048
时，激光器同时输出两个等幅度的正交偏振模式，实现超窄带退偏激光输出。所述一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，调节输入泵浦光强度，可实现激光器只在
Figure BDA0002263627570000049
的邻域内振荡输出，从而实现对泵浦光的正交偏振态滤波。所述一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，当激光谐振腔(9)内的受激布里渊增益大于等于谐振腔内损耗，高的输入泵浦光强度，使超窄带退偏激光输出的区域增大。两个正交偏振光随着
Figure BDA00022636275700000410
的变化同时产生不同强度的激光，输出不同退偏度的激光。
实施例三：
(一)激光器的系统实现
参见图1。具体方法是：泵浦光(1)首先由经过光放大器(2)得到需要的泵浦功率；再经过偏振控制器(3)，调节输入光的偏振状态，以测试本发明正交偏振模式的切换。泵浦光由一般单模光纤环形器(4)进入谐振腔中的保偏光纤(5)，为保证谐振腔单纵模工作，参考受激布里渊谱宽(半功率谱宽约为20MHz)，保偏光纤(5)的长度约取10-30m。光纤隔离器(6)保证受激布里渊散射效应发生在保偏光纤中。激光沿逆时针方向振荡，偏振控制器(7)用于调节腔内偏振态，实现谐振腔内的偏振态自洽，光纤耦合器(8)的输出耦合率可设为1％～5％，以获得较高谐振腔Q值，并降低泵浦光功率阈值。
(二)激光器输出正交偏振模式的选择实现
调节偏振控制器1，利用偏振分析仪对输出激光进行检测，可检测到本发明所述正交偏振模式输出可选的光纤激光器系统中，改变泵浦光偏振态对激光输出偏振态的选择。图2(a)为利用扰偏器设置入射泵浦光的偏振态在庞家球上均匀遍历分布。图2(b)为对应的激光器输出偏振态。调节入射泵浦光到合适的光强时，对应的所有入射泵浦光偏振态，激光器的输出偏振态为的全偏振激光；对应时，输出偏振态为的全偏振激光；而对应的入射泵浦偏振态，则输出偏振态位于庞家球球心的完全退偏光。

Claims (6)

1.一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，包括泵浦激光器（1）、光纤放大器（2）、偏振控制器1（3）、光纤环形器（4）、保偏光纤（5）、隔离器（6）、偏振控制器2（7）和光纤耦合器（8），其特征在于所述泵浦激光器（1）经光纤放大器（2）和偏振控制器1（3）连接光纤环形器（4）的1端口，光纤环形器（4）的2端口经保偏光纤（5）、隔离器（6）、偏振控制器2（7）和光纤耦合器（8）连接光纤环形器（4）的3端口，经光纤耦合器（8）输出；工作原理：由三端口光纤环形器（4）、保偏光纤（5）、光纤耦合器（8）构成激光谐振腔（9）；泵浦光由光纤环形器（4）进入激光谐振腔（9），当泵浦光光功率大于激光起振阈值后，通过改变输入泵浦光的偏振态，可控制激光器的输出激光在保偏光纤（5）的两主轴偏振模式间切换与选择。
2.根据权利要求1所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其特征在于：激光输出的偏振态切换是基于保偏光纤（5）中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应，输出激光的偏振态由泵浦光偏振态（Stokes矢量）与保偏光纤偏振矢量的相对位置决定，输出激光偏振态位于，即通过改变泵浦光偏振态与保偏光纤主轴偏振态的相对位置，可精确选择在正交的偏振态或上的输出激光。
3.根据权利要求1所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其特征在于：设置泵浦光强度，使其满足在=0时，激光谐振腔（9）内的受激布里渊增益等于谐振腔内损耗，则泵浦光偏振态可在所有范围实现对激光输出偏振态切换的调节。
4.根据权利要求1所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其特征在于：泵浦光偏振态满足时，激光器同时输出两个等幅度的正交偏振模式，实现超窄带退偏激光输出。
5.根据权利要求1所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其特征在于：调节输入泵浦光强度，可实现激光器只在的邻域内振荡输出，从而实现对泵浦光的正交偏振态滤波。
6.根据权利要求1所述的一种正交偏振模式选择输出光纤激光器，其特征在于：当激光谐振腔（9）内的受激布里渊增益大于等于谐振腔内损耗，高的输入泵浦光强度，使超窄带退偏激光输出的区域增大，两个正交偏振光随着的变化同时产生不同强度的激光，输出不同退偏度的激光。
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