CN114512888A - 一种窄带退偏激光系统 - Google Patents

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CN114512888A CN202210001221.5A CN202210001221A CN114512888A CN 114512888 A CN114512888 A CN 114512888A CN 202210001221 A CN202210001221 A CN 202210001221A CN 114512888 A CN114512888 A CN 114512888A
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吴科帅
宁金星
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Abstract

本发明公开了一种窄带退偏激光系统，利用受激布里渊散射偏振牵引效应在保偏光纤中的轴向确定性，并结合SBS窄带增益谱特性，构建两路保偏光纤布里渊随机激光系统，产生两路独立振荡、等功率、等振荡波长且偏振态严格钳位于保偏光纤主轴的布里渊随机激光，进而对两路激光进行偏振正交合波，实现完全退偏的窄带退偏激光，无需一般窄带退偏技术中对超长延迟路径的要求。

Description

一种窄带退偏激光系统
技术领域
本发明涉及一种窄带退偏激光系统，应用于光纤通信与光纤传感系统，属于光信息处理领域。
背景技术
光纤中波导和材料各向异性引起的随机双折射导致光纤通信和传感测量系统中普遍存在偏振损伤问题，包括偏振衰落、偏振相位噪声、偏振模色散，以及偏振相关损耗/增益等。因此，解决上述偏振相关问题的偏振控制技术是光纤通信和传感系统中必不可少的关键技术。偏振控制技术主要分类为：全光路保偏、偏振反馈控制、偏振分集接收、偏振扰动退偏、以及全退偏振光技术。
其中全光路保偏技术主要采用保偏/保圆光纤来维持系统中光路全程单一偏振态传播。因此系统对入射光偏振态的准直及光纤的盘绕放置要求极其严格，以避免传输光偏振态偏离主轴。偏振反馈控制技术通过实时监测系统输出端偏振态，反馈控制调节入射端偏振态，该方法属于光电控制方法，且不适合于长距离光纤系统。偏振分集接收技术则是通过在接收端分别接收多个偏振方向的干涉光分量，通过选优或求和处理，降低偏振衰落的影响。偏振分集检测虽可缓解但并不能消除偏振波动的影响，并且在相干检测中极易引入相位跳变失真。扰偏技术本质上是对光源偏振态进行高速均匀遍历或正交偏振切换调制，使得光偏振态随时间快速变化，其瞬时偏振度DOP＝1，而时间平均偏振度<DOP>＝0。扰偏技术可适应于各种光谱宽度的光源。但是采用扰偏技术的测量系统中，需要对均匀遍历偏振态的扫描测量结果进行时间平均，因此扰偏技术会降低系统的测量速度，难以应用于快速瞬态响应系统的实时测量。完全退偏光是将光进行等光强正交偏振分离，并通过足够延迟使两者不再相干后形成退偏光，偏振度DOP＝0。主要技术方案有：采用保偏光纤的Lyot退偏技术，光纤偏振分离法、以及级联光纤环方法等。由于光的相干长度与其谱宽成反比，因此现有的退偏技术仅适用于宽带光源的退偏，而对窄带光源，由于其对超长延迟路径的要求会导致退偏器体积庞大且工作稳定性差。
发明内容
针对现有退偏技术和其它偏振控制技术的不足与缺陷，本发明提供一种窄带退偏激光系统，基于前期研究中发现的受激布里渊散射(StimulatedBrillouin Scattering，SBS)偏振牵引效应在保偏光纤中的轴向确定性，并结合SBS窄带增益谱特性，构建两路保偏光纤布里渊随机激光系统，产生两路独立振荡、等功率、等振荡波长且偏振态严格钳位于保偏光纤主轴的布里渊随机激光，进而对两路激光进行偏振正交合波，实现完全退偏的窄带退偏激光。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种窄带退偏激光系统，包括泵浦光源、掺铒光纤放大器、单模光纤偏振控制器、第一保偏光纤耦合器、第一保偏光纤环形器、第一保偏光纤、第一光纤隔离器、第二保偏光纤环形器、第二保偏光纤、第二光纤隔离器、以及第二保偏光纤耦合器；其中第一保偏光纤耦合器的②端口与第一保偏光纤环形器的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤环形器的②端口和第一保偏光纤主轴平行匹配连接，第一保偏光纤的后端连接第一光纤隔离器；第一保偏光纤环形器的③端口和第二保偏光纤耦合器的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤耦合器的③端口与第二保偏光纤环形器的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第二保偏光纤环形器的②端口和第二保偏光纤主轴平行匹配连接，第二保偏光纤的后端连接第二光纤隔离器；第二保偏光纤环形器的③端口与第二保偏光纤耦合器的②端口的保偏光纤主轴垂直匹配连接；其中第一保偏光纤环形器和第二保偏光纤环形器参数一致，第一保偏光纤和第二保偏光纤为等长度同一批次保偏光纤。
由泵浦光源发出的泵浦光经掺铒光纤放大器放大后，进入单模光纤偏振控制器，调节泵浦光偏振态使其偏振态与第一保偏光纤耦合器的①端口光纤主轴准直，进入第一保偏光纤耦合器，等光强分为两路，分别由第一保偏光纤耦合器的②端口和③端口输出。
第一保偏光纤耦合器的②端口输出的泵浦光分量，由第一保偏环形器①端口进入，第一保偏环形器②端口输出进入第一保偏光纤，在由第一保偏光纤构成的布里渊随机激光腔内，产生与泵浦光传播方向反向的随机激光，并由第一保偏环形器③端口输出，输出的随机激光偏振态钳位于泵浦光偏振态靠近的保偏光纤主轴。
第一保偏光纤耦合器③端口输出的泵浦光分量，由第二保偏环形器①端口进入，第二保偏环形器②端口输出进入第二保偏光纤，在由第二保偏光纤构成的布里渊随机激光腔内，产生与泵浦光传播方向反向的随机激光，并由第二保偏环形器③端口输出，输出的随机激光偏振态钳位于泵浦光偏振态靠近的保偏光纤主轴。
由第一保偏环形器输出的随机激光和由第二保偏环形器输出的随机激光分别经由第二保偏光纤耦合器的①端口实现偏振态平行耦合和②端口偏振态垂直耦合进入第二保偏光纤耦合器，两路光偏振正交合波后，由第二保偏光纤耦合器的③端口输出窄带退偏激光。
进一步地，退偏光由两路独立振荡且参数一致性良好的保偏光纤布里渊随机激光的偏振正交合波实现。
进一步地，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的偏振态由泵浦光偏振态，Stokes矢量
Figure BDA0003454199720000031
与保偏光纤偏振矢量
Figure BDA0003454199720000032
的相对位置决定，输出随机激光偏振态被严格钳位于
Figure BDA0003454199720000033
进一步地，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的振荡频率由保偏光纤的布里渊频移决定，两个随机激光的振荡频率的一致性要求第一保偏光纤和第二保偏光纤具有良好的一致性，由同一批次的长度相同的保偏光纤构成。
进一步地，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的输出功率一致性要求第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器分光比皆为1:1，第一保偏光纤环形器和第二保偏光纤环形器的参数一致；两路保偏光纤随机谐振腔中的布里渊增益与泵浦光偏振态位置有关，由公式：
Figure BDA0003454199720000034
决定，其中r0为保偏光纤受激布里渊效应增益系数，单位：km-1mW-1；Ip0表示进入第一或第二保偏光纤的入射泵浦功率，单位：mW，L为第一或第二保偏光纤长度，单位：km。
进一步地，两路随机激光输出偏振态钳位是基于保偏光纤中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应；输出激光偏振态不直接由泵浦光偏振态决定，系统对泵浦光偏振态的主轴准直要求宽松。
进一步地，系统工作条件由公式
Figure BDA0003454199720000035
决定，其中R表示保偏光纤中瑞利分布散射的等效反射率，K表示由保偏光纤构成的随机谐振腔总传输率，α表示保偏光纤中的传输损耗，单位：km-1。
本发明的原理如下：
在不考虑泵浦耗尽的情况下，可以推导出第一或第二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 BDA0003454199720000036
Figure BDA0003454199720000037
其中Is为布里渊随机激光功率，r0为保偏光纤受激布里渊效应增益系数(单位：km-1mW-1)，
Figure BDA0003454199720000038
为保偏光纤的归一化偏振矢量，
Figure BDA0003454199720000039
为随机激光信号的Stokes偏振态矢量。
Figure BDA00034541997200000310
为入射泵浦光偏振态，
Figure BDA00034541997200000311
为入射泵浦光功率。并由此得到沿主轴振荡的随机激光SBS增益为：
Figure BDA0003454199720000041
公式(2)表明对任意输入信号光，其偏振态将向着
Figure BDA0003454199720000042
方向牵引。公式(3)表明对任意泵浦偏振态
Figure BDA0003454199720000043
SBS最大增益发生在
Figure BDA0003454199720000044
处。因此系统中，如果入射泵浦光偏振态沿主轴注入，保偏光纤随机谐振腔中的SBS增益最大。
在保偏光纤随机谐振腔中，反向的受激布里渊散射和受激布里渊散射光的正向分布瑞利散射构成了布里渊-瑞丽随机谐振腔。当腔内SBS增益和损耗达到平衡时，开始产生激光输出，既满足公式(4)：
Figure BDA0003454199720000045
其中R表示保偏光纤中的瑞利分布散射的等效反射系数，K表示随机谐振腔中总的传输率，α表示保偏光纤中的传输损耗(单位：km-1)，I表示在主轴振荡模式下，腔内的随机激光的平均功率(单位：mW)，Isat表示受激布里渊散射阈值功率(单位：mW)。
进一步地可以从公式(4)推导出保偏光纤随机谐振腔在主轴振荡模式下的阈值功率为：
Figure BDA0003454199720000046
因此可得，退偏激光系统单主轴偏振模式时的泵浦工作条件为：
Figure BDA0003454199720000047
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保偏光纤具有确定的轴向偏振牵引效应提出的，其中牵引力的方向取决于
Figure BDA0003454199720000048
的符号，牵引力的大小与
Figure BDA0003454199720000049
保偏光纤长度、入射泵浦光功率正比。基于保偏光纤的SBS轴向偏振效应，可实现输出偏振态严格钳位于保偏光纤主轴的随机激光输出。
2)本发明提出的窄带退偏光，借助于受激布里渊散射效应的超窄带布里渊增益，由两路独立振荡的一致性良好的布里渊随机激光的偏振正交合波实现，无需一般窄带退偏技术中对超长延迟路径的要求。
附图说明
图1是本发明一种窄带退偏激光系统的实现框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，一种窄带退偏激光系统，包括泵浦光源1、掺铒光纤放大器2、单模光纤偏振控制器3、第一保偏光纤耦合器4、第一保偏光纤环形器5、第一保偏光纤6、第一光纤隔离器7、第二保偏光纤环形器8、第二保偏光纤9、第二光纤隔离器10、以及第二保偏光纤耦合器11；其中第一保偏光纤耦合器4的②端口与第一保偏光纤环形器5的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤环形器5的②端口和第一保偏光纤6主轴平行匹配连接，第一保偏光纤6的后端连接第一光纤隔离器7；第一保偏光纤环形器5的③端口和第二保偏光纤耦合器11的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤耦合器4的③端口与第二保偏光纤环形器8的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第二保偏光纤环形器8的②端口和第二保偏光纤9主轴平行匹配连接，第二保偏光纤9的后端连接第二光纤隔离器10；第二保偏光纤环形器8的③端口与第二保偏光纤耦合器11的②端口的保偏光纤主轴垂直匹配连接；其中第一保偏光纤环形器5和第二保偏光纤环形器8参数一致，第一保偏光纤6和第二保偏光纤9为等长度同一批次保偏光纤。第一保偏光纤耦合器4、第二保偏光纤耦合器11分光比皆为1:1。
第一保偏光纤环形器5和第一保偏光纤6构成一个保偏光纤布里渊-瑞利随机谐振腔；第二保偏光纤环形器8和第二保偏光纤9构成一个保偏光纤布里渊-瑞利随机谐振腔。通过挑选参数一致的第一和第二保偏光纤环形器，采用同一批次等长度的保偏光纤作为第一和第二保偏光纤，可实现参数一致的布里渊-瑞利随机谐振腔。
窄带退偏激光的产生过程如下：
由泵浦光源1发出的泵浦光经掺铒光纤放大器2放大后，进入单模光纤偏振控制器3，调节泵浦光偏振态使其偏振态与第一保偏光纤耦合器4的①端口保偏光纤的某个主轴准直，进入第一保偏光纤耦合器4，由第一保偏光纤耦合器4等光强分为两路，分别由第一保偏光纤耦合器4的②端口和③端口输出。
第一保偏光纤耦合器4的②端口输出的泵浦光分量，由第一保偏光纤环形器5的①端口进入，由第一保偏光纤环形器5的②端口输出进入第一保偏光纤6，在由第一保偏光纤6构成的布里渊-瑞利随机激光腔内，产生与泵浦光传播方向反向的随机激光，并由第一保偏光纤环形器5的③端口输出，输出的随机激光偏振态钳位于泵浦光偏振态靠近的保偏光纤主轴，即
Figure BDA0003454199720000051
第一保偏光纤耦合器4的③端口输出的泵浦光分量，由第二保偏光纤环形器8的①端口进入，由第二保偏光纤环形器8的②端口输出进入第二保偏光纤9，在由第二保偏光纤9构成的布里渊-瑞利随机激光腔内，产生与泵浦光传播方向反向的随机激光，并由第二保偏光纤环形器8的③端口输出，输出的随机激光偏振态钳位于泵浦光偏振态靠近的保偏光纤主轴，即
Figure BDA0003454199720000061
由第一保偏光纤环形器5输出的随机激光和由第二保偏光纤环形器8输出的随机激光分别经由第二保偏光纤耦合器11的①端口实现偏振态平行耦合和②端口偏振态垂直耦合进入第二保偏光纤耦合器11，偏振正交合波后由第二保偏光纤耦合器11的③端口输出窄带退偏激光，输出激光偏振度为：
Figure BDA0003454199720000062
其中，I随机1和I随机2分别为两路独立振荡的布里渊随机激光输出光强。当两路布里渊-瑞利随机谐振腔参数一致时，I随机1＝I随机2，可实现DOP＝0的激光输出。
产生的窄带退偏激光的特点如下：
由第一和第二保偏光纤环形器的③端口输出的两路随机激光的偏振态的一致性由入射泵浦光偏振态
Figure BDA0003454199720000063
与保偏光纤偏振矢量
Figure BDA0003454199720000064
的相对位置决定，因此输出随机激光偏振态都被严格钳位于
Figure BDA0003454199720000065
由第一和第二保偏光纤环形器的③端口输出的两路随机激光的振荡频率由保偏光纤的布里渊频移决定，因此选择同一批次且长度相等的第一和第二保偏光纤，可保证两者输出振荡波长的窄带和一致性。
由第一和第二保偏光纤环形器的③端口输出的两路随机激光的输出光纤的一致性，可通过选择传输特性一致的第一和第二保偏光纤耦合器、参数一致的第一和第二保偏光纤环形器，以及同批次等长度的第一和第二保偏光纤，实现性能一致的保偏光纤布里渊-瑞利随机激光腔。
系统输出窄带退偏光时，泵浦光的工作条件需要满足以下关系：
Figure BDA0003454199720000066
其中r0为保偏光纤受激布里渊效应增益系数(单位：km-1mW-1)，L为第一或第二保偏光纤长度(单位：km)，R表示保偏光纤中瑞利分布散射的等效反射率，K表示由保偏光纤构成的随机谐振腔总传输率，α表示保偏光纤中的传输损耗(单位：km-1)，Ip0表示进入第一或第二保偏光纤的入射泵浦功率(单位：mW)。
此外，由于两路随机激光输出偏振态钳位是基于保偏光纤中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应，输出激光偏振态不直接由泵浦光偏振态
Figure BDA0003454199720000071
决定，因此系统对泵浦光偏振态的主轴准直要求宽松，即入射泵浦光偏离主轴，理论上只要
Figure BDA0003454199720000072
都能实现退偏激光输出。但由于随机腔内的SBS增益与
Figure BDA0003454199720000073
成正比，一般而言入射泵浦光偏振态在保偏光纤主轴附近即可降低系统工作阈值，又可保证系统工作具有最大动态范围。

Claims (7)

1.一种窄带退偏激光系统，其特征在于，包括泵浦光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、单模光纤偏振控制器(3)、第一保偏光纤耦合器(4)、第一保偏光纤环形器(5)、第一保偏光纤(6)、第一光纤隔离器(7)、第二保偏光纤环形器(8)、第二保偏光纤(9)、第二光纤隔离器(10)、以及第二保偏光纤耦合器(11)；其中第一保偏光纤耦合器(4)的②端口与第一保偏光纤环形器(5)的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤环形器(5)的②端口和第一保偏光纤(6)主轴平行匹配连接，第一保偏光纤(6)的后端连接第一光纤隔离器(7)；第一保偏光纤环形器(5)的③端口和第二保偏光纤耦合器(11)的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第一保偏光纤耦合器(4)的③端口与第二保偏光纤环形器(8)的①端口的保偏光纤主轴平行匹配连接；第二保偏光纤环形器(8)的②端口和第二保偏光纤(9)主轴平行匹配连接，第二保偏光纤(9)的后端连接第二光纤隔离器(10)；第二保偏光纤环形器(8)的③端口与第二保偏光纤耦合器(11)的②端口的保偏光纤主轴垂直匹配连接；其中第一保偏光纤环形器(5)和第二保偏光纤环形器(8)参数一致，第一保偏光纤(6)和第二保偏光纤(9)为等长度同一批次保偏光纤。
2.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，退偏光由两路独立振荡且参数一致性良好的保偏光纤布里渊随机激光的偏振正交合波实现。
3.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的偏振态由泵浦光偏振态，Stokes矢量
Figure FDA0003454199710000011
与保偏光纤偏振矢量
Figure FDA0003454199710000012
的相对位置决定，输出随机激光偏振态被严格钳位于
Figure FDA0003454199710000013
4.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的振荡频率由保偏光纤的布里渊频移决定，两个随机激光的振荡频率的一致性要求第一保偏光纤和第二保偏光纤具有良好的一致性，由同一批次的长度相同的保偏光纤构成。
5.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，两路保偏光纤随机谐振腔产生的随机激光的输出功率一致性要求第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器分光比皆为1:1，第一保偏光纤环形器和第二保偏光纤环形器的参数一致；两路保偏光纤随机谐振腔中的布里渊增益与泵浦光偏振态位置有关，由公式：
Figure FDA0003454199710000014
决定，其中r0为保偏光纤受激布里渊效应增益系数，单位：km-1mW-1；Ip0表示进入第一或第二保偏光纤的入射泵浦功率，单位：mW，L为第一或第二保偏光纤长度，单位：km。
6.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，两路随机激光输出偏振态钳位是基于保偏光纤中受激布里渊散射的轴向偏振牵引效应；输出激光偏振态不直接由泵浦光偏振态决定，系统对泵浦光偏振态的主轴准直要求宽松。
7.根据权利要求1所述的一种窄带退偏激光系统，其特征在于，系统工作条件由公式
Figure FDA0003454199710000021
决定，其中R表示保偏光纤中瑞利分布散射的等效反射率，K表示由保偏光纤构成的随机谐振腔总传输率，α表示保偏光纤中的传输损耗，单位：km-1。
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