CN1179546A - 偏振超荧光光纤光源 - Google Patents

Abstract

一种超荧光光纤光源在不显著降低输出功率效率的情况下输出高度偏振的光。按照一个实施例,偏振器镶接在超荧光光纤内沿光纤长度方向的选定的位置(例如,接近光纤中点)上。按照另一个实施例,超荧光光纤的整个长度都是偏振的,以保证光的一种偏振基本上被消除,而光的另一种偏振的功率接近超荧光光纤内无偏振器时该偏振所具有的功率的两倍。用这样的方法可以使超荧光光源特别适用于光纤陀螺仪等,后者需要在不显著降低效率的情况下高度偏振的光。

Description

偏振超荧光光纤光源

本发明涉及构造成起超荧光光源作用的光纤。

在本专业中，超荧光光纤光源(SFS)已广为人知，并得到有益的应用，为众多应用场合提供宽带(例如，10-30毫微米数量级)类激光(高度方向性)的光束。例如，图1表示一种超荧光光纤光源10，它向光纤陀螺仪20提供激光输入信号。关于作为实例的超荧光光纤光源的描述，请参见文章“铒掺杂单模光纤中自发发射的放大”EmmanuelDesuvrie及J.R.Simpson著，发表于IEEE”Journel of LightwareTechnology”，Vol.7，No.5，May 1989。

超荧光光纤光源一般包括一段单模光纤，其纤芯用三价稀土元素离子掺杂。例如，钕(Nd³⁺)和铒(Er³⁺)是可以用来掺杂单模光纤纤芯、使得纤芯起激光介质的作用的稀土元素。该光纤一端接收泵输入信号。泵输入信号一般是具有特定波长λ_p的激光信号。光纤纤芯内的离子吸收波长λ_p的输入激光辐射，使得这些离子的外层电子被激发到离子的高能状态。当足够的泵功率输入到光纤一端，建立粒子数反转(亦即，离子中处于激发状态的电子比处于基态的电子多)，在两个方向上沿着光纤的长度积累起大量的荧光。如所周知，荧光(亦即，不同波长λ_s的光子辐射)是由于电子自发地从激发状态返回基态，使得波长λ_s的光子在从激发状态向基态过渡的过程中辐射出来。从光纤辐射出来的波长λ_s的光，像传统激光一样，是高度方向性的光。但是，这种辐射的使它不同于传统激光器(亦即，装有光学谐振器的激光器)的光的主要特性是，从超荧光光纤光源辐射的光，光谱一般都非常宽(在1nm与30nm之间)。这样，该光纤的光信号输出一般波长在λ_s±15nm处。这个原理在激光物理上是众所周知的，并在试验上和在理论上，对钕掺杂和铒掺杂光纤和用其他稀土元素掺杂的光纤进行了数年的研究。

超荧光光纤光源发射的光有许多用途。例如，在一种应用中，超荧光光纤光源的输出被送入光纤陀螺仪(例如，图1的陀螺仪20)。由于本专业的技术人员都熟知的原因，光纤陀螺仪的运行需要宽带光源。在已知现存的几种宽带光源中，超荧光光纤光源，尤其是用铒掺杂光纤制成的超荧光光纤光源，是到目前为止唯一的一种能够满足光纤陀螺仪严格要求的光纤光源。铒掺杂光纤光源产生的光的宽的带宽，加上铒掺杂光纤光源低的泵功率要求和优异波长稳定性，是这种光源被应用于光纤陀螺仪的首要原因。

在铒掺杂光纤中，超荧光光纤光源的发射是双向的。在两个方向上，这种光都有强烈的非偏振性。就是说，在两个方向上，光的垂直偏振和平行偏振都具有相同的振幅。

超荧光光纤光源一般都用两种配置中的一种实现。在第一种被称为一次通过式超荧光光纤光源的配置中，该超荧光光纤光源的输出功率在两个方向上发射，其中的一个被使用。在第二种被称为二次通过式  超荧光光纤光源的配置中，在光纤的一端放置分色反射镜，它让泵通过，但强烈地反射超荧光光源信号，使得超荧光信号被送回，二次通过光纤。因为光纤在信号波长上表现出增益，所以信号被放大。这种配置的优点是产生的信号较强。一种二次通过式超荧光光源配置也是只在一个端口(亦即，一个方向)上产生输出。采用这种配置的缺点是，二次通过式超荧光光源受外部干扰，波长稳定性较差。尤其是，二次通过式超荧光光源输出的信号光波长对光纤陀螺仪的光学反馈比较敏感。

当把超荧光光源作为光纤陀螺仪的输入时碰到的另一个困难是，在耦合到光纤陀螺仪之后，超荧光信号遇到的第一个组件是偏振器。进入光环路之前光线需要偏振的原因是，由于本专业的技术人员熟知的原因，光纤陀螺仪要求光是单一偏振的。由于从超荧光光纤光源发出的光在很大程度上是非偏搌的，所以，大体上有50％的信号功率损失在偏振器上。

按照本发明的最佳实施例，提供一种偏振的超荧光光纤光源。偏振光源输出的光基本上是单偏振模式的，其总功率基本上与传统超荧光光纤光源在两个偏振模式上输出的总和相同。该最佳实施例的优点是通过在沿着光纤的特定位置放置偏振器或利用偏振光纤而获得的。在本发明的特定的最佳实施例中，除偏振器外还可以使用隔离器，以提供波长特性稳定的偏振单向光源。

按照第一方面，最佳实施例是一种超荧光光源，它包括具有第一端和第二端的光传播波导，泵光源在波导一端提供第一波长的泵信号，以便在波导内激发具有不同于第一波长的第二波长的光发射。偏振器放置在沿波导的一个位置上，以使显著增大来自波导第一和第二端中的一端的最佳偏振的光发射。

在特定的最佳实施例中，光传播波导包括光纤和镶接在光纤内的偏振器。另外，光纤是铒掺杂的。泵光源最好在约1.48微米的波长上发射光，而从波导发射出来的光具有约1.53微米的波长。

按照另一个最佳实施例，偏振器具有大于15分贝消光率，而最佳偏振损耗小于1分贝。

在再另一个最佳实施例中，偏振器放置在从波导第一端开始沿波导长度方向以第二波长测量的66分贝和68分贝小信号衰减点之间。

在另一个最佳实施例中，偏振器放置在从波导第一端开始测量的基本上完全衰减的波导长度的20％和50％之间。

最佳实施例还包括用作超荧光光源的光波导。该波导包括光传播衬底，其中至少衬底的一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光。改变光波导，使得输入到波导内的第一波长的泵光激发波导内的第二波长的光发射。

最佳实施例也是一个超荧光光源，它包括发射第一波长的泵光的泵光源和光传播波导。波导的至少一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光。改变光波导，使得输入到波导内的第一波长的泵光激发波导内的第二波长的光发射。

最佳实施例也是一种光学仪器，它包括发射第一波长的泵光的泵光源。最佳实施例还包括具有第一端和第二端的光传播波导。波导的一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光。改变光波导，使得输入到波导内的第一波长的泵光激发波导内的第二波长的光发射。光纤陀螺仪包括光纤环路，后者从波导接收第二波长的光作为该光纤环路的输入。

在另一个实施例中，单向超荧光光源包括具有第一端和第二端的光传播波导。泵光源在波导的第一端提供泵信号，以激发波导内的光发射。在沿波导方向的一个位置上设置隔离器，使得当最佳传播方向是反向传播方向时，显著地增大从波导的第一端发射的最佳传播方向的光，而当最佳传播方向是正向传播方向时，显著地增大从波导第二端发射的最佳传播方向的光。

在再一个实施例中，超荧光光源包括具有第一端和第二端的光传播波导。泵光源在波导的第一端提供泵信号，以激发波导内的光发射。在沿波导方向的选定位置上设置光学鉴别设备，以便显著增强最佳光模式的光发射。由于该光鉴别设备的作用，增强了最佳光模式的光，同时减弱了非最佳光模式的光。

在另一方面，最佳实施例是一种超荧光光源，它包括具有第一端和第二端的光传播波导。泵光源在波导的第一端提供第一波长的泵信号，以便在波导内激发不同于第一波长的第二波长的光发射。在沿波导方向的位置上设置偏振器，使得来自波导第一端和第二端中的一端的最佳偏振光的发射达到最大值。

图1是一个示意图，表示用来提供宽带光作为光纤陀螺仪输入的超荧光光纤光源的实施例；

图2示意地举例说明非偏振超荧光光纤光源，其中输出信号的垂直和平行偏振模式携带基本上相等的功率；

图3A和3B示意地举例说明本发明的一个实施例，其中，沿超荧光光纤的一部分镶接偏振器，以提供偏振的输出信号，在该输出信号中，由于减小一种偏振模式的功率，使另一种偏振模式的功率显著增大。

图4示意地举例说明本发明的另一个最佳实施例，其中整个超荧光光纤包括偏振光纤，使得一种偏振模式基本上被消除，而另一种偏振模式的输出信号功率几乎加倍。

图5示意地举例说明当实现与具有偏振输入的光纤陀螺仪配合运转时，利用本发明的偏振单向光纤光源所得到的明显好处；

图6A作为信号输出功率和偏振消光率与光纤长度的关系曲线，用图形说明在镶接偏振器的实施例中的试验结果；

图6B是用来获得图6A-8试验结果的超荧光光纤光源的配置的示意图；

图7用图形说明试验的和模拟的信号输出功率与输入泵功率的关系；

图8用图形说明试验的和模拟的输出偏振消光率与输入泵功率的关系；

图9描述本发明的另一个实施例，其中利用设置在沿光纤长度方向适当位置的隔离器而构成单向光纤光源；

图10用图形说明镶接的偏振器沿超荧光光纤的位置与最佳偏振的功率超过无偏振器存在时同一偏振的功率的比率之间的关系。

图2示意地描述传统的一次通过式  超荧光光纤光源的配置，其中具有第一端110的超荧光光纤100在该光纤100的第二端130处从泵光源120接收激光输入。在这里描述的实施例中，光纤100包括铒掺杂的硅光纤，以便用反向传播的光作为信号光，因为在铒掺杂光纤中反向传播光效率高。另外，在一个实施例中，端部110，130最好以7°-15°的角度进行角度抛光，以避免菲涅耳(Fresnel)反射(在本专业中众所周知的几种方法之一)。应该指出，若超荧光光纤100配置成两次通过式光源(未示出)而不是这里描述的一次通过式的实施例，则端部130在信号波长上是反光的，而在泵波长下则是透光的。反射端130最好包括用薄膜淀积等方法形成的分色镜。或者，用给衬底镀膜的方法作为单独的元件形成的单独的分色镜(未示出)，可以放在光纤100的端部130。当然，若将端部130做成反光，则端部130不进行角度抛光，因为光纤端部130的角度一般不将光反射回光纤100内部。

来自光源120的泵输入信号提供波长λ_p的激光束，后者在正方向上在光纤100内传播。选择光纤100的长度，以及纤芯内部掺杂剂(亦即，铒)的浓度，使得来自泵光源的功率的大部分(例如，至少70％)在光纤芯内被吸收，以便在超荧光光纤100内建立粒子数反转状态。当离子返回基态时，在光纤100内在正、反两个方向上发射具有信号波长λ_s的光子。由于铒掺杂光纤的特性，从足够长的光纤发射的波长λ_s的光大部分是反向发射。这种效应在本专业中是众所周知的，而且在作为参考加入本专利申请书的美国专利No.5,185,789中描述了这种效应。用这样的方法，沿正向传播的信号波长λ_s的光大部分被吸收，并反向重新发射，从光纤100的端部130发射出去。

图2还描述垂直和平行偏振(这里按任意的正交坐标定义)两个方向的光功率。尤其是，第一条曲线140表示在光纤100内部从光纤100端部110到输出端130垂直偏振光的功率分布。就是说，曲线140的高度对应于光纤长度特定位置上垂直偏振模式的光功率。光纤100长度上的点在曲线图中表达为点0到L，其中L表示光纤100的长度。如图2所示，曲线140从0点到光纤100长度L的端点130不断地向上增大。曲线150代表光纤100同一部分平行偏振光的功率分布。就是说，曲线150的高度对应于光纤长度特定位置上平行偏振模式的光功率。曲线145，155分别代表垂直和平行偏振正向传播的光功率分布。这样，图2所描述的配置是一种双向光源配置(亦即，在正、反传播方向上发射的光)。正如可以从图2看到的，例如，在包括铒掺杂的纤芯的传统的超荧光光源100中，在输出信号(亦即，在反向传播方向)中，光的垂直和平行偏振的功率大体上相等。另外，这两种偏振信号是不相干的(亦即，它们的相位不相关)，因此，从光纤100的端部130输出的光信号基本上是非偏振的。

图3A和3B示意地举例说明铒掺杂超荧光光纤光源200，它构造成起提供偏振输出信号的一次通过式信号源的作用。泵光源220将泵波长λ_p的光输入到光纤200的与端部210相反的端部230。按照本发明，光纤200包括偏振器240，后者，例如，可以在沿光纤200的长度方向的选定的位置上镶接入光纤200。

正如下面将要更详细讨论的，光纤200具有足以基本上吸收全部泵信号的长度。在图3A和3B所示举例的实施例中，光纤200的长度、光纤中铒掺杂剂的浓度，产生一种在波长1.53微米下对于小的(亦即，低功率)输入信号具有300分贝总衰减的光纤。

偏振器240最好这样定位，使得偏振器的透射轴与泵信号的偏振吻合。若光纤200是一种偏振保持光纤，则偏振器240应与光纤200几条轴线之一对准。但是，若光纤200不是偏振保持光纤，则用偏振控制器来使泵信号的偏振对准偏振器240的轴线，使得泵信号不被偏振器240消除。在图3A和3B描述的实施例中，铒掺杂光纤肯定是偏振保持光纤。

在一个有益的实施例中，偏振器240包括消光率约为20分贝或更大的低损耗(例如，约1分贝或更小)偏振器。例如，一种可以装入光纤200内的偏振器实例可从THORLABS Inc.公司购得，型号为Model No.3FS-PZ-7621。将偏振器240镶接入光纤200内的方法对于本专业的技术人员来说是众所周知的。

如图3A所描述的，在沿光纤200长度方向的位置上设置偏振器240，用来减小一种偏振光的功率。正如这里描述的，把光的平行偏振看作是最佳偏振(偏振器传送的偏振)，而把垂直偏振看作是要排除的偏振。当然，应该明白，垂直偏振和平行偏振的指定是随意的，这里只是要表明，两个偏振是正交的，要消除一种偏振，而不消除另一种偏振。

在图3A的实例中，曲线260(用虚线表示)表示在光纤200内不放置偏振器240时光的垂直偏振的功率。曲线250表示加入偏振器240之后整个光纤200上垂直偏振的光的实际分布。正如从曲线250可以看到的，偏振器240用来使垂直偏振模式下的一部分光被衰减，使得这种垂直偏振模式下的光被抑制，而且直至过了偏振器240之后(反向传播方向上)才再次增长。这样，垂直偏振模式的光的输出230的最后功率小于没有偏振器240时的功率。

偏振器240的存在不仅用来减小垂直偏振的光，还用来增强平行偏振的光。尤其是，图3A的曲线270表示装上偏振器之后沿着光纤200长度方向平行偏振光的功率分布，而曲线280(用虚线表示)表示没有偏振器240时平行偏振光的功率分布。正如可以从图3A看到的，平行偏振光的实际功率增大了，超过没有偏振器240时平行偏振的光功率。之所以平行偏振光如此增强，其原因在于，垂直偏振光穿过的增益区比平行偏振光短。这样，在增益区内在正常情况下要被放大成垂直偏振的光子中的较少的光子被激发，而在整个光纤200的长度上在正常情况下要被垂直偏振激励的光子代之以被平行偏振光激发，使得观察到由这种平行偏振光增强的增益效应增强。就是说，粒子数反转被垂直分量耗尽的程度不如有垂直分量存在时那么大，使得平行偏振分量产生更多的光子。于是，按照本发明最佳实施例，光纤200的端部230提供的输出信号被偏振(亦即，一种偏振模式的功率比另一种高得多)。类似的性能也适宜于正向传播信号(在说明最佳实施例时为简单起见未示出)，结论也一样。这说明了最佳实施例的一种关键的概念。也就是说，用偏振器消除一种偏振分量，减小该偏振的功率，但是还增大另一种偏振分量可以得到的增益(因而它的功率)。

图3B举例说明改变偏振器240沿着光纤200的长度方向的位置的影响。本发明最佳实施例的一个有益的方面是，确定偏振器240在光纤200的长度方向上的最佳位置，以便获得从光纤200的端部230输出的单一偏振的最大功率。已经发现，使最佳偏振获得最大功率的点是光纤长度、光纤中铒掺杂剂浓度、泵信号功率的函数。可以把获得最佳偏振的最大功率的点表示为光纤长度上给定信号(亦即，具有给定功率和波长的信号)的衰减值。现参照图3A和3B之间的比较更详细地讨论用衰减值表示的偏振器240“最优”位置的特性。

在图3B(亦即，该光纤具有相当于300分贝小信号衰减的长度)所示的情况下，偏振器240放置的位置比图3A更接近光纤200端部230。偏振器240位置的影响用曲线290，295描述。在图3B中，曲线285(用虚线表示)表示没有偏振器240时光的垂直偏振的功率分布，而曲线290表示偏振器240在给定位置上时垂直偏振光的实际分布。另外，曲线297表示没有偏振器240时平行偏振光的功率分布，而曲线295表示有偏振器240时平行偏振光的实际功率分布。

从图3A和3B可以看出，偏振器240在光纤200长度上的位置对光纤200输出信号偏振程度有着明显的影响。具体地说，当偏振器240处在图3A所示的光纤200的位置时，则偏振程度不像偏振器240处于图3B所示的光纤200的位置时那么强。这是因为当偏振器240处于图3A所示的位置时，垂直偏振模式的光在光纤200内早就被消除，但穿过偏振器240之后允许在光纤其余正增益区(亦即，在偏振器240与输出230之间)的整个长度上增大。于是，如图3A曲线250所表示的，垂直偏振光的相当大部分仍旧由光纤200输出。但是，当偏振器240处于图3B所示的位置时，垂直偏振光沿着光纤方向的衰减程度大到足以防止在偏振器240之后显著增长。同时，可以看出，图3B所示的偏振器240位置离光纤输出端230足够远，使得最佳偏振能够显著增长。这样，当偏振器240被放置在沿光纤200方向上的适当位置上时，就能在消除垂直偏振与放大平行偏振之间取得平衡。

例如，若偏振器240放在端部230，则从光纤200输出端230产生的输出信号基本上是一种偏振。但是，偏振器240放在沿光纤200方向的这个位置，平行偏振功率就不可能增长到没有偏振器时的数值以上。这样，把偏振器放在光纤200端部230得不到好处。

再则，若把偏振器240放在光纤200的端部210，则在反向上传播的两种偏振学基本上相等地(在偏振器与光纤相遇处)开始，而且在穿过光纤200时经历同样的增益过程，使得两种偏振在光纤200的输出端230上具有相同的功率。

但是，将偏振器240放在如图3B所示靠近中间的位置上，垂直偏振模式的大部分被消除，并使之在端部230输出之前不能显著增大。与此同时，本应以垂直偏振模式输出的的光加到平行偏振模式上，从而使以平行偏振模式输出的光强度增大将近一倍。图3B中的曲线295表明了这一点。从这里可以看出，偏振器240沿光纤长度方向上的放置位置对特定偏振模式(亦即，不被偏振器240消除的偏振)输出的光功率有着重大影响。

在某些测量中，当偏振器240处在光纤200端部210与端部230之间距离的1/3左右(亦即，约在小信号100分贝衰减点上)时，发现非衰减偏振模式的光强度约为无偏振器240时该偏振模式光强度的1.7倍。当偏振器240从这个最优点向光纤200的一端或另一端移动时，这个比率都显著下降。

根据与沿光纤方向的衰减的关系确定最优点

这里应该指出，将偏振器240放置在光纤200的中点附近不应认为是对光纤的绝对或实际长度而言的，而是对在整个长度上发生显著的有效的信号产生的光纤长度而言的。就是说，尽管光纤200可以造成任意长度，但是，光纤200只有一部分能吸收泵波长的大部分的光，以引发信号波长的光发射。一旦光纤200变得这样长，以致光纤200的增长部分基本上不再吸收泵功率时，进一步加大光纤200的长度对反向传播输出信号(亦即，从图3A和3B端部230发射的信号)的强度将无明显的影响。于是，按照本发明最佳实施例，并非对于任何光纤长度偏振器240都应放在实际光纤长度33％的点上，而应放在由光纤200的小信号衰减特性定义的沿光纤200的方向的选定点上。

为了确定用来制造光纤200的光纤的所谓小信号衰减特性，可以采用几种方法。一种方法是将低功率光信号发射到光纤的一端。这种试验信号的波长最好接近于泵吸收或信号吸收频带(这里讨论的结果是基于试验信号在铒的发射波长：1.53微米)。在这个试验的过程中，低功率试验信号是沿着光纤传播的唯一的信号(亦即，不将泵信号引入光纤)。另外，该信号的功率应小到足以保证该信号产生不饱和作用(亦即，使得实际上不发生粒子数反转)。

已经发现，对于铒掺杂的光纤，小信号衰减正比于光纤的长度，使得只需要测量1米后的衰减。例如，若试验信号波长的衰减是4分贝/米，则75米光纤就对应于300分贝的光纤长度。

这里应该指出，虽然试验信号在选定的光纤长度上会被大大地衰减，但在实际上，在正常工作功率下(约30毫瓦)泵信号在相同光纤长度上通常不会衰减到与试验信号相同的程度。这是因为泵信号带有较大的功率，而且往往在向着泵输入的区域使光纤饱和，使得在光纤该端所述泵信号的实际衰减会只在30或40分贝的数量级上。就λ_s的发射信号光而言，在这种衰减下泵信号仍旧是很大的，因为对于在光纤远端发射的光子，光纤一般呈现20或30分贝的增益。于是，即使光纤具有足以产生对试验信号的，例如，300分贝的衰减的长度，但是，因为与泵信号功率远大于试验信号功率这一事实有关的各种影响，比这个长度短得多的长度仍能影响偏振器240的位置选择。

按照这个确定偏振器最优位置的方法，指定一个固定的小信号衰减点(亦即，利用低功率试验信号衰减测量的点)作为所有超过足够长度的光纤的最优点。正如下面将要更详细地讨论的，在比规定的长度短的光纤中，偏振器240的最优位置约在光纤实际长度的50％左右。铒光纤的经验或模拟试验结果表明，偏振器240的最优位置约在70分贝的小信号衰减点上。图10中的曲线清楚地表明了这一点。

图10画出比率k与偏振器沿光纤长度方向的位置的关系。比率k定义为有偏振器时反方向上最佳偏振的输出功率与无偏振器时反方向上最佳偏振的输出功率的比率。图10画出了几条曲线，每条曲线代表不同长度的光纤。正如可以从图10这些曲线看到的，光纤越长，出现最优比值(亦即，呈现最大值)的位置占光纤总长度的百分比越小。但是，对于最大比值接近1.9(亦即，非常长的光纤)的那些曲线，可以看出，偏振器240的最优位置，从泵输入端算起的长度大体相同。例如，对于160米的光纤，偏振器240最优位置约为光纤总长度的19％(亦即，30.4米)。类似地，对于120米的光纤，偏振器240最优位置约为光纤总长度的26％(亦即，31.2米)。类似地，对于80米的光纤，偏振器240最优位置约为光纤总长度的38％(亦即，30.4米)。于是，可以看出，偏振器240的最优位置约在光纤200长度30-31米处。

虽然将偏振器240放在30-31米点处，对于规定铒掺杂剂浓度(亦即，在这个例子中小信号吸收2.2分贝/米)的光纤而言是最优的，但是应该明白，要测定的主要参数是光纤长度上的小信号衰减，而不是实际长度。这是因为所测量的小信号衰减考虑了掺杂剂浓度；使得偏振器240的最优位置用小信号衰减的单位表示时，基本上保持常数。对于足够长的光纤，这个固定的衰减点已按经验(及理论)方法测得为66-68分贝(亦即，30-31米乘以2.2分贝/米)。

这里应该指出，当光纤200变短时，偏振器的最优位置便移向光纤的中点。这种效应也可以从图10看到。例如，在60米长的光纤中偏振器的最优位置约为光纤总长度的44％(亦即，26.4米，相当于58.1分贝的衰减)，而在40米长的光纤中偏振器240的最优位置约为光纤总长度的50％(亦即，20米，相当于44分贝的衰减)。这样，当光纤变得如此之短，以致最优衰减点(例如，67分贝)接近于整个光纤长度总衰减的一半时，偏振器的最优位置便移向光纤200的中点。

作为实际的考虑，对于小信号衰减(亦即，沿着它们的整个光纤长度)明显地大于最优衰减点(例如，67分贝)两倍的光纤，偏振器240应该放在67分贝点上(虽然把偏振器240放在40分贝至100分贝范围内仍旧证明是有利的)。但是，对于短光纤，像按经验确定的，偏振器应该放在接近光纤总长度50％的位置上。

确定偏振器最优位置的另一种方法

按照确定偏振器240最优位置的另一种方法，基本上完全衰减的长度(亦即，超过此长度之后，对λ_s信号光的发射再无明显的贡献)可以确定为光纤小信号衰减约为300分贝的长度。当然，应该明白，在理论上，光纤越长，反方向的输出功率就越好。但是，正如这里讨论的，最优光纤长度指的是名义上能够给出同一功率输出特性的最短光纤长度。对于重要的事是尽可能从光源取出最大的输出的应用而言，基本上完全衰减的长度可以定义为具有相当于600分贝的长度。反之，对于取得最大输出功率并不那么重要的应用而言，基本上完全衰减的长度应定义为对应于小到170分贝的长度。给定光纤200基本上完全衰减的长度，偏振器240的位置最好落在基本上完全衰减长度的20％至50％的范围内。

已经发现，按照上述公式得出的偏振器240在光纤200长度上的位置，光的输出和非衰减偏振模式的强度大体上加大一倍，于是光纤200端部230提供高度偏振的输出信号，它基本上是该偏振原功率(亦即，强度)的两倍。

本专业的技术人员都清楚，偏振器240是一种低损耗偏振器这一点是很重要的。实际上，如果偏振器240对非衰减(亦即，最佳)偏振模式具有1或1/2分贝的损耗，那是非常有利的。就是说，若垂直偏振模式是由偏振器240消除的，则平行偏振在穿过偏振器240传播时损耗不应超过1或1/2分贝。其第一个原因是，在偏振器上损耗的任何泵光，都会在偏振器的下游造成较低的增益，因而造成较低的信号功率。第二个原因是，偏振器240损耗效应造成的要求偏振上损耗的任何信号光都不会对在光纤200增益区内产生的放大的光作出贡献。这样，如果偏振器240对最佳偏振造成过高的损耗，则净输出信号将不会显著地高于无偏振器时最佳偏振的功率。事实上，如果偏振器的插入损耗足够大，优选偏振的功率甚至还会比无偏振器时最佳偏振功率低。因此，偏振器240必须具有不超过某种水平的损耗(例如，对反向传播光为3分贝)，以获得最佳实施例的好处。

由偏振光纤制成的铒掺杂光纤光源

图4示意地举例说明本发明另一个实施例，其中整个超荧光光纤光源包括一条稀土掺杂的偏振光纤，使得一种偏振模式在光纤的整个长度上基本上被消除，而另一偏振模式的输出信号像在正常的光纤内一样被引导。如图4所示，超荧光光纤300包括从光纤300的输入端330到光纤300的输出端310的偏振光纤。泵光源320在光纤300端部330输入光。图4描述的超荧光光源配置是一次通过式配置，其中光沿着光纤300正向传播到端部310，并被吸收，在反向传播方向上重新发射，使得光在反向传播方向上被最大程度地放大，以便在端部330产生偏振的输出信号。和采用光纤100(图2)和200(图3A和3B)一样，光纤300最好包括一条铒掺杂长光纤，这使它具有高效反向传播特性。

按照本发明一个最佳实施例，光纤300在整个长度上都起偏振作用，并用适当浓度的稀土离子进行掺杂。在图4的曲线中，曲线340表示垂直偏振光在整个光纤300长度上的功率分布，而曲线350表示平行偏振光在整个光纤300长度上的功率分布。曲线360和370(在图4中用虚线表示)分别表示如果光纤300是非偏振光纤时，光的平行和垂直偏振的功率分布。正如从图4曲线中可以看到的，当光纤300是偏振光纤时，要被消除的偏振的光(亦即，图4实例中所示的垂直偏振)在整个光纤300长度上基本上保持0值。反之，所要求的偏振(亦即，图4实例中所示的平行偏振)的光比较快地增大，而其输出功率接近于光纤300是非偏振时输出功率的两倍。

使光纤300的整个长度都偏振，就可以看出，光和最佳偏振的输出强度(在图4中用功率A₂表示)显著地高于光纤300是非偏振时该偏振具有的功率(在图4中用功率A₁表示)。在一个实际的模拟中，测得A₂约为1.95A₁，使得基本上所有的本来在光纤300内按垂直偏振传播的光都变成平行偏振光，并以此使平行偏振的信号输出几乎加倍。应该指出，与采用图3A和3B所示镶接偏振器的实施例时的模型预测的最优结果相比，偏振光纤300给出的输出功率略高。这样，图4所示本发明的实施例提供了一种高效高偏振输出信号，例如，用作诸如光纤陀螺仪等要求高偏振光的应用中的光源。

图5示意地举例说明使用本发明最佳实施例的偏振光源与具有偏振输入的光纤陀螺仪协同操作时获得的明显优点。尤其是，具有输入偏振器30的光纤陀螺仪20接收来自用输入泵光源15抽运的超荧光光纤光源400的光。图5所示的光纤400最好包括一条铒掺杂光纤或者类似的光纤，在适当的位置上镶接了偏振器(像图3B的实施例中)，或者可以是整个长度上都偏振的(像图4的实施例所示)。

图5中画出两个曲线图，举例说明本发明该最佳实施例，比起诸如图2所示的传统的超荧光光纤光源的优点。第一条曲线410表示信号光在反方向上在光纤400内在光纤400的整个长度上的功率分布。曲线410代表的光是非偏振的光，诸如在传统的铒掺杂光纤中不加入本发明最佳实施例的偏振措施时见到的光。正如从曲线410看到的，在光纤400内信号功率在光纤400的输出处增大到最大值(在图5中表示为2A₁)。这个功率在信号光进入偏振器30之前是一个常数，由于来自光源400的光是高度非偏振的这一事实，在此点上此光基本上有一半在偏振器30内被消除。这用功率A₁处的曲线415表示。

正如从图5第二个曲线图上可以看到的，曲线420表示当光纤400按照本发明最佳实施例偏振时，在反方向上在光纤400内传播的信号光的功率分布。如曲线420所示，信号功率在光纤400输出端处为最大值，而在进入偏振器30之前基本上保持不变。由于该输出信号高度线性偏振，在穿过偏振器30之后，光功率只观察到略为减小，如曲线420的425部分所示。这部分地由于仍旧处于非所要求的偏振的光被消除，还由于偏振器30对最佳偏振的固有的损耗。正如可以从图5中第二曲线图所能看到的，作为光纤陀螺仪20的输入提供的光功率约为1.9至1.95A₁，这几乎是不在光纤光源400内实施本发明时输入光纤陀螺仪20的光功率的两倍。

图5所示本发明最佳实施例的另一优点是由于从光纤400发射的光已经高度偏振这一事实提供的。因此，可以用较便宜的消光率特性不那么严格的偏振器来代替偏振器30。

图6A用图形举例说明信号输出功率和反向偏振消光率与图3A和3B镶接偏振器的实施例的光纤长度之间关系的实验结果。图6A所示结果是1470毫微米约31毫瓦泵功率下得到的结果，其中超荧光光纤是铒掺杂光纤，其配置如图6B所示。如图6B所示，超荧光光纤555包括铒掺杂光纤550的第一段和铒掺杂光纤570第二段，它们之间镶接偏振器560。用来获得图6A结果的光纤555的一个实际的实施例在泵波长上具有4分贝/米衰减特性。在图6A和6B所描述的特定的实施例中，光纤550长度L2等于50米。570部分的长度L1是变化的，以便获得图6A的试验结果。

图6A的曲线500表示从图6B超荧光光纤555发射的输出光信号的偏振程度。曲线510(用虚线表示)表示从图6B超荧光光纤555发射的反向发射光(亦即，输出信号)的以毫瓦为单位的功率。正如从曲线500可以看到的，对于等于50米的长度L1，输出光信号开始时偏振程度很低(亦即，接近非偏振)。当长度L1逐渐缩短，输出信号变得越来越高度偏振，直至消光率约为26分贝(由于偏振器560的特性)。反之，曲线510表示，随着光纤部分570的长度减小，输出光信号提供的功率减小，但变化不大，直至20米，此后急剧下降。

为了使光纤部分570达到最优长度，用输出功率与偏振消光率之间的乘积来确定能提供高度偏振光的最大输出功率的位置。从图6A的曲线可以看出，当L2等于50米时，这一点发生在光纤部分570的长度约为20-25米的地方。

图7以图表形式举例说明图6B的光源的信号输出功率与输入泵功率的关系的实验的和模拟的结果。在图7的曲线中，输入泵信号波长为λ_p＝1470毫微米。正如模拟和试验结果(分别用图7曲线610和620表示)都表明的，当输入泵功率超过10毫瓦时，反向输出功率(亦即，超荧光光纤的输出信号)与输入泵功率基本上具有线性关系。从图7可以看到，模拟点与试验点非常一致。这支持了用来在其他环境下模拟光纤的模拟精度。

图8用图形描述输出偏振消光率与泵功率的关系的实验和模拟结果。一系列的曲线800-840表示偏振消光率与泵功率的函数关系，这些曲线分别在以下各种情况下给出：模拟长度L1(图6A)为20米(曲线800)；通过试验划出的L1＝25米的曲线(曲线810)；通过试验确定的L1＝30米的曲线(曲线830)；通过试验划出的长度L1＝40米的曲线(曲线840)。正如从曲线800，810(它们接近图6A曲线测出的最优长度)中可以看出的，对于超过10毫瓦的输入泵功率，输出信号是高度偏振的。这样，可以看出，最佳实施例试验过程中获得的试验结果指出了本发明的几个优点。例如，观察到输出信号最佳偏振功率增大到接近最大值(约1.9)，而且直至低的泵功率(例如，10毫瓦左右)仍大体保持不变。

另外，只要超荧光光纤足够长，最佳偏振增大的比率就基本上与光纤的总长度(L1加上L2)无关。图10描述了这后一种效果。正如从图10的曲线可以看到的，最大比率值(约1.9)对于较长的光纤(在图10的实例中80米或更长)基本上是一样的。但是，一旦光纤缩短，使得泵功率大部分不被吸收，最大比率值开始减小。另外，图10还举例说明较短的光纤的最大比率值位置如何移向光纤中点，而较长的光纤最大比率值位置接近光纤的泵输入端。

图9描述了本发明另一实施例，其中单向光纤光源900具有第一端950和第二端960，该单向光纤光源900是利用在沿超荧光光纤910长度方向的适当位置上设置隔离器930而构成的。在图9的配置中，偏振器920也被包括在光源900内，但是应该指出，把隔离器930设置在沿光纤910长度方向的适当位置上的优点，与设置偏振器920的优点无关。

简而言之，已经发现，在沿光纤910长度方向的适当位置上设置隔离器930会形成单向光源(类似于两次通过式配置所提供的)，但波长稳定性高于两次通过式配置。因此，这样一种单向光源，例如，对来自光纤陀螺仪的反馈不太敏感。另外，在适当位置上放置隔离器930可以使最佳传播方向上功率的净增加大于无隔离器930时观察到的。

在操作中，泵光源940产生波长λ_p的泵光，后者输入光纤910的第二端940。泵光在正向和反向两个传播方向上都激发信号波长λ_s的光发射。但是，由于有隔离器930的存在，反向传播光被抑制，而正向传播光被允许自由传播。因为粒子数反转没有被反向传播光强烈地耗尽，正向传播光可以达到更大的增益，使得正向传播光从光纤激光介质提取更大的功率。这样，正向传播光的功率增大到超过正向传播光在不装隔离器930时应具有的功率。实际上，光源900输出端960可以产生的输出光的强度与两次通过式配置产生的输出光的大体相同。但是，从单向光源900发射的光具有增大稳定性(亦即，减小对从960端反馈的功率的灵敏度)的优点。

这样，在有隔离器存在的情况下，正向和反向传播光的性能类似于有偏振器存在的情况下偏振光的性能，其中反向传播波相当于正交偏振模式。正如采用偏振器240时一样，隔离器930应设置在光纤910吸收区长度的1/3到1/2的范围内的一个位置上。这个原则可能同样适宜于几种光学鉴别器中的任何一个，这些光学鉴别器在各自携带相当大部分光功率的光辐射两个模式之间进行鉴别。

应该指出，若反向传播光是最佳偏振方向，则隔离器930可以构造成允许泵信号正向传播但抑制反向输出信号的分色隔离器。

最后，正如上面在不明显损失功率效率的情况下为提供单向、高度稳定、高度偏振光输出的单向偏振光纤光源所讨论的，如图9所示，偏振器920可以加入光源900中。但是应该看到，在这样一种配置中，镶接偏振器920和隔离器930的工作应细心地进行，使得加入偏振器920和隔离器930所造成的损耗小于约1分贝。

尽管在这里详细地描述了本发明几个最佳实施例，但是本专业的一般技术人员都会看到，在不脱离本发明的精神或主要特征的情况下，对于这里描述的本发明的实施例可以作出某些改变或修改。例如，按照特定应用的要求，超荧光光纤内可以采用不同类型的掺杂剂或掺杂浓度。类似地，为实现本发明选用的偏振器及偏振方法可以根据实施本发明的具体环境来确定。另外，本发明可以在集成光学或其他非光纤、光学传播介质中实施。此外，只要把偏振器(和/或隔离器)插入沿具有新的最优长度的光纤方向上新的最优位置，就可以用两次通过式光纤光源的形式实施本发明，并具有许多相同的优点。因此，本发明的范围应根据后附权利要求书来理解。

Claims (27)

1.一种超荧光光源，其特征在于包括：

具有第一端和第二端的光传播波导；

泵光源，它在所述波导的所述第一端提供第一波长的泵信号，以便在所述波导内激发不同于所述第一波长的第二波长的光发射；以及

偏振器，它设置在沿所述波导的一个位置上，以显著增大从所述波导的所述第一和所述第二端中的一端输出的最佳偏振的光发射。

2.权利要求1所定义的超荧光光源，其特征在于：所述光传播波导包括光纤。

3.权利要求2所定义的超荧光光源，其特征在于：所述偏振器镶接在所述光纤内。

4.权利要求2所定义的超荧光光源，其特征在于：所述光纤是铒掺杂的。

5.权利要求1所定义的超荧光光源，其特征在于：所述偏振器具有大于15分贝消光率和小于1分贝的最佳偏振损耗。

6.权利要求1所定义的超荧光光源，其特征在于：所述偏振器设置在从所述波导所述第一端测量的、沿所述波导长度的、以所述第二波长测量的40分贝和100分贝小信号衰减点之间。

7.权利要求6所定义的超荧光光源，其特征在于：所述偏振器设置在从所述波导所述第一端测量的、沿所述波导长度的、以所述第二波长测量的66分贝和68分贝小信号衰减点之间。

8.权利要求1所定义的超荧光光源，其特征在于：所述偏振器设置在从所述波导第一端测量的基本上完全衰减的波导长度的20％和50％之间。

9.权利要求1所定义的超荧光光源，其特征在于：所述泵光源发射波长在约1.48微米的光，而从所述波导发射出来的所述光具有约1.53微米的波长。

10.一种用于超荧光光源的光波导，所述波导包括光传播衬底，其特征在于：至少所述衬底的一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光；进一步改变所述光波导，使得输入所述波导的第一波长的泵光在所述波导内激发第二波长的光发射。

11.权利要求10所定义的光波导，其特征在于：所述光传播衬底包括光纤，而所述光纤是沿着所述光纤整个长度偏振的。

12.一种超荧光光源，其特征在于包括：

泵光源，它发射第一波长的泵光；以及

光传播波导，其中至少所述波导的一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光，进一步改变所述光波导，使得输入所述波导的所述第一波长的泵光在所述波导内激发第二波长的光发射。

13.权利要求12所定义的超荧光光源，其特征在于：所述波导包括光纤。

14.一种光学仪器，其特征在于包括：

泵光源，它发射第一波长的泵光；以及

具有第一端和第二端的光传播波导，其中至少所述波导的一部分传播一种偏振的光，而消除正交偏振的光，进一步改变所述光波导，使得输入所述波导的所述第一波长的所述泵光在所述波导内激发第二波长的光发射；以及

光纤陀螺仪，它包括光纤环路，后者接收来自所述波导的所述第二波长的光作为所述光纤环路的输入。

15.权利要求14所定义的光学仪器，其特征在于：所述波导包括光纤。

16.一种单向超荧光光源，其特征在于包括：

具有第一端和第二端的光传播波导；

泵光源，它在所述波导的所述第一端提供泵信号，以便激发所述波导内的光发射；以及

隔离器，它设置在沿所述波导的一个位置上，以便当所述最佳传播方向是反向传播方向时，显著增大来自所述波导的所述第一端的最佳偏振的光发射，而当所述最佳传播方向是正向传播方向时，显著增大来自所述波导的所述第二端的最佳偏振的光发射。

17.权利要求16所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述光传播波导包括光纤。

18.权利要求17所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述光纤是铒掺杂的。

19.权利要求17所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述隔离器镶接在所述光纤内。

20.权利要求16所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述偏振器具有大于15分贝消光率和小于1分贝的最佳偏振的损耗。

21.权利要求16所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述偏振器设置在从所述波导所述第一端测量的、沿所述波导长度的、以所述第二波长测量的66分贝和68分贝小信号衰减点之间。

22.权利要求16所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述偏振器设置在从所述波导第一端测量的基本上完全衰减的波导长度的20％和50％之间。

23.权利要求16所定义的单向超荧光光源，其特征在于：所述光源还包括位于所述波导内在所述隔离器处或隔离器附近的偏振器。

24.一种超荧光光源，其特征在于包括：

具有第一端和第二端的光传播波导；

泵光源，它在所述波导的所述第一端提供泵信号，以激发所述波导内的光发射；以及

光学鉴别设备，它设置在沿所述波导的选定的位置上，以便显著增强最佳光模式的光发射，因此，在该光鉴别设备的作用下，加强了所述最佳光模式的光，同时减弱了非最佳光模式的光。

25.权利要求24所定义的超荧光光源，其特征在于：所述光学鉴别设备包括偏振器。

26.权利要求24所定义的超荧光光源，其特征在于：所述光学鉴别设备包括隔离器。

27.一种超荧光光源，其特征在于包括：

具有第一端和第二端的光传播波导；

泵光源，它在所述波导的所述第一端提供具有第一波长的泵信号，以便在所述波导内激发不同于所述第一波长的第二波长的光发射；以及

偏振器，它设置在沿所述波导的位置上，使得从所述波导的所述第一端和所述第二端中的一端发射的最佳偏振光的发射达到最大值。

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