專利名稱：一種自然偏振態(tài)單波長光源及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及ー種具有自然偏振態(tài)、單波長光源及方法。
背景技術(shù)：
通常的半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等光源均具有很高的線偏振度。光信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸過程中，由于光纖纖芯結(jié)構(gòu)上不可避免的微小不對(duì)稱性、折射率分布的不均勻性、夕卜部或內(nèi)部的橫向應(yīng)カ的不對(duì)稱性，以及光纖的扭轉(zhuǎn)、彎曲或外加的電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致光纖具有雙折射效應(yīng)，從而導(dǎo)致線偏振光在光纖中傳輸一段距離后其偏振方向及偏振度都會(huì)發(fā)生隨機(jī)的變化。[1]在高速光纖通信、光纖傳感以及光纖陀螺儀等應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的隨機(jī)改變會(huì)引起偏振色散、偏振損耗、偏振衰落等效應(yīng)，要求光源具備自然偏振態(tài)的特性。因此光源的退偏技術(shù)是解決偏振相關(guān)問題的主要方法。
現(xiàn)在常用的方法是用光纖退偏器對(duì)偏振光場(chǎng)進(jìn)行消偏處理來獲取自然偏振光，這種方法適用于寬光譜光源，而且會(huì)使光源結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。本發(fā)明提出ー種利用光柵反射反饋?zhàn)园l(fā)輻射光源來直接獲得自然偏振態(tài)的單波長光源，無需后端的退偏器?，F(xiàn)有技術(shù)ー使用Lyot型退偏器對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行消偏。Lyot型退偏器是用兩段長度比2 1的高雙折射保偏光纖以主軸相差45°對(duì)接而成。這種消偏器的基本原理是，這兩段光纖引入的偏振色散以及這兩個(gè)偏振色散的差都要遠(yuǎn)大于光源的相干時(shí)間。因此，這種消偏器僅適用于使用有低時(shí)間相干性的寬帶光源。實(shí)現(xiàn)退偏的兩個(gè)條件，一是出射光映射到兩個(gè)正交軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度要相等，ニ是保證光纖足
夠長，使輸出X、Y方向的電場(chǎng)Ex、Ey的延時(shí)差遠(yuǎn)大于相干時(shí)間,兩正交電場(chǎng)完全不相干。Lyot型退偏器對(duì)寬帶光源比較有效，但對(duì)窄帶光源就需要很長的高雙折射光纖，這樣既不緊湊也不實(shí)際。現(xiàn)有技術(shù)ニ 使用級(jí)聯(lián)光纖環(huán)形退偏器對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行消偏。[2]單級(jí)光纖環(huán)是由ー個(gè)2X2的定向耦合器制作而成的，如圖I所示，定向耦合器的2端口和4端ロ相連接組成了一個(gè)光纖循環(huán)延遲線。對(duì)單級(jí)光纖環(huán)來說，當(dāng)輸入光經(jīng)過不同循環(huán)光路后，如果滿足其輸出各個(gè)光束彼此不相干且輸出偏振態(tài)呈現(xiàn)均勻分布時(shí)，輸出光即可退偏，但由于輸出光分量并不是很多，且真正起退偏作用的也不多，性能很不穩(wěn)定，必須加以精確調(diào)節(jié)才能達(dá)到想要的退偏度。級(jí)聯(lián)更多的光纖環(huán)，通過循環(huán)光路得到更多的大量彼此不相干且偏振態(tài)和光強(qiáng)度各不相同的輸出光束，就能進(jìn)ー步滿足退偏條件，雖然偏振度可以迅速降低，穩(wěn)定性也可進(jìn)ー步増加，不過仍有一定的概率產(chǎn)生較高偏振度的輸出光。如圖2所不單級(jí)光纖延遲環(huán)輸出光場(chǎng)偏振度依賴于入射光偏振態(tài)和延遲線的雙折射參數(shù)，隨機(jī)性很大。達(dá)到理想的退偏效果至少需要8級(jí)以上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。現(xiàn)有技術(shù)三光纖自發(fā)輻射(ASE)光源。光纖ASE光源是利用增益光纖的自發(fā)福射放大作為輸出光。由于自發(fā)福射光具有偏振方向隨機(jī)分布的特性，光纖ASE光源具有很低的線偏振度。光纖ASE光源通常用來產(chǎn)生高功率的平坦寬光譜輸出，有單程前向輸出、單程后向輸出、雙程前向輸出、雙程后向輸出、雙級(jí)泵浦等結(jié)構(gòu)[3]。圖3為單程前向輸出結(jié)構(gòu)簡圖泵浦源通過耦合器為增益光纖提供泵浦光，増益光纖中產(chǎn)生自發(fā)輻射，正向傳輸?shù)淖园l(fā)輻射光通過偏振無關(guān)隔離器后輸出。光纖ASE光源為寬帶光源，單波長功率密度不高，能量轉(zhuǎn)換效率低下?，F(xiàn)有技術(shù)四超輻射發(fā)光二極管(SLD/SLED)光源。超輻射發(fā)光二極管(SLD/SLED)是與半導(dǎo)體激光光源類似的ー種介于激光二極管和發(fā)光二極管之間的半導(dǎo)體光源。 SLD是ー種對(duì)自發(fā)輻射進(jìn)行放大的單程増益器件。在正向電流注入下，量子阱有源區(qū)內(nèi)的載流子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，與空穴復(fù)合釋放出光子。這種自發(fā)輻射的光子在腔體中傳播時(shí)不斷得到受激放大，但由于腔體的兩個(gè)端面的反射率都很低，并不會(huì)形成諧振腔，不具有選頻作用，所以光子在腔內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生反饋諧振，輸出為非相干光，具有光譜寬、功率大的特點(diǎn)。[4]超輻射發(fā)光二極管(SLD/SLED)效率低、穩(wěn)定度差，與單模光纖的耦合效率低，而且與光纖ASE光源一祥，具有較大的光譜寬度，不利于在需要單波長或窄光譜的系統(tǒng)中應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[I].劉力，張小康.光纖中傳輸光束的偏振態(tài)；[2],張羽飛，王春華.級(jí)聯(lián)光纖環(huán)形退偏器的統(tǒng)計(jì)退偏分析；[3],李麗.摻鉺光纖光源及其光譜平坦技術(shù)的研究；[4],王正選·超輻射發(fā)光二極管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且單波長的自然偏振光源及方法，無需任何消偏振器件。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明ー種自然偏振單波長光源，由帶電流泵浦的第一半導(dǎo)體光放大器(SOA)、光纖光柵以及偏振無關(guān)隔離器組成，光纖光柵與第一半導(dǎo)體光放大器的一端連接，該光纖光柵的反射波長在第一半導(dǎo)體光放大器的增益譜內(nèi)；第一半導(dǎo)體光放大器的另一端與偏振無關(guān)隔離器的輸入端連接，半導(dǎo)體光放大器為光源提供能量，偏振無關(guān)隔離器保證光場(chǎng)單向傳輸，避免發(fā)生激光振蕩。所述偏振無關(guān)隔離器的輸出端連接ー個(gè)帶電流驅(qū)動(dòng)的第二半導(dǎo)體光放大器，作為用于提聞功率的放大級(jí)。所述第一、第二半導(dǎo)體光放大器還可以采用摻鉺光纖放大器代替。所述摻鉺光纖放大器由半導(dǎo)體激光器、波分復(fù)用器和摻鉺增益光纖組成，半導(dǎo)體激光器為波分復(fù)用器提供泵浦光，作為輸入泵浦光；波分復(fù)用器與稀土摻雜增益光纖連接。作為上述方案的一種改進(jìn)方案所述偏振無關(guān)隔離器與第二半導(dǎo)體光放大器之間設(shè)置窄帶濾波器，并去掉光纖光柵。
ー種自然偏振態(tài)單波長光源的工作方法如下第一半導(dǎo)體光放大器在電流驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生寬帶、偏振無關(guān)的自發(fā)輻射；前向自發(fā)輻射光經(jīng)偏振無關(guān)光隔離器直接輸出；后向自發(fā)輻射光經(jīng)過光纖光柵濾波反射窄帶波長的自發(fā)輻射光，其他波段的自發(fā)輻射光透射后從光纖光柵的另一端輸出耗散棹；被光纖光柵反射的單波長自發(fā)輻射光再次經(jīng)過第一半導(dǎo)體光放大器被放大。在這ー過程中由于存在單向反饋，被光柵鎖定的波長從放大器中提取近乎全部能量而被放大，而其他波長的光被大幅抑制，并保持了自然偏振的特性，之后從偏振無關(guān)隔離器輸出。所述偏振無關(guān)隔離器的輸出端的光源經(jīng)過第二半導(dǎo)體光放大器進(jìn)ー步放大輸出。本發(fā)明的ー種使用窄帶鍍膜濾波器的改進(jìn)方案所述偏振無關(guān)隔離器與第二半導(dǎo)體光放大器之間設(shè)置窄帶濾波器，并去掉光纖光柵；第一半導(dǎo)體光放大器中產(chǎn)生的前向自發(fā)輻射光經(jīng)過偏振無關(guān)隔離器后進(jìn)入到窄帶濾波器中；窄帶濾波器濾波透射的窄帶波長在第二半導(dǎo)體光放大器中被放大后輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明及其改進(jìn)技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)·I.利用SOA中放大的自發(fā)輻射(ASE)結(jié)合單向反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單波長自然偏振光源，能量轉(zhuǎn)換效率高；2.利用ASE發(fā)光特性直接獲得自然偏振光輸出，光源后端不需加任何消偏振器件，實(shí)現(xiàn)方便，結(jié)構(gòu)簡単；3.采用光纖光柵將特定波長的光反射回SOA中，由于增益競(jìng)爭(zhēng)，使被鎖定的單波長獲得更高的増益和功率，從而得到更高的輸出光功率和更窄的光譜寬度。


圖I :單級(jí)光纖環(huán)結(jié)構(gòu)圖；圖2 :級(jí)聯(lián)光纖環(huán)形退偏器結(jié)構(gòu)圖；圖3 :單程光纖ASE光源輸出結(jié)構(gòu)圖；圖4 :本發(fā)明實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5 :本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 :寬帶ASE光纖光源與本新型自然偏振態(tài)單波長光源的光譜圖；圖7 :本發(fā)明的新型光源的光譜細(xì)節(jié)；圖8 :本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9 :本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10 :本發(fā)明實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖4所示，本發(fā)明的ー種單波長自然偏振光源，由帶電流泵浦的半導(dǎo)體光放大器(SOA) [I]、光纖光柵[2]以及ー個(gè)偏振無關(guān)隔離器[3]組成。利用半導(dǎo)體放大器放大自發(fā)輻射(ASE)偏振方向隨機(jī)分布的特性產(chǎn)生自然偏振光，用光纖光柵[2]將自發(fā)福射背向輸出的光反射回S0A[1]以壓窄輸出光譜寬度，同時(shí)利用其反饋增大此波長的功率，偏振無關(guān)隔離器[3]防止光纖輸出端的端面反射形成激光振蕩，保證輸出偏振無關(guān)的自然偏振光源。
一段光纖光柵[2]與一個(gè)半導(dǎo)體光放大器(SOA) [I]的一端連接，該光纖光柵[2]的反射波長在S0A[1]的增益譜內(nèi)；S0A[1]的另一端與偏振無關(guān)隔離器[3]的輸入端連接。半導(dǎo)體光放大器[I]在電流驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生寬帶、偏振無關(guān)的自發(fā)輻射；前向自發(fā)輻射光經(jīng)偏振無關(guān)光隔離器[3]直接輸出；后向自發(fā)福射光經(jīng)過光纖光柵[2],光纖光柵[2]濾波反射窄帶波長，其他波段的光透射后從另一端輸出耗散掉；被光纖光柵[2]反射的光再次經(jīng)過S0A[1]被放大后從偏振無關(guān)隔離器[3]輸出。被光纖光柵[2]反射的自發(fā)輻射光在S0A[1]中被放大，既增加了輸出光功率又抑制了其他波長的自發(fā)輻射光，壓窄了光譜。如圖5所示，一種改進(jìn)的方法是在偏振無關(guān)光隔離器[3]的輸出端連接ー個(gè)帶電流驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體光放大器[4]以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，并且能夠同時(shí)保證單波長自然偏振特性。圖6為寬帶ASE光纖光源與未加放大器的本新型自然偏振單波長光源的光譜，其 中ASE光纖光源的輸出帶寬大于30nm，本新型自然偏振單波長光源帶寬小于lnm，輸出功率為6. OmW。由圖可見光纖光柵反射波長的光獲得較大增益，同時(shí)也抑制了其他波長的光。圖7為本發(fā)明的新型光源輸出光譜細(xì)節(jié)，可以看出具有大于30dB的邊帶抑制比。光纖光柵的反射譜寬不到lnm，中心波長為1544nm。用摻鉺光纖放大器(EDFA) [5,6]代替以上技術(shù)方案中的半導(dǎo)體光放大器[1、4]。以改進(jìn)方案為例，其結(jié)構(gòu)如圖8 一段光纖光柵[2]與一個(gè)摻鉺光纖放大器(EDFA) [5]的一端連接，該光纖光柵[2]的反射波長在EDFA[5]的增益譜內(nèi)；EDFA[5]的另一端與偏振無關(guān)隔離器[3]的輸入端連接；偏振無關(guān)隔離器[3]的輸出端與ー個(gè)EDFA[6]連接。其中EDFA [5、6]由一個(gè)半導(dǎo)體激光器[7]、ー個(gè)波分復(fù)用器[8]和一段摻鉺增益光纖[9]組成。其結(jié)構(gòu)如圖9:一個(gè)半導(dǎo)體激光器[7]通過波分復(fù)用器[8]提供泵浦光，作為輸入泵浦光；波分復(fù)用器[8]與一段稀土摻雜增益光纖[9]連接。在改進(jìn)方案中偏振無關(guān)隔離器[3]的輸出端加一個(gè)窄帶濾波器[10],去掉光纖光柵[2]，其結(jié)構(gòu)如圖10 ー個(gè)S0A[1]與ー個(gè)偏振無關(guān)隔離器[3]的輸入端相連；偏振無關(guān)隔離器[3]的輸出端與一個(gè)窄帶濾波器[10]的輸入端連接；窄帶濾波器[10]的輸出端與ー個(gè)S0A[4]連接。S0A[1]中產(chǎn)生的前向自發(fā)輻射光經(jīng)過偏振無關(guān)隔離器[3]后進(jìn)入到窄帶濾波器中；窄帶濾波器[10]濾波透射的窄帶波長在S0A[4]中被放大后輸出。以上方案均通過光纖光柵對(duì)ASE光場(chǎng)的單次反饋，實(shí)現(xiàn)了單波長自然偏振態(tài)的高功率輸出。
權(quán)利要求
1.ー種自然偏振單波長光源，其特征在干由帶電流泵浦的第一半導(dǎo)體光放大器、光纖光柵以及偏振無關(guān)隔離器組成，光纖光柵與第一半導(dǎo)體光放大器的一端連接，該光纖光柵的反射波長在第一半導(dǎo)體光放大器的增益譜內(nèi)；第一半導(dǎo)體光放大器的另一端與偏振無關(guān)隔離器的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種自然偏振單波長光源，其特征在于所述偏振無關(guān)隔離器的輸出端連接ー個(gè)帶電流驅(qū)動(dòng)的第二半導(dǎo)體光放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種自然偏振單波長光源，其特征在于所述第一、第二半導(dǎo)體光放大器還可以采用摻鉺光纖放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種自然偏振單波長光源，其特征在于所述摻鉺光纖放大器由半導(dǎo)體激光器、波分復(fù)用器和摻鉺增益光纖組成，半導(dǎo)體激光器通過波分復(fù)用器為摻鉺增益光纖提供泵浦光；波分復(fù)用器與摻鉺增益光纖連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種自然偏振單波長光源，其特征在于所述偏振無關(guān)隔離器與第二半導(dǎo)體光放大器之間設(shè)置窄帶濾波器，并去掉光纖光柵。
6.—種如權(quán)利要求I所述的ー種自然偏振單波長光源的工作方法，其特征在于所述方法如下 第一半導(dǎo)體光放大器在電流驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生寬帶、偏振無關(guān)的自發(fā)輻射；前向自發(fā)輻射光經(jīng)偏振無關(guān)光隔離器直接輸出；后向自發(fā)輻射光經(jīng)過光纖光柵濾波反射窄帶波長的自發(fā)輻射光，其他波段的自發(fā)輻射光透射后從光纖光柵的另一端輸出耗散棹；被光纖光柵反射的自發(fā)輻射光再次經(jīng)過第一半導(dǎo)體光放大器被放大后從偏振無關(guān)隔離器輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種自然偏振單波長光源的工作方法，其特征在于所述偏振無關(guān)隔離器的輸出端的光源經(jīng)過第二半導(dǎo)體光放大器進(jìn)ー步放大輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種自然偏振單波長光源的工作方法，其特征在于所述偏振無關(guān)隔離器與第二半導(dǎo)體光放大器之間設(shè)置窄帶濾波器，并去掉光纖光柵；第一半導(dǎo)體光放大器中產(chǎn)生的前向自發(fā)輻射光經(jīng)過偏振無關(guān)隔離器后進(jìn)入到窄帶濾波器中；窄帶濾波器濾波透射的窄帶波長在第二半導(dǎo)體光放大器中被放大后輸出。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種自然偏振單波長光源及方法，所述光源由帶電流泵浦的第一半導(dǎo)體光放大器、光纖光柵以及偏振無關(guān)隔離器組成，光纖光柵與第一半導(dǎo)體光放大器的一端連接，光纖光柵的反射波長在第一半導(dǎo)體光放大器的增益譜內(nèi)；第一半導(dǎo)體光放大器的另一端與偏振無關(guān)隔離器的輸入端連接。所述方法如下第一半導(dǎo)體光放大器在電流驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生自發(fā)輻射；前向自發(fā)輻射光經(jīng)偏振無關(guān)光隔離器直接輸出；后向自發(fā)輻射光經(jīng)過光纖光柵濾波反射窄帶波長的自發(fā)輻射光，其他波段的自發(fā)輻射光透射后從光纖光柵的另一端輸出耗散掉；被光纖光柵反射的自發(fā)輻射光再次經(jīng)過第一半導(dǎo)體光放大器被放大后從偏振無關(guān)隔離器輸出。本發(fā)明直接輸出單波長自然偏振光，能量轉(zhuǎn)換效率高；實(shí)現(xiàn)方便，結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號(hào)H01S3/10GK102842844SQ20121030824
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者陳國梁, 張先明, 宋強(qiáng), 蔣祺, 梅里 申請(qǐng)人:常州奧鐳光電科技有限公司