[发明专利]一种自然偏振态单波长光源及方法

说明书

技术领域

本发明涉及到光学领域，特别涉及一种具有自然偏振态、单波长光源及方法。

背景技术

通常的半导体激光器、光纤激光器等光源均具有很高的线偏振度。光信号在光纤内传输过程中，由于光纤纤芯结构上不可避免的微小不对称性、折射率分布的不均匀性、外部或内部的横向应力的不对称性，以及光纤的扭转、弯曲或外加的电磁场会导致光纤具有双折射效应，从而导致线偏振光在光纤中传输一段距离后其偏振方向及偏振度都会发生随机的变化。^[1]在高速光纤通信、光纤传感以及光纤陀螺仪等应用中，光信号偏振态的随机改变会引起偏振色散、偏振损耗、偏振衰落等效应，要求光源具备自然偏振态的特性。因此光源的退偏技术是解决偏振相关问题的主要方法。

现在常用的方法是用光纤退偏器对偏振光场进行消偏处理来获取自然偏振光，这种方法适用于宽光谱光源，而且会使光源结构更加复杂。本发明提出一种利用光栅反射反馈自发辐射光源来直接获得自然偏振态的单波长光源，无需后端的退偏器。

现有技术一：使用Lyot型退偏器对光场进行消偏。

Lyot型退偏器是用两段长度比2：1的高双折射保偏光纤以主轴相差45°对接而成。这种消偏器的基本原理是，这两段光纤引入的偏振色散以及这两个偏振色散的差都要远大于光源的相干时间。因此，这种消偏器仅适用于使用有低时间相干性的宽带光源。实现退偏的两个条件，一是出射光映射到两个正交轴上的电场强度要相等，二是保证光纤足够长,使输出x、y方向的电场Ex、Ey的延时差远大于相干时间，两正交电场完全不相干。^[2]

Lyot型退偏器对宽带光源比较有效，但对窄带光源就需要很长的高双折射光纤，这样既不紧凑也不实际。

现有技术二：使用级联光纤环形退偏器对光场进行消偏。

^[2]单级光纤环是由一个2×2的定向耦合器制作而成的，如图1所示，定向耦合器的2端口和4端口相连接组成了一个光纤循环延迟线。

对单级光纤环来说，当输入光经过不同循环光路后，如果满足其输出各个光束彼此不相干且输出偏振态呈现均匀分布时，输出光即可退偏，但由于输出光分量并不是很多，且真正起退偏作用的也不多，性能很不稳定，必须加以精确调节才能达到想要的退偏度。级联更多的光纤环，通过循环光路得到更多的大量彼此不相干且偏振态和光强度各不相同的输出光束，就能进一步满足退偏条件，虽然偏振度可以迅速降低，稳定性也可进一步增加，不过仍有一定的概率产生较高偏振度的输出光。如图2所示：

单级光纤延迟环输出光场偏振度依赖于入射光偏振态和延迟线的双折射参数，随机性很大。达到理想的退偏效果至少需要8级以上，结构复杂。

现有技术三：光纤自发辐射（ASE）光源。

光纤ASE光源是利用增益光纤的自发辐射放大作为输出光。由于自发辐射光具有偏振方向随机分布的特性，光纤ASE光源具有很低的线偏振度。

光纤ASE光源通常用来产生高功率的平坦宽光谱输出，有单程前向输出、单程后向输出、双程前向输出、双程后向输出、双级泵浦等结构^[3]。图3为单程前向输出结构简图：

泵浦源通过耦合器为增益光纤提供泵浦光，增益光纤中产生自发辐射，正向传输的自发辐射光通过偏振无关隔离器后输出。

光纤ASE光源为宽带光源，单波长功率密度不高，能量转换效率低下。

现有技术四：超辐射发光二极管(SLD/SLED)光源。

超辐射发光二极管(SLD/SLED)是与半导体激光光源类似的一种介于激光二极管和发光二极管之间的半导体光源。

SLD是一种对自发辐射进行放大的单程增益器件。在正向电流注入下，量子阱有源区内的载流子发生粒子数反转，电子从导带跃迁到价带，与空穴复合释放出光子。这种自发辐射的光子在腔体中传播时不断得到受激放大，但由于腔体的两个端面的反射率都很低，并不会形成谐振腔，不具有选频作用，所以光子在腔内不会产生反馈谐振，输出为非相干光，具有光谱宽、功率大的特点。^[4]

超辐射发光二极管(SLD/SLED)效率低、稳定度差，与单模光纤的耦合效率低，而且与光纤ASE光源一样，具有较大的光谱宽度，不利于在需要单波长或窄光谱的系统中应用。

参考文献：

[1].刘力，张小康.光纤中传输光束的偏振态；

[2].张羽飞，王春华.级联光纤环形退偏器的统计退偏分析；

[3].李丽.掺铒光纤光源及其光谱平坦技术的研究；

[4].王正选.超辐射发光二极管。