CN104979747A - 集成化反射式相位偏置器及光纤激光器和光波-微波鉴相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化反射式相位偏置器及光纤激光器和光波-微波鉴相器。本发明的相位偏置器包括光纤夹持器、准直透镜、偏振棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体和反射镜；本发明采用光纤夹持器中固定两根保偏方向互相垂直的保偏光纤，偏振棱镜将两路偏振方向互相垂直的光分开，只需要一个准直器、一个法拉第旋转器、一个双折射晶体，一个反射镜，体积小，稳定性高，价格低，不需要任何调节；用于光纤激光器，可得到自启动的锁模脉冲列，且脉冲列的特性不受外界环境的干扰，可应用到各种高噪声、重污染或发射等复杂环境；用于光波-微波鉴相器，可使其更加小型化，更不受外界干扰，工作更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光技术，尤其涉及一种集成化反射式相位偏置器及其光纤激光器和光波-微波鉴相器。
背景技术
锁模光纤激光器脉冲超短，重复频率确定、峰值功率高，在科学研究和工业加工中有不可替代的应用价值。但是对比普通的激光器，锁模激光器难于自启动、易受外界干扰，价格高，妨碍了其应用。
光纤激光器中锁模方案主要有三种：非线性环路反射镜、可饱和吸收体、非线性偏振旋转。非线性环路反射镜构成的8字型锁模光纤激光器锁模启动困难，常需要外部推动，而非保偏光纤；可饱和吸收体中半导体可饱和吸收体有寿命，容易损坏；其他碳基可饱和吸收体，例如碳纳米管、石墨烯等，在自然环境下很容易劣化、失去锁模启动功能。非线性偏振旋转可以提供稳定可靠的锁模启动机制，提供非常高的平均功率，而且可利用几乎所有的脉冲形成机制，获得高重复频率或低重复频率、皮秒或飞秒脉冲列。但是其利用非线性偏振旋转的本质，决定了其必须用非保偏光纤，而非保偏光纤决定了这种激光器必然对环境敏感。
非线性环路反射镜曾经是最早的锁模器件，用其制成的双环路光纤激光器(8字型光纤激光器)可以提供锁模脉冲。但是其基本上不是自启动的。原因在于其环路是零偏置。而在零偏置情况下，环路反射镜对非线性相移的敏感度很小。因此需要一个相位偏置。所谓相位偏置，是指同一光路中相对传播的光经历不同的相移。
Jungwon Kim(金正元)等人在Optics Letters上发表的论文《Subfemtosecond synchronizationof microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers》中的光波-微波鉴相器，利用了非对称相移器，并用其作为光纤环中的相位偏置器，但是由分立的空间元件构成，而且是透过式，不是反射式，需要两个法拉第旋转器，相移器中没有偏振棱镜。
Menlo Systems公司的专利申请《Laser with non-linear optical loop mirror》。(US201500711322)利用了Jungwon Kim等的相移器和相位偏置法，构成了一种锁模激光器。其中相位偏置器也是透过式，需要两个法拉第旋转器，相移器中也没有偏振棱镜
Honzatko等人于2013年在Optics Letters上发表的《A mode-locked thulium-doped fiberlaser based on a nonlinear loop mirror》论文，以及Huang等人于2015年在Optics Letters上发表的《Direct generation of 2W average-power and 232nJ picosecond pulses from an ultra-simpleYb-doped double-clad fiber laser》论文，均无相位偏置器，因此需要非常高的脉冲功率才能达到锁模阈值，脉冲非常宽(几百皮秒至几纳秒)。
发明内容
为了获得光纤激光器中自启动和长期稳定的锁模，克服由于温度、振动等环境参数的变化造成的锁模劣化，本发明提出了一种集成化反射式相位偏置器及其光纤激光器和光波-微波鉴相器。
本发明的目的在于提供一种集成化反射式相位偏置器及其光纤激光器和光波-微波鉴相器。
本发明的集成化反射式相位偏置器包括：光纤夹持器、准直透镜、偏振棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体和反射镜；其中，光纤夹持器固定第一和第二保偏光纤，这两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及慢轴互相垂直，并且互为输入输出；经过第一保偏光纤后，偏振方向沿第一保偏光纤的一个轴的入射光，经准直透镜准直后，以一个角度经过偏振棱镜入射至法拉第旋转器；法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体的一个轴平行；然后入射至双折射晶体，发生相移φ1/2后，垂直入射到反射镜上；经反射镜反射后返回，再次经过双折射晶体相移加倍为φ1；再次经过法拉第旋转器后偏振方向再旋转45度，与从第一保偏光纤出来进入偏振棱镜前的入射光的偏振方向垂直；经过偏振棱镜，由于返回光与入射光的偏振方向互相垂直，从偏振棱镜出射后的角度与入射光的角度不同，从而以另一个角度从偏振棱镜出射后经准直透镜进入到第二保偏光纤中，并且偏振方向沿着第二保偏光纤的同一个轴，从而从第二保偏光纤出射；同样的方式，经过第二保偏光纤的入射光，偏振方向沿着第二保偏光纤的一个轴，经法拉第旋转器旋转后使得偏振方向与双折射晶体的另一个轴平行，沿着相反的路径往返一圈后，发生相移为φ2，偏振方向沿着第一保偏光纤的同一个轴进入第一保偏光纤，从而从第一保偏光纤出射，其中，φ1≠φ2。
保偏光纤具有快轴和慢轴两个轴，这两根保偏光纤的保偏方向空间上互相垂直，即两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及两根光纤的慢轴互相垂直，分别经过第一和第二保偏光纤的入射光的偏振方向，在进入偏振棱镜前空间上互相垂直，从而保证从一根保偏光纤的入射光的偏振方向沿快轴，往返一圈偏振方向旋转90度后，返回光进入另一根保偏光纤的偏振方向仍然沿着另一根光纤的快轴，同理，一根保偏光纤的入射光的偏振方向沿慢轴，返回光进入另一根保偏光纤仍然沿着另一根光纤的慢轴。
以偏振方向沿慢轴为例：经过第一保偏光纤的入射光的偏振方向沿慢轴，经过准直透镜，以一个角度经过偏振棱镜，然后入射至法拉第旋转镜，其偏振方向被旋转45度，与双折射晶体的慢轴(或快轴)平行，获得相移φ1/2后，入射到反射镜上；经反射镜反射后返回，再次经过双折射晶体相移加倍为φ1；再次经过法拉第旋转器后偏振方向再旋转45度，与入射光的偏振方向互相垂直，由于返回光与入射光的偏振方向互相垂直，从偏振棱镜出射后的角度与入射光的角度不同，从而进入到第二保偏光纤中，由于第二保偏光纤与第一保偏光纤的慢轴互相垂直，因此偏振方向仍然沿着第二保偏光纤的慢轴，从而从第二保偏光纤出射。同样的方式，经过第二保偏光纤的入射光的偏振方向沿慢轴，经过准直透镜，以另一个角度入射至偏振棱镜，然后入射至法拉第旋转镜，其偏振方向被旋转45度，与双折射晶体的快轴(或慢轴)平行，获得相移φ2/2后，入射到反射镜上；经反射镜反射后返回，再次经过双折射晶体相移加倍为φ2；再次经过法拉第旋转器后偏振方向再旋转45度，与从第二保偏光纤出来的入射光的偏振方向互相垂直，由于返回光与入射光的偏振方向互相垂直，从偏振棱镜出射后的角度与入射光的角度不同，从而进入到第一保偏光纤中，由于第一保偏光纤与第二保偏光纤的慢轴互相垂直，因此偏振方向仍然沿着第一保偏光纤的慢轴，从而从第一保偏光纤出射。
保偏光纤采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种。保偏光纤中掺杂，使其具有增益特性。根据波长选择或设计保偏光纤，不受波长的限制。保偏光纤的端头进行角度或模场面积的处理。两根保偏光纤的保偏方向在空间上互相垂直。
双折射晶体包括快轴和慢轴两个轴。法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转一个角度，使偏振方向旋转至与双折射晶体的一个轴平行；而从另一跟保偏光纤的入射光经过同一个法拉第旋转器，其偏振方向被旋转到与双折射晶体的另一个轴平行。法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。
本发明的相位偏置器中的双折射晶体的快轴和慢轴引入非对称相移，导致与不同轴平行的偏振传播的光的相移差，即相位偏置。从第一保偏光纤入射，往返一圈从第二保偏光纤出射，发生相移为φ1，从第二保偏光纤入射，往返一圈从第一保偏光纤出射，发生相移为φ2，二者的相移差的大小由双折射晶体的性质和厚度决定，即其中，ne为e光的折射率，no为o光的折射率，l为双折射晶体的厚度，λ为波长。采用一块双折射晶体，或者采用系统或不同厚度的双折射晶体组合，构成特定的相位差，提供任意设置的相位偏置。
进一步，本发明还包括封装钢管，光纤夹持器、准直透镜、偏振棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体和反射镜依次安装在封装钢管中。
光纤夹持器采用与保偏光纤适配的定型石英玻璃管。偏振棱镜采用渥拉斯顿棱镜。
准直透镜将光纤输出的光准直，采用渐变折射率光纤或非球面透镜。
本发明的集成化反射式相位偏置器可以用于光纤激光器和光波-微波鉴相器。
本发明的光纤激光器包括：光纤分束器、波分复用器和相位偏置器；其中，光纤分束器包括第一至第四端口；锁模激光脉冲输入至光纤分束器的第一端口，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器和增益光纤输入至相位偏置器的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一个保偏光纤；从相位偏置器返回的锁模激光脉冲，经过光纤分束器的第三端口，从光纤分束器的第一端口和第四端口输出。
光纤分束器为2×2分束器，通过2×2分束器，将入射光分成两个相向传播的光，在相位偏置器中获得非对称相位差，再回到分束器，构成光纤环路；相向传播的光在分束器处发生干涉，导致分束器另外两端输出光的强度变化。与普通非线性光纤环路反射镜的区别在于，相位偏置器可预设分束器两个输出端的输出光的强度比，以及强度变化的方向和斜率。
本发明的光纤激光器可得到自启动的锁模激光脉冲列，且脉冲列的特性不受外界环境的干扰；可利用非线性偏振旋转锁模光纤激光器中能用到的所有脉冲形成机制，包括孤子、自相似、全正色散和放大自相似等。光纤激光器的输出端口可设为光纤分束器的第四端口，也可利用部分反射镜设在第一端口，或通过光纤式耦合分束器。第一端口也可以附加光纤反射镜，或者空间色散补偿装置和反射镜，或者滤波器；空间色散补偿装置例如棱镜对、光栅对、啁啾镜对等。光纤分束器可与反射镜和波分复用器集成，构成单个器件。光纤激光器会引入非线性效应，这种非线性效应，产生非线性相移；这种相移与相位偏置结合，形成对脉冲光和连续光的鉴别机制。根据偏置的正负，光纤分束器输出的第一和第四端口会产生对高功率脉冲的反射偏向，或透射偏向，这种偏向可以作为锁模脉冲的启动机制。
本发明的光波-微波鉴相器包括：平衡式光电探测器、环形器、光纤分束器、波分复用器和相位偏置器；其中，光纤分束器包括第一至第四端口；锁模激光脉冲通过环形器进入光纤分束器的第一端口，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器后输入至连接相位偏置器的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一根保偏光纤；从相位偏置器返回的锁模激光脉冲，再分别经过第二端口和第三端口输入至光纤分束器，分别从第一端口输出的锁模激光脉冲经过环形器后进入平衡式光电探测器的一个输入端口，从第四端口输出的锁模激光脉冲进入平衡式光电探测器的另一个输入端口，从平衡式光电探测器的输出端口输出直流电平。
输出端口的直流电平在平衡式探测器中获得平衡点附近的线性输出，这个线性输出与光-电信号的频率差成正比。这种线性关系可用来锁定光学频率与调制器上附加的射频频率。
本发明的优点：
本发明采用光纤夹持器中固定两根保偏方向互相垂直的保偏光纤，偏振棱镜将两路偏振方向互相垂直的光分开，只需要一个准直器、一个法拉第旋转器、一个双折射晶体，一个反射镜，体积小，稳定性高，价格低，不需要任何调节；用于光纤激光器，可得到自启动的锁模脉冲列，且脉冲列的特性不受外界环境的干扰，可应用到各种高噪声、重污染或发射等复杂环境；用于光波-微波鉴相器，可使其更加小型化，更不受外界干扰，工作更加可靠。
附图说明
图1为本发明的集成化反射式相位偏置器的示意图；
图2为本发明的集成化反射式相位偏置器用于光纤激光器的示意图；
图3为本发明的集成化反射式相位偏置器用于光波-微波鉴相器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的集成化反射式相位偏置器包括：光纤夹持器1、准直透镜2、偏振棱镜3、法拉第旋转器4、双折射晶体5、反射镜6、封装钢管7和两根保偏光纤8和8’；光纤夹持器1固定第一和第二保偏光纤8和8’，这两根保偏光纤的快轴互相垂直以及慢轴互相垂直，并且互为输入输出；经过第一保偏光纤8的入射光，偏振方向沿慢轴，经准直透镜2准直后，以一个角度经过偏振棱镜3入射至法拉第旋转器4；法拉第旋转器4将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体5的快轴平行；然后入射至双折射晶体5，发生相移φ1/2，垂直入射到反射镜6上；经反射镜6反射后原路返回，返回光再次经过双折射晶体5相移加倍为φ1；经过法拉第旋转器4后偏振方向旋再转45度，与入射光的偏振方向互相垂直；经过偏振棱镜3，由于返回光与入射光的偏振方向互相垂直，从偏振棱镜3出射后的角度与入射光的角度不同，从而进入到第二保偏光纤8’中，并且偏振方向任然沿着第二保偏光纤8’的慢轴，从第二保偏光纤8’出射。
经过第二保偏光纤8’的入射光，偏振方向沿第二保偏光纤8’的慢轴，以另一个角度经过偏振棱镜3入射至法拉第旋转器4；法拉第旋转器4将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体5的慢轴平行；往返一圈后，偏振方向沿着第一保偏光纤8的慢轴进入第一保偏光纤，从而从第一保偏光纤出射，发生相移为φ2，其中，φ1≠φ2。二者的相移差的大小由双折射晶体的性质和厚度决定，即
如图2所示，光纤激光器包括：光纤分束器12、波分复用器15、相位偏置器11以及元件18；其中，光纤分束12器包括第一至第四端口①～④；锁模激光脉冲输入至光纤分束器的第一端口①，连接第一端口①和第二端口②的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三端口③和第四端口④的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器15输入至相位偏置器11的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一个保偏光纤；从相位偏置器返回的锁模激光脉冲，经过光纤分束器的第三端口，从光纤分束器的第一和第四端口①和④输出。元件18可以是光纤反射镜，或者空间色散补偿装置和反射镜，或者滤波器。
如图3所示，光波-微波鉴相器包括：平衡式光电探测器14、环形器13、光纤分束器12、波分复用器15和相位偏置器11；其中，光纤分束器12包括第一至第四端口①～④；锁模激光脉冲16通过环形器13进入光纤分束器的第一端口①，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器后输入至连接相位偏置器的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一根保偏光纤；从相位偏置器11返回的锁模激光脉冲，再分别经过第二端口和第三端口输入至光纤分束器12，分别从第一端口输出的锁模激光脉冲经过环形器13后进入平衡式光电探测器14的一个输入端口，从第四端口输出的锁模激光脉冲进入平衡式光电探测器14的另一个输入端口，从平衡式光电探测器的输出端口17输出直流电平。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种集成化反射式相位偏置器，其特征在于，所述相位偏置器包括：光纤夹持器、准直透镜、偏振棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体和反射镜；其中，所述光纤夹持器固定第一和第二保偏光纤，这两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及慢轴互相垂直，并且互为输入输出；经过第一保偏光纤后，偏振方向沿第一保偏光纤的一个轴的入射光，经准直透镜准直后，以一个角度经过偏振棱镜入射至法拉第旋转器；所述法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体的一个轴平行；然后入射至双折射晶体，发生相移φ1/2后，垂直入射到反射镜上；经反射镜反射后返回，再次经过双折射晶体相移加倍为φ1；再次经过法拉第旋转器后偏振方向再旋转45度，与从第一保偏光纤出来进入偏振棱镜前的入射光的偏振方向垂直；经过偏振棱镜，由于返回光与入射光的偏振方向互相垂直，从偏振棱镜出射后的角度与入射光的角度不同，从而以另一个角度从偏振棱镜出射后经准直透镜进入到第二保偏光纤中，并且偏振方向沿着第二保偏光纤的同一个轴，从而从第二保偏光纤出射；同样的方式，经过第二保偏光纤的入射光，偏振方向沿着第二保偏光纤的一个轴，沿着相反的路径往返一圈后，经法拉第旋转器旋转后使得偏振方向与双折射晶体的另一个轴平行，发生相移为φ2，偏振方向沿着第一保偏光纤的同一个轴进入第一保偏光纤，从而从第一保偏光纤出射，其中，φ1≠φ2。
2.如权利要求1所述的相位偏置器，其特征在于，所述法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转一个角度，使偏振方向旋转至与双折射晶体的一个轴平行；而从另一跟保偏光纤的入射光经过同一个法拉第旋转器，其偏振方向被旋转到与双折射晶体的另一个轴平行。
3.如权利要求2所述的相位偏置器，其特征在于，所述双折射晶体的快轴和慢轴引入非对称相移，导致与不同轴平行的偏振传播的光的相移差，即相位偏置，从第一保偏光纤入射，往返一圈从第二保偏光纤出射，发生相移为φ1，从第二保偏光纤入射，往返一圈从第一保偏光纤出射，发生相移为φ2，二者的相移差的大小由双折射晶体的性质和厚度决定，即其中，ne为e光的折射率，no为o光的折射率，l为双折射晶体的厚度，λ为波长。
4.如权利要求1所述的相位偏置器，其特征在于，所述偏振棱镜采用渥拉斯顿棱镜。
5.如权利要求1所述的相位偏置器，其特征在于，还包括封装钢管，所述光纤夹持器、准直透镜、偏振棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体和反射镜依次安装在封装钢管中。
6.如权利要求1所述的相位偏置器，其特征在于，所述保偏光纤采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种。
7.如权利要求1所述的相位偏置器，其特征在于，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。
8.一种采用如权利要求1所述的集成化反射式相位偏置器的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括：光纤分束器、波分复用器和相位偏置器；其中，光纤分束器包括第一至第四端口；锁模激光脉冲输入至光纤分束器的第一端口，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器和增益光纤输入至相位偏置器的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一个保偏光纤；从相位偏置器返回的锁模激光脉冲，经过光纤分束器的第三端口，从光纤分束器的第一端口和第四端口输出。
9.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，在第一端口附加光纤反射镜，或者空间色散补偿装置和反射镜，或者滤波器。
10.一种采用如权利要求1所述的集成化反射式相位偏置器的光波-微波鉴相器，其特征在于，所述光波-微波鉴相器包括：平衡式光电探测器、环形器、光纤分束器、波分复用器和相位偏置器；其中，光纤分束器包括第一至第四端口；锁模激光脉冲通过环形器进入光纤分束器的第一端口，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第二和第三端口输出；从第二端口输出的锁模激光脉冲通过波分复用器后输入至连接相位偏置器的一根保偏光纤；从第三端口输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器的另一根保偏光纤；从相位偏置器返回的锁模激光脉冲，再分别经过第二端口和第三端口输入至光纤分束器，分别从第一端口输出的锁模激光脉冲经过环形器后进入平衡式光电探测器的一个输入端口，从第四端口输出的锁模激光脉冲进入平衡式光电探测器的另一个输入端口，从平衡式光电探测器的输出端口输出直流电平。
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