分布反馈光纤激光保偏输出的偏振耦合实现方法.pdf

第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 5 3-0 3分布反馈光纤激光保偏输出的偏振耦合实现方法赵 敏1,王孟军1,朱宗玖2,*(1.淮南师范学院,安徽 淮南2 3 2 0 0 1;2.安徽理工大学,安徽 淮南2 3 2 0 0 1)摘 要:将D F B-F L(d i s t r i b u t e df e e d b a c kf i b e r l a s e r)刻写在单模掺铒光纤上,为了实现激光器的运转具备单偏振的特性,可通过操作偏振曝光量来实现。D F B-F L输出尾纤可以用保偏熔接机将其更换为保偏光纤,在转动D F B-F L调整激光偏振方向与保偏光纤慢轴夹角的同时,通过功率计和消光比测试仪监测激光功率和偏振消光比变化,当激光功率最大且偏振消光比最大时,则D F B-F L激光和保偏光纤实现偏振耦合。实验得到了偏振消光比大于3 0 d B、偏振态为线偏振光的D F B-F L,激光效率、线宽、噪声等均未发生明显变化。关键词:光纤激光器;分布反馈光纤激光器;保偏光纤激光器;线偏振中图分类号:T N 2 4 8.1 文献标识码:A0 引 言激光的相干性是激光技术最大性能优点之一。对相干性产生影响的关键技术指标主要是线宽和偏振。具有窄线宽单偏振特点的激光器,在光纤陀螺1,2、光纤传感3,4方面具有非常大的应用空间,此外,其在相干光束合成5等方向同样也有很高的应用价值。单偏振窄线宽激光器是基于窄线宽激光器进行偏振模式控制和保偏光纤传输而实现。最常用的有以下几种方式:保偏光纤耦合输出的外腔半导体激光器6、基于保偏光纤光栅谐振腔的分布布拉格反射光纤激光器7和全保偏光路的环形腔光纤激光器8等。在窄线宽激光器中,具有单纵模运转能力的激光器相对其它激光器来说较为稳定。参数的刻写是通过优化光栅来实现的,控制单侧曝光造成的光栅极化程度,能够实现单线偏振的激光振荡输出,如此构成的即为分布反馈光纤激光器的一种。由于目前尚未研究开发出保偏的掺铒光敏光纤,因此无法直接刻写具有保偏性能的D F B-F L,激光经单模尾纤输出无法保持激光器的单线偏振性能。从这个角度可以理解,在保持偏置的光纤耦合传输中学习从外腔半导体激光的经验,把具有窄线宽单的单偏振性能激光通过监测激光功率和偏振所产生的消光比大小变化所得到的数据加以利用,将D F B-F L输出尾光纤替换为一种保持偏置的光纤、通过D F B-F L激光偏振方向的反馈调节,并且在激光偏振方向与保偏光纤慢轴角度一致及低损耗融合的前提下,最终可完成D F B-F L激光器偏振模耦合和保偏输出。图1(a)D F B-F L基本结构图;(b)线偏振激光耦合输出原理图1 实验原理D F B-F L大多为紫外激光器在感光掺铒光纤上刻写相移光纤光栅。由文献9 可知,侧面曝光容易使得光栅产生极化现象,不同曝光量造成的极化程度不一样,从而光栅中会存在单偏振或双偏振模收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 4基金项目:国家自然科学基金(6 1 7 0 1 4 3 4,6 1 7 3 5 0 1 0,6 1 6 7 5 1 4 7)。作者简介:赵敏(1 9 8 8-),女,安徽阜阳人,助教,硕士,研究方向:数字信号处理。通讯作者:朱宗玖(1 9 6 3-),男,安徽淮南人,教授,博士,研究方向:光纤道信、光纤传感器、光纤激光器、电磁场理论。佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年振荡。而同时由于光栅强度沿长度分布的非均匀性,造成了激光增益的空间烧孔等等效应,从而也影响着激光运转的偏振稳定性。通过控制曝光强度从而控制光栅的极化量在某范围,能够消除光纤激光器中的激光偏振模竞争现象,因此,D F B-F L具有在相对稳定的单纵向模式下的单偏振的工作特性1 0。图1(a)为D F B-F L的基本结构图。通过波分复用器(WDM)的耦合,然后泵浦光进入到掺铒相移光纤光栅所得到的增益介质谐振腔中。采用通过波分复用和隔离器的方式输出激光,在泵浦光的作用下生成单纵模的线偏振激光器,而余下的泵浦光通过掺铒相移的光纤光栅尾纤输出。但是这种输出方式的尾纤很难维持线偏振特性,出现这一现象的原因是该光纤光栅尾纤的光纤是单模模式。这就很大程度上限制了传输距离,超出合适的阈值后这种光纤光栅尾纤在激光的传输过程中会转变为偏振光。且这种偏振光为椭圆形,这种情况下就会造成偏振的消光比极不稳定,非常不利于激光传输的性能保持,加上偏振消光比会随着光纤传输过程中无法避免的非人为原因造成的光纤弯曲、老化等问题变化很大,可控范围很小。为此,必须设法解决这一问题。(a)单偏振D F B-F L光谱 (b)双偏振D F B-F L光谱图2 D F B-F L激光光谱 在紫外光条件下,其照射的方向确定了在刻写光纤光栅的同时确定了D F B-F L中激光器的偏振方向。当刻写完成后,偏振方向也随之定下来。若沿着轴不断旋转、转动光纤光栅时,激光的偏振方向也相应地旋转。从这一方面来说,就可以用保偏光纤重新耦合熔接到掺铒相移光纤光栅弱侧,在保证激光偏振方向与保偏光纤光轴一致的情况下,能够得到线偏振激光的保偏激光输出。激光偏振耦合输出原理如图1(b)所示,泵浦光首先经过保偏波分复用器(PM-WDM)进入保偏光纤,将掺铒相移光纤光栅弱侧的原单模尾纤切掉,然后将保偏光纤和光纤光栅(掺铒相移光纤光栅)用保偏熔接机实现待熔接状态的光纤包层对齐,激光经PM-WDM和保偏隔离器(PM-I S O)输出后用消光比测试仪和功率计进行测量。保偏光纤截面有快轴慢轴,而PM-I S O则属于保偏光纤工作面里慢轴的那一分类,这里的起偏器和检偏器就是由这二者构成的。当旋转掺铒相移光纤光栅发生角度的变化时,伴随着激光偏振方向和偏移光纤慢轴角度的变化,输出激光功率和偏振消光比都将变化。当激光偏振方向与保偏光纤慢轴方向一致时,激光输出功率最大且偏振消光比最高,此时输出的激光的偏振态为线偏振激光。2 实验结果及分析一般情况下,控制掺铒相移光栅的k L值在9-1 2范围,(=2 n,n为光栅折射率调制量,L为光栅长度),能保证D F B-F L具有较低泵浦阈值功率,且能够抑制偏振模竞争,实现单偏振激光输出。根据上述原理制作了k L值为1 1.3的单偏振D F B-F L,并测量其激光光谱,结果如图2(a)所示。同时制作了一支k L值为1 4.2的双偏振D F B-F L与单频单偏振D F B-F L进行对比,结果显示,光谱仪0.1 6 p m分辨率能够分辨激光为单偏振模式或双偏振模式,双偏振D F B-F L激光光谱如图2(b)所示。一般情况下,光纤侧面曝光导致的光栅极化折射率差一般在1 0-5量级1 1,激光双偏振模式的波长差在十几p m。通过在保偏熔接机上作用,依照图1(b)所体现的过程,使位于包层上的保偏光纤与样品激光器掺铒相位偏移的光纤光栅对齐,在保持前者不动的情形下,启用泵浦光光源,通过改变掺铒相移光纤光栅的轴向角度得到激光功率与偏振消光比两个量的值。用手动的方式,在掺铒相移光纤光栅侧夹具每转动1 0 角度的情况下,测得激光功率数值,将变化情况分别绘制成图,如图3。45第4期赵 敏,等:分布反馈光纤激光保偏输出的偏振耦合实现方法图3 随转动角度而变化的激光输出功率图4 随旋转角度而变化的激光偏振消光比上述方法测得偏振消光比数值变化情况,并绘制成图4所示。由图像观察到,偏振消光比中只出现了一次峰值是在1 8 0 的角度变化中测得的。在夹具转动到-4 0 左右时,激光偏振方向与保偏光纤慢轴一致,此时耦合输出的激光功率和偏振消光比分别达到了最大值。按照上述方法,先让光纤保持在对准的状态,然后再来进行放电、进行熔接,这样,D F B-F L的状态即为分布反馈光纤激光器的输出。图5是使用了A g i l e n tN 7 7 8 8 B偏振分析仪,来对激光的偏振状态进行测量,得出的结果。图中可以明显看出来,在测量时的激光偏振度D O P的值是1,是稳定的完全偏振光状态。在这时,再对光纤的偏振消光比进行测量,测得此时是完全大于3 0 d B的,而且,这个数值也会大概率保持稳定,即使对其进行一系列的弯曲和扭转等动作。图5 基于A g i l e n tN 7 7 8 8 B偏振分析仪的保偏 D F B-F L的激光偏振态后续实验分别测量了D F B-F L的斜率效率以及激光线宽,分别是基于单模尾纤状态和保偏尾纤状态时。从图6(a)中可以看出保偏尾纤状态下激光斜率效率要低一些,导致这一现象的原因是保偏尾纤比掺铒光纤的模场失配度更高,造成熔接损耗高,但是激光线宽特性还是呈现了优异的稳定状态,这是很关键的一点。(a)(b)图6 激光效率和线宽变化3 结 语提出了一种偏振耦合工艺实现D F B-F L保偏输出的方法,方法在窄线宽线偏振激光光源的使用上选择了常规的单模光纤D F B-F L,将D F B-F L尾纤更换为保偏尾纤,保偏光纤光轴和激光偏振方向的对准耦合是基于保偏熔接机完成的,使窄线宽激光能保偏输出。通过实验可知,可得到稳定的线偏振光,并且得到3 0 d B以上的激光偏振消光比,激光线宽也没有明显变化,与此同时,激光斜率效率能保持在1以上。(下转7 5页)55第4期苗景琦,等:GWO-P I D控制算法的汽车线控转向系统研究5 罗建南,朱光钰,杨浩瀚,等.线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究J.机械工程学报.2 0 1 9,5 5(2 2):1 6 5-1 7 3.6 檀振贤,金阳,刘成武.主动后轮转向对车辆操纵稳定性的影响J.机械设.2 0 2 2,3 9(S 2):5 6-6 1.7 刘文营,刘伟,崔晓川.二自由度车辆动力学模型的扩展研究J.中国测试,2 0 1 6,4 2(S 2):7 6-7 9.8 M aBX,W a n gYF.A d a p t i v eO u t p u tF e e d b a c kC o n t r o l o f S-t e e r-b y-W i r eS y s t e m sW i t hE v e n t-T r i g g e r e d C o mm u n i-c a t i o nJ.I E E E/A S ME T r a n s a c t i o n s o n M e c h a t r o n i c s,2 0 2 1,2 6(4):1 9 6 8-1 9 7 9.9 罗玉涛,郭海文.线控转向系统的自适应神经网络滑模控制J.华南理工大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 9(0 1):6 5-7 2.1 0 李红娟,王泽政,王永富.线控转向系统的自适应高阶滑模控制J.控制与决策,2 0 2 1,3 6(6):1 5 2 9-1 5 3 6.R e s e a r c ho nA u t o m o b i l eS t e e r i n g-b y-W i r eS y s t e mB a s e do nGWO-P I DC o n t r o lA l g o r i t h mM I A OJ i n g q i1,X I A OP i n g1,*,G U IF e i2(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,A n h u iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,W u h uA n h u i2 4 1 0 0 0,C h i n a;2.C h e r yH o l d i n gG r o u pC o.,L t d.,W u h uA n h u i 2 4 1 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l e s t e e r i n gs y s t e m,i t s s t e e r-b y-w i r es y s t e mi ss t u d i e d.F i r s t l y,b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f s t e e r-b y-w i r es y s-t e m,i t sd y n a m i cm o d e l i se s t a b l i s h e d.B a s e do nMAT L A B/S i m u l i n ks o f t w a r e,i t ss i m u l a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d.O n t h i sb a s i s,t h eP I Dc o n t r o l a l g o r i t h mo f s t e e r-b y-w i r e s y s t e mi s s t u d i e d t o c o n t r o l t h ef r o n tw h e e l a n g l e.I no r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m,t h eg r e yw o l fa l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z e t h eP I Dp a r a m e t e r s.F i n a l l y,t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i s c a r r i e do u t u n d e r t h e e x p e r i-m e n t a l c o n d i t i o no fd o u b l el i n es h i f t i n g.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t u d i e ds t e e r i n gs y s t e m h a sg o o ds t e e r i n gp e r f o r m a n c e.C o m p a r e dw i t hP I Dc o n t r o la l g o r i t h m,GWO-P I Dc o n t r o la l g o r i t h mc a nm a k et h ek e yi n d e xp a r a m e t e r so fa u t o m o b i l es t e e r i n gr e a c ht h es t e a d y-s t a t ev a l u ef a s t e r,a n di m p r o v et h es t e e r i n gs t a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f e t yo f a u t o m o b i l e.K e yw o r d s:v e h i c l e;s t e e r-b y-w i r e;d y n a m i cm o d e l i n g;GWO-P I Dc o n t r o l;s i m u l a t i o ne x p e r-i m e n t(上接5 5页)参考文献:1 饶范均,陈淑芬,付雷,等.双向振荡的偏振分离型光纤激光陀螺J.光学学报,2 0 1 1,2 1(4):0 4 0 6 0 0 1-1-6.2 廖恢齐,罗荣亚,邓圣,等.双偏振光纤陀螺光源特性研究J.中国激光,2 0 1 6,4 3(5):0 5 0 5 0 0 9-1-8.3 裴丽,翁思俊,吴良英,等.光纤激光传感系统的研究进展J.中国激光,2 0 1 6,4 3(7):0 7 0 0 0 0 1-1-7.4 李东明,陈军,葛辉良,等.高灵敏度加速度抵消型分布反馈有源光纤 光 栅 水 听 器 研 究 J.中 国 激 光,2 0 1 2,3 9(3):0 3 0 5 0 0 5-1-7.5 刘泽金,周朴,徐晓军,等.高功率光纤激光相干合成的研究进展J.中国科学:技术科学,2 0 1 3,5 6:1 5 9 7-1 6 0 6.6 孙广伟,魏芳,张丽,等.基于保偏光纤光栅的低噪声外腔半导体激光器J.中国激光,2 0 1 8,4 5(6):0 6 0 1 0 0 4-1-7.7 史伟,付世杰,房强,等.基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器J.红外与激光工程,2 0 1 6,4 5(1 0):1 0 0 3 0 0 1-1-9.8 申民常,徐文成,陈伟成,等.单偏振控制器环形腔光纤激光器实验研究 J.光学学报,2 0 0 7,2 7(1 1):2 0 0 3-2 0 0 7.9 E r l e n dR,M i c h a e lNZ,a n d J o nT h o m a sK.M o d e l i n go f p o l a r i-z a t i o n-m o d e c o m p e t i t i o n i n f i b e rD F BL a s e r sJ.I E E EJ o u r n a lo fQ u a n t u mE l e c t r o n i c s,1 9 9 8,3 4(9):1 5 5 9-1 5 7 0.1 0 徐团伟,李芳,刘玉梁,等.分布反馈光纤激光器模式特性分析J.中国激光,2 0 0 7,3 4(1 0):1 3 5 8-1 3 6 2.1 1 高社成,励强华.均匀光纤布拉格光栅的反射偏振相关损耗特性 J.光学学报,2 0 1 1,3 1(3):0 3 0 6 0 0 4-1-6.P o l a r i z a t i o nC o u p l i n gI m p l e m e n t a t i o nM e t h o do fD i s t r i b u t e dF e e d b a c kF i b e rL a s e rP o l a r i z a t i o nM a i n t a i n i n gO u t p u tZHA O M i n1,WANG M e n g j u n1,ZHUZ o n g j i u2,*(1.H u a i n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,H u a i n a nA n h u i 2 3 2 0 0 1,C h i n a;2.A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H u a i n a nA n h u i 2 3 2 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:D F B-F Li sw r i t t e no ns i n g l em o d eE r b i u m-d o p e df i b e r.I t sc h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep o l a r i z a t i o no p e r a t i o nc a nb e r e a l i z e db yp o l a r i z a t i o ne x p o s u r e.T h eD F B-F Lo u t p u t t a i l f i b e r c a nb e r e-p l a c e dw i t ht h ep o l a r i z a t i o n-m a i n t a i n i n g f i b e rb yu s i n g t h ep o l a r i z a t i o n-m a i n t a i n i n gw e l d i n gm a c h i n e.Wh i l ea d j u s t i n gt h ea n g l eb e t w e e nt h el a s e rp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o na n dt h es l o wa x i so ft h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r,t h ec h a n g e so f l a s e rp o w e r a n dp o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i ow e r em o n i t o r e db yp o w e rm e t e r a n de x t i n c t i o nr a t i o t e s t e r.Wh e n t h e l a s e rp o w e r i sm a x i m u ma n d t h ep o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i oi sm a x i m u ma l s o,t h ep o l a r i z a t i o nc o u p l i n gb e t w e e nD F B-F La n dp o l a r i z a t i o n-m a i n t a i n i n gf i b e rc a nb ea c h i e v e d.T h e e x p e r i m e n t o b t a i n e dD F B-F Lw i t hp o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i og r e a t e r t h a n3 0 d Ba n dp o l a r i z a t i o ns t a t ea sl i n e a rp o l a r i z e dl i g h t,w i t h o u tl a s e re f f i c i e n c y,l i n ew i d t h,n o i s e,e t cs i g n i f i c a n tc h a n g e se x a c t l y.K e yw o r d s:f i b e r l a s e r;d i s t r i b u t e d f e e d b a c k f i b e r l a s e r;p o l a r i z a t i o n-m a i n t a i n i n g f i b e r l a s e r;l i n-e a rp o l a r i z a t i o n57