一种光的偏振合波与消偏的方法 技术领域
本发明涉及一种光的偏振合波与消偏的方法，是将泵浦光的偏振合波与消偏技术相结合，同时实现偏振合波的功能与消偏功能的方法。
背景技术
喇曼放大器的工作机理不是能级跃迁，而是受激喇曼散射效应，信号放大的过程实际上就是信号光场与泵浦光激发的受激喇曼散射场之间的相互作用。这种相互作用严重依赖于两个光场之间地偏振关系。当信号光场与散射光场的偏振方向垂直时，信号光不能有效放大；当两者的偏振化方向平行时，则信号光能够获得最大限度的放大；其他的偏振关系获得放大作用处于前两者之间。受激喇曼散射光场的偏振化方向与泵浦光的偏振方向相同，因此，信号光的喇曼增益的偏振相关性主要是由泵浦光的偏振特性引起的。为了克服或减小信号光的喇曼增益的偏振相关性，必须对喇曼泵浦源进行消偏处理。在分布式喇曼放大器中，增益介质就是传输光纤本身。传输光纤接近理想的圆柱波导，其消偏能力比较小，不能满足商用化的要求，特别是前向泵浦的喇曼放大器，增益为10dB时，偏振相关增益(PDG)高于0.5dB，因此必须找出有效的方法来减小偏振态的影响。
传统的方法是通过同一波长上采用两个激光器通过偏振耦合，使得增益介质中相互垂直的两个电场方向上的泵浦功率大致相等。这种方案增加了激光器的个数，同组的两个激光器输出功率不同时，也会使PDG增大，同时PDG的减少还受到泵浦光输出消光比的限制。经检索与之相关的现有技术是美国专利5,812,583，申请日是1998年9月22日和5,999,544，申请日是1999年12月7日。上述专利采用两个棱镜，仅有消偏功能，没有合波功能。
技术方案
通常泵浦方式是由多个大功率的泵浦激光器通过偏振合波器(PBC)的两两合波再通过WDM波分复用而获得。本发明的目的是为该领域提出一种偏振合波与消偏(PBC/D)相结合的技术，它将偏振合波的功能与消偏功能通过一个器件来完成。
本发明的光的偏振合波与消偏的方法的具体技术方案是：将两束线偏振光通过棱镜合波后进入消偏波片，将偏振方向沿快轴的光称为快轴光，偏振方向沿慢轴的光称为慢轴光，消偏波片的厚度满足对快轴光和慢轴光的光程差大于光源的相干长度。
所述的偏振合波与消偏方法，其合波棱镜采用渥拉斯顿棱镜。
所述的偏振合波与消偏方法，其消偏波片可设两级，两级波片的材料可相同，也可不同。当两级材料相同时，厚度为d1＝2d2。其消偏波片也可设一级，波片的厚度d1由光源的谱型和波片的材料共同决定。对于洛化兹谱型，当波片材料为矾酸钇(YVO4)晶体时，d1约为2.9mm。
所述的偏振合波与消偏方法，其渥拉斯顿棱镜的光轴与消偏波片的光轴夹角为45°。
用本发明的方法设计的光的偏振合波与消偏的混合器件，它依次由双芯保偏准直器、渥拉斯顿棱镜、消偏波片和单芯保偏准直器结合而成，渥拉斯顿棱镜满足将两束偏振方向互相垂直的线偏光合为一束，输出光垂直于渥拉斯顿棱镜的输出端面，消偏波片的厚度满足对快轴光和慢轴光的光程差大于光源的相干长度。
所述的偏振合波与消偏的混合器件，消偏波片可设两级，两级波片的材料可相同，也可不同，当两级波片的材料相同时，两级波片的厚度d2＝2d1。消偏波片也可设一级，波片的厚度d1由光源的谱型和波片的材料共同决定，对于洛仑兹谱型，当波片的材料为矾酸钇YVO4晶体时，d1为2.9mm。
本发明的优点是：
1、同组波长不需要两个激光器。
2、在完成合波的同时完成消偏，应用更为方便灵活。
附图说明
附图1是本发明的原理结构，图2是渥拉斯顿棱镜的光轴与消偏波片的光轴夹角示意图，图3是消偏波片的两级结构示意图，图4是本发明的典型应用实例图。图中1代表双芯保偏准直器、2和3代表构成渥拉斯顿棱镜的两个楔型棱镜、4代表消偏波片、5代表单芯保偏准直器、LD1-LD4代表四个泵浦激光器、λ1-λ4代表相应泵浦激光器的波长、PBC/D代表偏振合波与消偏器、WDM代表波分复用器、I为渥拉斯顿棱镜的出射端面、II代表消偏波片的入射端面。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：偏振合波与消偏器的原理结构如图1所示：从双芯准直器1出射的两束偏振光，其偏振化方向分别沿着楔型棱镜2的快轴方向和慢轴方向，由于两束线偏光分别来自两个不同的激光器，彼此之间不相干，经渥拉斯顿棱镜(2和3)偏振合波后，成为一束光，垂直入射消偏波片4，消偏波片的厚度满足对快轴光和慢轴光的光程差大于光源的相干长度。
楔型棱镜3的光轴与消偏波片4的光轴夹角为45°，实际上是越接近45°越好，如图2所示。
消偏波片的结构有一级和两级的方案：
1、一级时，用一块厚度为d1的高双折射晶体，d1由光源的谱型和波片的材料共同决定，对于洛仑兹谱型，当波片的材料为矾酸钇YVO4晶体时，d1约为2.9mm。
2、两级时，用两块厚度分别为d1和d2的高双折射晶体，彼此之间的光轴夹角为45°，两极波片的材料可相同，也可不同，当两极波片的材料相同时，厚度为d2＝2d1。这种消偏波片的结构属于本方案最佳实施例，如图3为两极波片的材料相同时的结构图。
分析可知，实际上，第一种结构是第二种结构的特例。
利用琼斯矩阵来对两极消偏波片结构进行分析，利用相干矩阵和相干函数的概念得出：当波片的厚度满足下面的不等式方程组(1)时，单芯保偏准直器输出光的DOP最小：
式中，Δλ为泵浦光的线宽，λ0为泵浦光的中心波长，|n0-ne|为波片对快轴光和慢轴光的折射率差，α由泵浦光的谱型决定，对于洛化兹谱，α＝6.9时，相干函数等于0.001，认为此时对快轴光和慢轴光的光程差大于光源的相干长度。
根据式(1)，对于不同的波片材料和泵浦光谱型，可求出d1和d2，对于典型矾酸钇晶体和洛化兹谱型和给定的中心波长，可得出d1≈2.9mm，d2＝2d1。
满足式(1)后得出的相干度可化简为：
DOP＝|cos(2θ)cos(2θp) (2)式中：θp为图1中II处泵浦光的偏振方向与II处消偏波片光轴的夹角；θ为两块波片光轴的夹角。
当θ或θp为45°时，DOP为0。为了减小泵浦光源消光比的限制，我们取θ和θp同为45°。
同理可以得到：当消偏器由一块波片构成时，根据式(1)，可以求出晶体的长度d1。此时，输出光的偏振度为：
DOP＝|cos(2θp)| (3)
此时，我们取θp为45°即可实现消偏。
采用PBC/D的合波消偏方案的应用如图4所示：虚线内为本发明的方法所在。
综上所述，将偏振合波与消偏功能集成的方法是本发明的核心。因此，任何将两者结合，特别是用棱镜合波与用波片消偏结合起来的技术方案，均属于本发明的保护范围。