十、非保偏光纤激光器输出偏振状态分析

1引言

　　利用琼斯矩阵理论，建立了非保偏光纤光栅环形激光器偏振特性的简化分析模型。通过实验验证，利用此模型的分析结果与实验结果是一致的。分析表明，采用非保偏光纤制成的激光器，能够得到较稳的功率输出，但偏振态紊乱；而简单地加入起偏器会使激光器的输出功率稳定性发生恶化，而且偏振特性也得不到改善。而要利用非保偏光纤实现单偏振输出，必须对激光器采取特殊的偏振控制措施。

　　光纤激光器以其与光纤的良好兼容性、高功率等优点吸引了广大研究者的注意力，各种不同结构和特性的光纤激光器不断见诸报道。虽然在仪器测试、激光加工等领域对激光器的偏振特性没有要求，但仍有许多应用领域如光纤通信外调制、光纤陀螺、传感等都对激光器的偏振特性有严格要求，要求其有单偏振输出。采用保偏光纤制作激光器是实现单偏振输出最容易的方法，但由于保偏掺杂光纤价格昂贵，使其应用受到了严格限制。人们一直在探索用普通掺杂光纤实现单偏振输出，并提出了多种结构，但对于光纤激光器偏振特性的理论分析却非常少。本文利用琼斯矩阵理论，针对采用非保偏光纤和光纤光栅选频的光纤环形激光器建立分析其偏振特性的简化模型。

　　2理论分析

　　用光纤光栅作为选频元件是光纤激光器的一种典型结构，利用琼斯矩阵的理论来分析光纤光栅环形腔激光器的偏振特性，采用其他选频元件的激光器也可用类似的分析方法。

　　由于光纤光栅激光器的全光纤结构，在考虑其偏振特性时，可以把它简化成如图1所示结构，其中所用的波分复用器(WDM)，环形器和耦合器都是偏振无关的，而掺杂光纤是非保偏的。

　　在忽略光纤中的损耗时，无论双折射怎样分布，一段非均匀双折射光纤的传输矩阵总可以由一个位相片加一个旋光片来表征，用琼斯矩阵表示出来，如下式所示

　　其中，α为位相片与x轴的夹角，2τ为位相片的相移，β为旋光片的旋转角。

　　所以对于环形腔激光器来说，如果忽略从耦合器输出的一小部分光，及各个元件的插入损耗，其环形谐振腔的传输矩阵就可以由式(1)来表示，但其中的三个参变量α，β，τ是随着光纤本身和环境不断变化的。

　　如果考虑采用高反射率光栅作为选频器件的情况，则可忽略光栅的反射损耗，将光栅等效成一小段非均匀双折射光纤。所以其传输矩阵也可表示为

　　Tg=P(αg)D(τg)P(βg)(2)

　　其中αg，βg，τg的物理意义分别与α，β，τ相同。

　　对于激光器来说，总的传输矩阵可以表示为

　　Tt=T·Tg=P(α)D(τ)P(β)P(αg)D(τg)P(βg) (3)

　　经过计算可知

　　P(α)D(β)=D(β)P(α)，P(α)P(β)=P(α+β) (4)

　　利用这个关系可以把式(3)变为

　　Tt=P(α+β+αg+βg)D(τ+τg)=P(α)D(β) (5)

　　由式(5)可知，可以用两个变量α，β来讨论光纤光栅环形激光器的偏振特性。

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