一种谐波变频模块的制作方法

专利名称：一种谐波变频模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及的谐波变频模块包括保偏(PM)光纤光链路，通过在谐波频率模块偏 振畸变结构后的PM光纤光链上，加入一个或更多偏振器来稳定功率起伏的输出。去除 这些畸变以稳定起伏的输出功率，并且更明显的去除对谐波变频元件输出有明显负面效 应的噪声。
背景技术：
用于二次谐波产生(SHG)的非线性晶体或例如和频产生(SFG)或三次谐波产生 晶体的其它变频装置，是高度偏振敏感的，只转换一种线性偏振光(水平或垂直取决于 晶体切割)。模块通过耦合保偏(PM)光纤到非线性晶体来提供线性偏振泵浦光，这种 结构已满足非线性晶体的偏振敏感性。然而，这种光系统在它的输出中产生功率起伏和 噪声。 二次谐波产生(SHG)是从长波激光光源获得短波相关光的普遍应用技术。这是一 个非线性过程，所谓的泵浦光束和光非线性介质相互作用，在二次谐波产生的情况下， 产生了二次谐波光束，二次谐波光束的频率是泵浦光束频率的两倍。也就是说，二次谐 波的自由空间波长是泵浦自由空间波长的一半。任何缺少反转对称的材料可以作为二次 谐波产生的光非线性介质。通常使用的材料包括铌酸锂，掺MgO铌酸锂和KTP (KTiOP04)。 二次谐波产生是一类方法里的一种，都被称作非线性混频。包括非线性晶体 的典型波导装置，利用周期性极化脊形波导光结构来产生或放大来自于输入或泵浦的希 望波长的相干光。如图1所示SHG模块100,包括外腔激光器IO, PM光纤光链路20,和非线性晶体 波导结构30。外腔激光器10包括半导体增益芯片12,其提供了带有密封光纤的密封包 装14， 14含有密封光纤耦合到带有光纤光栅18的PM光纤外腔16。 PM光纤光链路20
包括外腔16和到非线性晶体波导结构30的光纤链路22, PM光纤光链路20能够耦合到 离散分块融合中的光栅18，该分块融合则是与光栅18的任意一端耦合的，或者可以用 光纤布拉格光栅直接压印入从半导体增益芯片12到非线性晶体波导结构30的单光纤链 路。非线性晶体波导结构30也可以提供带有耦合到光纤链路22的密封光纤的密封包装 32,并且另一密封光纤耦合到输出光纤34。准直器36耦合到光系统并终止输出光纤34。 但是如上面所述，这样的光系统在它的输出中产生功率起伏和附加多余的噪声。
分析此问题可以揭示导致谐波变频模块功率输出和噪声不稳定的因素。PM光纤用 来传输偏振光。但它们的传输是两种高度偏振，因此输出光的偏振质量依赖于a)引入 光的偏振质量，b)输入和所有介质元件的对准质量。如果引入偏振容易控制，那么对准 质量往往可以控制。如果不理想，两种正交偏振模式以不同的传播速度在PM光纤中传 播不可避免的。因为PM光纤是温度敏感的，双折射随温度的变化而变化，双折射即是在正交轴之 间的折射率分布差An，两个正交偏振模式在随光纤温度变化而变化的光纤输出处有相 移。此外，作用于PM光纤的外部应力(例如在光纤套圏，夹具和引线处的焊接)引起光 偏振属性的变化。因此在焊接前理想的对准，可能在焊接后被破坏。这些影响的结果可 以统计观察，但不可控制。如果在输出处的分析仪器(例如非线性晶体)是偏振敏感的， 干涉引起的偏振拍频，将作为非控制，或严格控制的函数产生功率振动。这些参数包括 在光纤路径范围内的每一个元件的温度，光纤上的应力，激光泵浦电流和泵浦功率以及 大气压力，所有这些在光纤链路内都可以影响偏振消光比(PER)。这样的功率起伏包括 快成分，而快成分会在宽光谱范围内产生附加噪声。 PER减低导致两种线性偏振态的光耦合到PM光纤链路。耦合到快轴和慢轴的光到达 时有相差。如果有至少两个PER减低点，这会导致每个轴上的偏振混合，产生干涉。相 对相差随温度变化，改变干涉并改变耦合到谐波变频器的光的量。这导致谐波变频器输 出的幅度起伏。通过控制生产工艺来提高双折射光纤轴到线性偏振泵浦光的对准是可能的，在焊接 位置和密封引线的双折射光纤的应力更难控制。如图l所示，主要偏振畸变点是光纤夹 具上的应力引起的最严重偏振畸变区域，被标示X1。光纤光栅也是一个潜在的偏振畸变 源并作为较小的偏振畸变点被标示X2。在这些畸变点，垂直于非线性晶体波导变换的一 次线性偏振的二次寄生线性偏振被引入PM光纤链路。PM光纤的双折射在光传输的快轴 和慢轴之间引起干涉。随着温度的变化，光纤的双折射变化，改变了一次线性偏振的传
输功率。这部分解释了输出功率起伏。另一对于输出功率的干扰是由噪声引起的。 [10]由Xinhua Gu等申请的美国专利申请号2005/0226278，在光纤套圈上，光纤夹具上 或在熔接也观察到PM光纤上的PER畸变点。在此情况下，作者提出了用于输出高功率 短激光脉冲的光纤激光器。它们的结构包括锁模光纤振荡器，可变衰减器，放大器和用 于压缩脉冲宽度的压缩器。他们提出在模块中利用波片和偏振器。"线性偏振器纠正来 自每一个偏振减低元件的相差的重叠…通过在一连串模块嵌入线性偏振器，集合系统的 PER可以被相当大的控制，以使强度波动小于百分之一…"。然而，光纤激光器输出的 噪声只是IR噪声。相比之下，变频光的噪声有附加成分(在一些具体实施例中占主要 成分)，这是在变换中由模式相互作用引起的。不是所有的此多余噪声的机制已经清楚。 [ll]因此，期望得到没有输出功率起伏和相干噪声的光系统，此光系统包括偏振敏感装 置。

发明内容
本发明发现在以PM光纤为基础的谐波变频模块中插入偏振器，会消除二次寄生偏 振。在单根PM光纤光链路的情况下，它彻底去除了功率起伏和多余的噪声。如果PM光 纤光路经中包括多个产生偏振畸变元件，偏振器应当插入在产生最严重畸变的元件和光 纤系统的输出之间。改善依赖于由系统其它元件产生的畸变程度。如果很多元件导致偏 振畸变，可以在系统内明显变形元件的后面，插入几个偏振器。受偏振器质量和它的对 准精度的限制，这样的偏振控制系统把功率起伏和多余噪声降低到最低水平。经研究发 现，变频光噪声的附加成分由变换过程中的模式相互作用引起。根据本发明，我们可以 在噪声中去除尖峰，使之更稳定并更少依赖于外部条件(环境温度)，在一定程度上， 我们甚至可以降低平均噪声。因此，本发明的目的是提供一种光谐波变频模块，其包括
半导体光纤激光器，其产生一次线性偏振模式的大致线性偏振光输出； 非线性晶体波导装置，用于将来自半导体光纤激光器的具有一次线性偏振模式的第
一频率的输出光转换成具有第二频率的输出光；以及
保偏PM光纤链路，用于将来自半导体光纤激光器的具有一次线性偏振的大致线性
偏振输出光耦合到非线性晶体波导装置，所述PM光纤链路包括导致二次寄生线性偏振
模式的多个偏振畸变点；以及
至少一个偏振器，所述至少一个偏振器自半导体光纤激光器的光传输方向设置，被
设置在所述保偏光纤链路上的至少 一个偏振畸变点后面。[14]本发明的另一方面提供了光谐波变频模块，其中，在所述保偏光纤链路上的一个偏 振器，被直接设置在耦合入所述非线性晶体波导装置之前。另外本发明提供了光谐波变频模块，其中，在光传输方向上，在多个偏振畸变点之 后配置了多个偏振器。另一方面，本发明提供了光谐波变频模块，其中，所述至少一个偏振器包括光纤偏 振器。本发明可选择的提供了光谐波变频模块，其中，所述至少一个偏振器包括偏振光纤， 所述偏振光纤用于至少一段所述保偏光纤链路。本发明的另一方面提供了如权利要求5所限定的光谐波变频模块，其中，所述至少 一个偏振器包括偏振光纤，所述偏振光纤实质上用于所有所迷保偏光纤链路。 D9]本发明的一个方面公开了光谐波变频模块，其中，非线性晶体波导装置是二次谐波 产生装置。公开了光谐波变频模块，其中，非线性晶体波导装置是三次谐波产生装置。 [21]公开了光谐波变频模块，其中，非线性晶体波导装置是和频产生装置。 [22]公开了光谐波变频模块另一方面，其中，非线性波导装置是周期性极化铌酸锂脊形 波导装置。


下文将参照附图和细节描述对本发明的进一步的特性和优点进行介绍，其中图1是根据本发明的SHG光系统的示意说明图；图2是根据本发明的在PM光链路上具有偏振器的谐波变频模块；图3是在图2所示谐波变频模块的基础上进一步加入另一个偏振器，所述另一个偏
振器被设置在PM光纤链路上的附加偏振畸变元件的后面；图4是根据本发明，在没有改造的情况下，SHG装置的功率和噪声起伏的温度函数 图；图5是才艮据本发明，在不同的环境温度下，没有改造的SHG装置的LI曲线；[29] 图6是图4和5所示的SHG装置中的周期性极化铌酸锂波导变换器在不同电流下测量的 相位匹配7是如图2所示的包括偏掘器的SHG装置的动率和。桑声起伏的温度函数图; [31]图8是图7的SHG装置的LI曲线； [32]图9是图7的模块输出的相位匹配曲线；图10是如图3所示的包括两个偏振器的SHG装置的功率和噪声起伏的温度函数
图；图11是图10的SHG装置的LI曲线。应该注意的是，所有附图中，相同的特征由相同的参考标号标识。
具体实施例方式图1中的模块100的结构包括多个光纤节点和焊接应力点耦合到激光二极管l2 的节点；密封引线到密封封装14的焊接点；光纤布拉格光栅18的输入节点和输出节点； 密封引线到密封封装32的焊接点；进入到耦合入SHG非线性晶体30的准直透镜的节点； 以及非线性晶体的输出节点；再一次通过密封引线从密封封装32输出的焊接点以及进 入到准直透镜36的节点。这些点是潜在的偏振畸变源。此结构中偏振畸变的主要原因 一方面来自于光纤的输入和输出，在此处光纤被焊接(激光二极管12处和进入到SHG 非线性晶体30处)而产生很大的应力，另一方面来自于有着相对低偏振消光比(PER) 的光纤布拉格光栅18。结果，相当大的偏振畸变在模块100中被积累，这导致了高的输 出功率起伏。这些起伏作为环境温度变化的响应而可以被看到；当模块100在恒定功率 模式下运转，这些起伏作为噪声和电流的随机尖峰也可以被看到。运转功率的大量减少 和多余噪声也可以在倍频输出中观察到。在图4, 5和6中可以看到效果图。这些图的数据是基于具有976nm泵浦和产生 488nm输出的周期性极化铌酸锂脊形波导的SHG装置。如图4中所示，在泵浦激光器的 恒定电流下测量，二次谐波输出功率(如图4, 7和10的实方形所示)不稳定并对环境 温度很敏感。噪声(如图4， 7和10的空心菱形所示)也对温度表现出强的周期依赖性 并且有时有不可再现的尖峰。有时，温度变化仅0. 1-0. 2摄氏度，功率变化即达到百分 之六十。记录的噪声有超出百分之零点五水平的峰值。为了能在恒定功率模式下运转，在最大电流的情况下，输出功率不能设置的高于 最小功率。如果在环境温度变化时有大的功率起伏，工作功率受最大功率起伏限制。例 如，如果对准理想，装置在Imax提供P-50mW,并没有功率波动，工作功率可以被设置 在50 tnW。但是，如果功率起伏50%,在系统的所有其它参数都一样的情况下，在一些 温度下2max仅为25 mW,弃且工作功率不能被设置高于此值。在SHG模块102， 103中 插入偏振器24, 26，会加入附加损耗并降低峰值功率，但同时增加最小功率，并减小起 伏。如图5所示，在不同环境温度下测量的输出LI曲线是非单调的，致使在恒定功率 模式下的激光运转不稳定。另外，在温度变化为0. 5摄氏度时，曲线的形状明显变化。 [40]最后，如图6所示的作为激光电流和环境温度的函数的非线性晶体波导输出的相位 匹配曲线，具有峰值，当泵浦激光电流改变时，所述峰值移动大于l摄氏度。在中间电 流甚至变为双峰。这些畸变由偏振模拍频和两个偏振之间的相差对于温度和应力的外部 因素的高度敏感引起。双折射光纤上焊接点的应力对于外部条件非常敏感，特别是对于 封装温度。当非线性晶体波导装置为了相位匹配被调节温度，波导封装上的焊接点的应 力改变，引起了在两个偏振模之间的相差的附加变化。如图6所示，变频模块的相位匹配曲线有畸变。对比图9的曲线，考虑到图9中的 相位匹配曲线的位置的形状对于外部参数(电流和环境温度)不敏感，这明显不是波导 的属性。如图6所示的效应完全由于波导输入偏振模式的干涉和两种偏振模式之间相移 对于以上参数的敏感度。如果一种偏振模式被去除，这种效应也被去除。形式上，从偏 振未对准的存在和事实可以推导出，两种偏振模式之间的相移依赖于激光电流和波导封 装温度。虽然这种效果在没有着重分析时并不明显。作为这种效应的结果(随着激光电流，相位匹配的变化)，SHG装置的LI曲线可能 变成如图5所示的(a)不单调；(b)环境温度的函数。以这样的LI曲线，在"最差" 曲线的最低鞍点以上的功率，以恒定功率模式运行变换模块是不可能的在温度变化的 情况下，曲线互相变换。初始在曲线正斜率的工作点可能拓朴不变的移到负斜率(例如 没有任何干扰或甚至没有任何电流变化)。实际上，那意味着控制环将在负斜率变得不 稳定并且电流会突然增高，直到模块在更高的电流达到正斜率(如果有可能)。这将产 生,声尖峰。在没有非线性变换元件时，这些没有预计的效果在IR激光器中是不存在 的，就如Gu等所公开的专利。相移对于激光电流的相关性导致下面的效应在恒定功率^f莫式下的某些情况下，当 对功率降低的补偿需要增大电流时，这种伴随着两个偏振之间的附加相移的电流的增大 将导致IR泵浦功率"可转换"部分的降低。类似于上面描述的激光器接近LI曲线负斜 率的现象出现了 。电流的增加将导致SHG输出功率的减小(总IR功率应会增加)。当SHG 功率输出电流相关点再一次变成正后，电流的迅速上升将继续直到附加相移达到n。这 种反应导致了噪声尖峰。不管环境温度变化有多快，这些尖峰在一定的温度点出现。这 种效应有阈值，当偏振畸变在一定程度时表现出来。这完全和变频器的偏振敏感度和相 移对激光电流的敏感度有关。这两个问题没有在Gu等的公开专利中讨论。[44]如图2所示，如果在光路中插入一个偏振器，可以观察到明显的改善。如图2所示， PM光纤链路20中包括有设置在激光器10和光栅18的偏振畸变点后面的偏振器24。在 此设计中，测试了 Chiral Photonics Co.生产的光纤偏振器。光纤偏振器对于基于光纤 的系统是有优势的。它可以在没有其它光元件的情况下，以很低的损耗(典型值小于0. 3 dB)熔接到光纤路径。此装置的插损小于2dB,PER大于30dB。在此结构中，偏振光纤也 可以用作偏振器。不同于PM光纤，对于二次偏振，偏振光纤表现出很高的损耗，实际 上功能上可以作为光纤偏振器。理想情况下，虽然熔接可能需要包括光纤布拉格光栅18， 所有的光纤链路应该由偏振光纤制成。再参照采用了图2中模块的图7,随环境温度的功率和噪声变化和图4相比表现出 更长的调制周期。同时，噪声的平均水平和噪声尖峰也低多了。在连接光纤布拉格光栅18和SHG模块30的光纤链路22中甚至只插入一个偏振器， 就可以相当大的改善模块102的性能。这种改善可以看作减小的功率起伏和不稳定性； 减小的噪声；和SHG工作温度选择的最优化(变得对激光电流和环境温度不敏感)。该 单个偏振器24只去除两个元件偏振畸变的负面结果光纤光栅18和波导封装输入。因 此，改善的程度依赖于其它上面所列的元件引起的畸变的程度。如果那些畸变小，改善 就接近理想。图8显示的图2模块的LI曲线仍是温度相关的，但已经变得单调。图9显示了明显不同的相位匹配曲线，更近似匹配预计理论输出。重要的是，它的
形状不再依赖于泵浦激光电流。只插入一个偏振器是不能去除功率起伏的，因为模块有几个偏振未对准点。加入第 二个偏振器可以进一步改善。如图3所示是根据本发明的谐波变频模块。在本实施例中除了如图2所示的偏振器 24,偏振器26被加入到光纤激光器腔16中。在光传输方向上，偏振器24, 26位于每 一个最明显偏振干扰装置前，以改善前面畸变点引起的偏振畸变。如果输入偏振到偏振 敏感装置不清洁，之后会出现不能再去除的拍频。这通过图2的具有单个偏振器24的 具体实施例说明。光纤从二极管封装14等进入到光纤布拉格光栅18的耦合引起的偏振 畸变没有任何纠正，如图7所示，结果拍频在模块102的输出表现出来。如图10所示， 在这种情况下，只要两个偏振器就足以去除输出起伏。如果FBG 18或增益芯片封装10 不产生偏振畸变， 一个偏振器就足够了 。图10用图表示了图3中带有两个偏振器的模块，功率和噪声随着环境温度的变化。
如图所示功率调制现在很低。噪声也稳定并且低。总的来说，带有偏振未对准的SHG装 置的噪声成为两个偏振之间的相移的函数，这意味着基本上是温度的函数。这可以清楚 的从图4和图7看到。有几种导致这种效应的机制，其中一些我们尚未理解。凭经验我 们发现，如图10清楚的所示，偏振对准的改善使噪声变化减低，去除噪声尖峰并降低 噪声平均水平。图11是图3中模块的LI曲线图。它是单调的并且近似温度不相关。在T=25摄氏 度下测量的例子如图所示。上面描述的发明实施例仅仅是举例。因此发明范围仅由所附加的权利要求限定。
权利要求
1、光谐波变频模块包括半导体光纤激光器，其产生一次线性偏振模式的大致线性偏振光输出；非线性晶体波导装置，用于将来自半导体光纤激光器的具有一次线性偏振模式的第一频率的输出光转换成具有第二频率的输出光；以及保偏PM光纤链路，用于将来自半导体光纤激光器的具有一次线性偏振的大致线性偏振输出光耦合到非线性晶体波导装置，所述PM光纤链路包括导致二次寄生线性偏振模式的多个偏振畸变点；以及至少一个偏振器，所述至少一个偏振器自半导体光纤激光器的光传输方向设置，被设置在所述保偏光纤链路上的至少一个偏振畸变点后面。
2、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，在所述保偏光纤链路上的一个偏 振器，被直接设置在耦合入所述非线性晶体波导装置之前。
3、 如权利要求2中所限定的光谐波变频模块，其中，在光传输方向上，多个偏振器被 设置在多个偏振畸变点之后。
4、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述至少一个偏振器包括光纤偏 振器。
5、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述至少一个偏振器包括偏振光 纤，所述偏振光纤用于至少一段所述保偏光纤链路。
6、 如权利要求5中所限定的光谐波变频模块，其中，所述至少一个偏振器包括偏振光 纤，所述偏振光纤实质上用于所有所述保偏光纤链路。
7、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述非线性晶体波导装置是二次 谐波产生装置。
8、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述非线性晶体波导装置是三次 谐波产生装置。
9、 如权利要求l中所限定的光谐波变频模块，其中，所述非线性晶体波导装置是和频 产生装置。
10、 如权利要求1中所限定的光谐波变频模块，其中，所述非线性晶体波导装置是周期 性极化铌酸锂脊形波导装置。
全文摘要
本发明公开了一种包括保偏(PM)光纤链路的谐波变频模块，模块通过在PM光纤链路中加入一个或更多偏振器来稳定输出功率起伏。去除偏振畸变就去除了在谐波变频元件输出中有明显负面效应的噪声。通过研究发现，变频光噪声的附加成分是在变换过程中由模式相互作用引起。根据本发明，我们能够去除噪声中的尖峰，使之更加稳定，并更少受外部条件影响。如果PM光纤链路包括多个产生偏振畸变的元件，偏振器应该插在产生最大畸变的元件和光纤系统的输出之间。如果多个元件导致偏振畸变，可以在系统里插入几个偏振器。
文档编号G02F1/383GK101191974SQ20071019377
公开日2008年6月4日 申请日期2007年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者安迪·米勒, 文森特·伊西尔, 鲍里斯·哈尔拉莫夫 申请人:Jds尤尼弗思公司