光纤激光主动偏振控制技术的原理与进展 
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1 引言
在光纤激光相干合成中,为了得到较好的合成效果,比较理想的方法是利用全保偏器件组成的保偏放大器进行相干合成。但是,大功率的保偏器件价格比较昂贵,工艺较为复杂,如果对系统实施全保偏器件搭建,构造系统的成本将会成倍地提高。因此,如果能够将低功率的前级保偏器件与高功率的后级非保偏器件结合,通过偏振控制方法在输出端实现高消光比的激光输出,就可以有效降低系统的成本。
在非保偏光纤中,造成偏振态变化的因素有很多,可分为光纤内部因素和外部因素两方面。内部因素包括由材料缺陷导致的残余应力双折射,由制作工艺缺陷导致的波导形状双折射;外部因素主要包括如受压、扭绞、震动、弯曲等机械应力,其导致的不规则双折射将会对光纤链路引入很大的偏振噪声。在大模场光纤中,不同模式的偏振特性不同,此时,增益光纤的光增益同样会对光纤中光的偏振态造成较大的影响[1]。上述原因引起的偏振态变化或退化,会导致相干合成效率下降。而运用偏振控制技术,消除光纤链路中的偏振噪声,稳定光纤中光的偏振态,是获得成本低廉、高消光比输出的有效途径之一[2]。
主动偏振控制的基本原理是利用光电探测器对激光输出的偏振误差进行探测,再将这些误差信号转换为电信号,并送入如数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)等算法控制器中,利用一些优化算法产生误差补偿信号,反馈至偏振控制器中。偏振控制器通过控制光纤中激光的方位角或延迟量实现消除偏振态误差的目的。近年来,主动偏振控制技术得到了较为高速的发展,完成了从低功率低消光比向较高功率较高消光比的转变,并且保持了较好的光束质量。制约输出功率继续提高的因素主要是器件的损伤阈值比较低;而制约偏振度继续提高的因素主要是控制算法没有得到完善。因此,研究主动偏振控制技术可以从这些方面着手。实现偏振态控制后,可以运用相位控制技术,对其进行锁相,用于相干合成,以进一步提高激光的输出功率。
2 主动偏振控制技术的发展现状
关于主动偏振控制技术的初始研究,是基于光纤通信的需要。20世纪70年代以来,光纤通信的相关研究和应用不断地推进。但是,随着光纤通信和光纤传感技术的快速发展,光纤通信中的各种问题也逐渐显露出来,其中关于光纤中的偏振效应的研究,已成为光纤通信的主要研究方向之一。
在光纤激光的相干合成中,主动偏振控制的研究也占据着非常重要的地位。将合成之前各个链路光纤中的光,进行偏振控制以及相位调制,那么合束输出的光仍然是偏振光,这样就可以实现合成路数的扩展[3]。用于非保偏光纤偏振态控制的方案主要有两种:偏振预补偿技术和偏振末端补偿技术[4]。
2.1 偏振预补偿方案
偏振预补偿技术是通过改变种子光的偏振态影响主激光输出偏振态的控制技术,偏振预补偿示意图如
图 2. 1.43 kW光纤相干光束合成实验示意图
Fig. 2. Schematic of 1.43 kW fiber coherent beam combination experiment
2010年,Goodno等[5]基于偏振和相位主动控制进行了相干光束合成(CBC)实验,总功率为1.43 kW,实验示意图如
从
图 3. CBC远场图像。(a)分孔径远场图像;(b)相位控制开启时填充孔径远场图像;(c)相位控制关闭时填充孔径的远场图像
Fig. 3. Far-field images of CBC. (a) Far-field image of tiled-aperture configuration; (b) far-field image of filled-aperture configuration under in-phase control; (c) far-field image of filled-aperture configuration under out-of-phase control
2012年,Goodno等[6]在CBC的相关研究上又取得了新的进展,5路非保偏光纤的相干合成和孔径的填充实验取得了较好的合成效果。实验系统的相干合成的效率高达99%,取得输出光的偏振消光比大于29 dB,5路非保偏光的CBC系统结构如
图 4. 5路非保偏光的CBC系统结构图
Fig. 4. Structural diagram of 5-channel non-polarization-maintaining CBC system
图 5. 三维衍射CBC系统的实验布局
Fig. 5. Experimental layout of three-dimensional diffractive CBC system
2014年,McNaught等[7]利用3台镱(Yb)掺杂的非保偏光纤放大器,每台光纤放大器的功率约为1 kW,通过将3台放大器与衍射光学元件(DOE)组合进行光束相干合成,产生了功率为2.4 kW的输出光束,光束质量因子为1.2,系统的合成效率为80%,没有出现明显的热效应和非线性效应。这意味着该系统可以合成得到更高的功率。
2016年,美国空军研究实验室的Angel等[8]使用5台基于偏振控制的窄线宽放大器(单路输出功率约为1.2 kW),实现了5 kW级相干合成输出。系统基于主振荡功率放大器(MOPA)配置,放大器基于伪随机相位调制技术,从每个激光器的输出中采集低功率样本,并将该样本通过General Photonics偏振控制器进行偏振控制。用于有源锁相的误差信号由DOE之后的组合光束的低功率采样光提供,通过单探测器电子频率标签锁定光学相干控制板(LOCSET)对其进行相位锁定。在相位被锁定之后,通过1×5 DOE将光束相干组合得到总功率为4.9 kW的相干合成光,相干合成效率达到了82%,光束质量因子
2017年,刘泽金等[9]在单路窄线宽、线偏振光纤激光技术方面取得突破,得到的输出激光功率高达5.02 kW,而且是近衍射极限的合成激光。这个实验的合成激光总路数为4路,4路光放大后的功率分别是1.29,1.14,1.12,1.8 kW,合成效率达到了93.8%。合成系统实验装置示意图如
王岩山等[10]基于主动偏振控制的原理,实现了最大输出功率为964 W的线偏振光,偏振合成系统示意图如
2.2 偏振末端补偿方案
在非保偏放大器中,对输出主激光的那一端进行偏振补偿的方案就是偏振末端补偿方案,如
图 10. 两种偏振末端补偿示意图
Fig. 10. Schematic of two kinds of polarization end compensation schemes
偏振末端补偿技术有两个主要的缺点:1) 偏振控制器件的损伤阈值要足够高,以承受来自放大器输出主激光的能量冲击,这给偏振光功率的提升造成了一定困难;2) 偏振控制器的控制速度比较低,控制带宽较窄,在偏振态变换较快的情况下,控制效果可能不是很完美。但是,这种方法也有其自身的优点,通过主激光直接采样,更能反映出主激光的偏振态变化情况,从而可以对主激光的偏振态、光束质量等进行更优的控制。
2010年,Taylor等[11]进行了3路拉曼光纤放大器的合成实验,3路拉曼光纤放大器光束合成系统如
图 11. 3路拉曼光纤放大器光束合成系统
Fig. 11. Schematic of three-way Raman fiber amplifier beam combiner
2015年,王鹏等[12]提出了一种基于锥棱镜和波片组合的偏振转换系统,运用末端偏振补偿技术,能较好地将自然偏振光转换为线偏振光,锥棱镜偏振转换系统示意图如
一束自然偏振光经过PBS后分为偏振态相互垂直的两束线偏振光,其中黑色圆点表示偏振方向与纸面垂直,黑色箭头表示偏振方向与纸面平行。与偏振态纸面平行的光经过一对共轴的锥棱镜,产生一束环形光,接着经过半波片和PBS分光后,得到一束偏振态与之前相互垂直的环形光,并且传播方向也和先前光束垂直。偏振态与纸面垂直的高斯光经过全反镜M1反射,与环行光在合束镜M2处合成一束线偏振光。系统的能量转换效率达到了97.3%,转换之后的消光比为99%,与入射的高斯光束相比,线偏光的远场发散角保持较好,但光束质量因子偏大。
2017年,Yang等[13]基于偏振控制提出的一种新颖的、可扩展的相干偏振光束组合(CPBC)方法,该方法可以有效地组合具有任意功率比的不平衡光束,并且光束的数量不一定是偶数,对各光束的功率也没有统一的要求,具有较大的应用潜力。具有两个输入光束的CPBC的实验设置示意图如
图 13. 具有两个输入光束的CPBC的实验设置
Fig. 13. Experimental setup for testing proposed CPBC with two input beams
将线性极化单模光纤激光器的输出分成两个1064 nm的输入光束,在一个输入路径中采用可变光衰减器(VOA),用于光束衰减,以调节输入光束的功率比。先通过使用基于光纤的偏振合束器(PBC)组合两个输入光束,再将组合光束耦合到偏振控制器(DPC)中控制偏振态(SOP)。使用两个PD稳定组合输出光束的SOP并评估组合的性能。从Port-1输出的光功率被发送到伺服PD,以提供控制信号作为用于偏振控制的成本函数
2.3 主动偏振控制技术在算法方面的进展
进入21世纪,控制算法的研究也是学术界的热点研究之一。人工智能技术给社会带来重大的变革,也带来了科学研究方法的革命。近些年来,研究者通过将控制算法用于非保偏光的偏振控制中,取得了偏振消光比较高的偏振光输出,进而可以用于激光通信、相干合成等领域。在主动偏振控制技术中运用的主要算法包括模拟退火 (SA)算法、粒子群优化(PSO)算法、快速搜索算法和SPGD算法等。
2005年,李伟文等[17]通过SA算法进行主动偏振控制的研究,通过驱动4个相移范围在0~2π的由电光晶体玻片组成的偏振控制器,对系统进行了仿真,实验结果表明:在较优的控制参量下,其输出的偏振态是稳定的,光强波动可以达到小于1%的水平。对模拟退火算法的研究结果是:为得到最佳的控制效果,可以把内外循环次数都设置为3次,初温
2008年,王铁城等[18]采用了一种基于PSO算法实现偏振复用系统中的偏振控制。该研究直接采用偏振度近似等于1的偏振光进行实验,重点解释了偏振复用系统的解复用和偏振态的控制调整。该实验的结果可以表明,基于局部PSO算法的偏振控制器能够将任意输入的偏振态转换为目标线偏振态,误差控制在0.5%以内。但当时对于PSO算法的研究尚在初始阶段,算法的计算量还比较大,还需进一步优化。
2009年,Liu等[19]提出了一种快速搜索控制算法,这种算法结合了模拟退火算法和梯度算法,集中了两个算法各自的优点。主要的测量方法是分振幅偏振测量,可以比较准确地检测出偏振态,并且可以在庞加莱球上快速标定输入光的偏振态。
近些年,SPGD算法凭借其收敛速率快、参数设置简单、扩展性较强的优点逐渐成为最热门的算法,对偏振态起到了较好的控制效果。
2013年,熊玉朋等[20]进行了1.2 W保偏光放大器和1.3 W非保偏光放大器的对照实验,并将这两束光进行相干合成。这个实验包括偏振自适应控制和相位控制两个系统,CBC系统结构图如
图 16. 基于SPGD算法的非保偏-保偏光自适应偏振转换系统
Fig. 16. Non-polarization-maintaining adaptive polarization conversion system based on SPGD algorithm
2015年,董苏惠等[21]提出一种基于SPGD算法的具有高消光比的非保偏-保偏光自适应偏振转换系统,如
2017年,Su等[22]进行了基于SPGD算法的1.43 kW窄线宽光纤放大器的有源偏振控制实验,系统示意图如
图 17. 基于SPGD算法的1.43 kW窄线宽光纤放大器有源偏振控制实验系统示意图
Fig. 17. Schematic of experimental active polarization control system for 1.43 kW narrow linewidth fiber amplifier based on SPGD algorithm
2018年,尹明等[23]对基于SPGD算法的偏振控制进行了理论仿真,重点分析了算法性能评价函数、扰动电压分布类型、增益步进、扰动幅度等参数对偏振控制效果的影响,通过自适应优化算法可以极大地提高系统的控制效果。接着利用FPGA执行SPGD算法,控制输出光的偏振态,获得了消光比大于11 dB的激光输出,偏振控制系统示意图如
在主动偏振控制技术中,使用较多的算法分别是: SA算法、PSO算法和SPGD算法,其中,SPGD算法按照梯度计算的方法不同,又可以分为单向扰动SPGD和双向扰动SPGD。不同算法的各种特性与其算法内部参数的选取相关。在大量的仿真的结果下,可以找到每种算法在不同场合下的最优参数。在参数最优的情况下,可以得到SA算法具有最快的收敛速度,最不易陷入局部极值;SPGD算法的收敛速度相对较慢,较易陷入局部极值,但有最好的校正结果;PSO算法的收敛速度最慢,容易陷入局部极值,而且校正结果也不如前两种算法。因此,SA算法和SPGD算法是在光学领域中比较具有应用前景的控制算法。另外,通过结合几种不同的算法,也可以产生新的算法,例如快速搜索算法,这些算法有可能会得到优于单独的算法的控制结果,因此,在光纤激光的主动偏振控制中,改进旧算法和研发新算法是提高输出激光偏振度的有效途径。
3 偏振相干合成及锁相算法简析
偏振相干合成就是通过PBC将两个相位差Δ
相干合成时,将其中一束光作为参考光和其他光束作为主激光输出,由取样镜取样打在探测器阵列上,将光信号转化成电信号,输出的电信号中包含了相位差信号,可以解调出各路光的相位误差,再将误差施加到相位调制器上,实现闭环控制,就可以逐渐消除相位误差,实现锁相。2006年,Anderegg等[24]通过光外差法将4路光合成为一束,实现了470 W的功率输出。同年,国防科技大学在国内首次实现了3路瓦量级激光的外差法相干合成[25]。2010年,Fan等[26]在此基础上实现了7路瓦量级光纤激光的相干合成。2018年,沈辉等[27]采用比例积分微分(PID)控制器进行了基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制的研究,得到了输出功率为279 mW的线偏振态激光,合束激光的偏振消光比为19.3 dB,控制带宽为39.6 kHz。
但是,外差法也有其局限性。由于光外差法要求参考光和信号光的光轴要严格平行,并且与探测器的平面严格垂直,因此对光路的要求极为苛刻。如果相干合成的路数增多,那么光轴平行的难度就会增加,而且相位误差检测的精确度也会下降,因此,这种锁相方法不适合用于多路光束的相干合成。
抖动法与外差法类似,其实验系统结构大致相同,不同之处在于抖动法是利用不同频率的高频振荡信号对相位调制器进行相位调制,这个调制信号就是相位噪声的载波,再通过带通滤波器就可以得到相位的噪声,并反馈到相位调制器,实现对多路激光相位的补偿。因此,在这里,相位调制器具有施加高频载波信号和相位校正信号两个作用。由于采用了高频振荡波进行相位调制,抖动法不用像外差法那样,要求光轴严格平行且光轴与探测器平面严格垂直。在进行多路光束的相干合成中,抖动法对锁相控制的精度要高于外差法。
根据施加高频振荡信号的种类划分,抖动法可以分为单抖动、多抖动和单频正交抖动3种。2004年,Shay等[28]采用一种新颖的多抖动技术,提高了调制频率和控制带宽;2006年,进行了9路激光的相干合成,总输出功率达到百瓦级[29];2009年,实现了16路光纤激光相干合成,总输出功率为1.4 kW[30]。2014年,McNaughty 等[31]进行了3路光纤激光器的相干合成,输出总功率达到2.4 kW。 2017年,Jiang等[32]基于时分多址(TDMA)的单频抖动技术的电信概念和CBC系统结构,提出了一种基于码分多址(CDMA)的新型正交单频抖动技术,基于CDMA的5路光束的CBC如
对于多路激光的锁相控制,同样可以使用多种控制算法实现。将多路激光的相位作为控制变量,对控制算法进行迭代优化,最终可使相干合成的性能评价函数达到最优值。
2006年,国防科技大学侯静等[33]在MOPA系统中,分别用爬山法和外差法对其进行相干合成,其中爬山法的控制精度为
2009年,Zhou等[37]采用SPGD算法进行了3路双波长光纤放大器的相干合成实验,每个激光器的输出功率均大于1 W。进行闭环控制后的远场条纹对比度大于85%,主瓣中包含的能量占总能量的90%以上。同年,该课题组进行了两路高功率光纤放大器的相干合成实验[38],该实验使用DSP作为控制器实现SPGD算法,得到60.1 W的输出功率,
2015年,Ahn等[40]采用级联的多抖动技术进行了16路光的相干合成,每个锁相系统都是通过LOCSET技术,最终获得了
图 20. 基于级联相位控制的16路光纤激光的CBC
Fig. 20. CBC of 16 fiber lasers based on cascading phase control
4 结论
外部和内部因素均会对非保偏光纤的偏振态产生巨大影响,而大功率保偏器件制作工艺复杂,价格昂贵,将会导致系统成本提高,集成难度增加,因此主动偏振控制的研究对于相干合成的重要性不言而喻。
在功率较高的单路偏振光输出以及多路光的相干合成中,大多采用偏振预补偿控制技术,原因是这种技术是通过改变种子光的偏振态进而改变主激光偏振态,从主激光中获得少量样本便可以提取出其所有的偏振态信息作为反馈信号,但缺点是转化之后的偏振光的消光比不高,根据目前的报道,可得到的消光比最高不超过20 dB。由于偏振末端补偿技术是对主激光直接进行偏振控制,因此不适合用于功率较高的场合,只能通过研制高损伤阈值的实验器材以提高其功率,这种补偿技术得到的激光消光比通常较高,具有偏振预补偿技术不可替代的优点。
在单路偏振态控制系统的算法方面,大多采用SA算法、PSO算法和SPGD算法等,每种算法都有其各自的优缺点。SA算法是一种以概率l收敛于全局最优解的全局优化算法,具有并行性,不容易陷入局部极值。但是,其在迭代的过程中缺少方向性,算法的性能与初始值有关,并且对参数比较敏感。PSO算法可以对系统的参数进行一定程度的优化,但是计算量比较大,容易陷入局部极值,并且收敛的速度较慢。SPGD算法具有很好的优化系统参数的能力,不易陷入局部极值,但是收敛的速度不是特别快,总体来说,SA算法和SPGD算法的控制效果较好。
在相干合成之中,需要对待合成的偏振光进行锁相,使合成前的两束光的相位差为π的整数倍,以进行多路合成的扩展。锁相的主要方法有外差法、抖动法和优化算法等。外差法需要测得
对于偏振预补偿技术,不仅要追求更高的偏振消光比,还要追求更高功率的单路线偏光输出,其用途之一就是作为相干合成的信号光,以提高相干合成的功率;对于偏振末端补偿技术,应该积极地开发高损伤阈值的器件,同时要注重对光路的调试与优化,得到更高消光比的输出;对于单路偏振控制的算法,要积极地对算法进行改进,比较、总结各种算法的优缺点,以便保留优点,改进缺点;对于相干合成的锁相算法,不仅要注重改进算法,更要注重不同算法之间的结合,以提高控制带宽和相位误差的精度,也可以引入如电信等其他研究领域的概念,以更加完善相干合成理论,为研究服务。
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