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光偏振控制器的原理技術及應用

發布時間:2019-03-19

             當偏振光在具有雙折射性質的介質中傳輸時,由于o光和e光的傳輸速度不同,引起一光線相對另一光線產生相位推遲,從而引起光的偏振態發生改變。光偏振控制器就是利用此理論研制而成的。

當單色光在各向同性介質的界面折射時,折射光線只有一束,且遵循折射定律。但當光線從空氣進入某些晶體時,情況就不那么簡單了,有些晶體能使一條單色的入射光線分成兩條折射的光線。在這兩條折射光線中,一條折射光線遵循熟知的折射定律,稱為尋常光或o光;另一條當入射光線的入射角為零時也存在,入射角的正弦與折射角的余弦之比不是常數,且折射光線與入射光線一般不在同一面內,它不遵循折射定律,稱之為非常光或e光。這種現象稱為雙折射。當偏振光在具有雙折射性質的介質中傳輸時,由于o光和e光的傳輸速度不同,引起一光線相對另一光線產生相位推遲,從而引起光的偏振態發生改變。光偏振控制器就是利用此理論研制而成的。

對于某些各向異性物質云母、方解石等,雙折射是其本身固有的,稱為永久性雙折射物質。對于這些物質,在自然條件下,不需要任何外界場(如電場、壓力或磁場)的作用,就可改變光的偏振態,波片型偏振控制和光纖環型偏振控制器就屬于此類。有些光學物質,在自然狀態下并不具有雙折射性質,但當有電場壓力磁場等作用時,表現出與各向異性物質相同的雙折射特性,這一特性隨外界作用的消失而消失。具有這種特性的物質為暫時雙折射物質,它同永久性雙折射物質一樣,具有改變光的偏振態的特性,光電型偏振控制器和壓電型偏振控制器就屬于這一類型。

光纖環型偏振控制器

理想的單模光纖是圓對稱的,是各向同性介質,光在其內傳播與偏振方向無光。然而實際上完全圓對稱的光纖是不存在的,它與單軸晶體一樣具有雙折射特性。這一特性將使注入到光纖中的線偏振光以兩個相互垂直模式
  
  
傳播,其傳播速度稍有不同,以模式雙折射率B表示,定義為
B=(βxy)λ/2π
式中,B為
  
  
兩線偏振光的折射率差;βx、βy為兩偏振模式各自的傳播常數;λ為真空中的波長。
與波片影響偏振態相似,在光纖中傳輸光的偏振態也將沿光纖的長度方向連續變化,偏振態隨光纖長度的變化如圖1-2所示。
圖1-2 單模光纖中光偏振態隨光纖長度的變化圖1-2 單模光纖中光偏振態隨光纖長度的變化
假設把一束線偏振光注入光纖,它將被分成
  
  
兩種模式并分別在x軸和y軸上作直線偏振傳輸。由于兩模式的傳輸常數β不同,在沿光纖長度方向的任意位置,其偏振態由Ex和Ey的矢量合成。設在光纖的a點時,兩模式矢量Ex和Ey的振動相位相同,其合成偏振態為線性偏振;b點時由于傳播速度的差異,使得兩矢量Ex和Ey的相位差變為π/2,其合成偏振態將變為圓偏振;c點兩矢量Ex和Ey的相位差變為π,其偏振態又變為線偏振,但與a點相比旋轉了90°;d點兩矢量Ex和Ey的相位差變為3π/2,偏振態變為圓偏振,但旋轉方向與b點相反;e點兩矢量Ex和Ey的相位差變為2π,其偏振態又回到a點狀態;依此類推,沿著光纖偏振態將循環變化下去,這與偏振態隨波片的厚度變化現象相似。因此可根據全波片、半波片、四分之一波片的制備原理,用光纖制備λ、λ/2、λ/4光纖型推遲環。 [1]
圖1-3 光纖環型偏振控制器結構圖圖1-3 光纖環型偏振控制器結構圖

用光纖制成的各種類型的推遲環,由于其尺寸很小,性能突出,在光纖傳感器中獲得了廣泛應用。光纖環型偏振控制器就是其典型應用之一,其主要由4個λ/4光纖推遲環組成,結構如圖1-3所示。λ/4光纖推遲環各自可旋轉任意角度,當偏振光信號在其中傳輸時,通過旋轉4個推遲環的快慢軸相對位置,從而獲得需要的偏振光




主要技術指標

不同類型的偏振控制器其要求的技術指標略有不同,對于以上兩種通信波段內常用的偏振控制器主要包括以下技術指標:波長范圍、最大輸入功率、插入損耗、插入損耗隨波片(或光纖環)轉動變化、插入損耗隨波長變化、端口回損、消光比、偏振態調整準確度、偏振態調整分辨力、偏振態調整重復性、角度調整準確度、角度調整重復性等。下面根據常見的幾種偏振控制器,對幾個比較重要的技術指標進行簡單介紹。
波長范圍與波片或光纖環的材料有關,一般波片的相位推遲隨波長的變化比光纖環的要大,因此波片型偏振控制器波長范圍比光纖環的要小,在允許的偏振態調整誤差范圍內,波片型偏振控制器波長范圍約幾十納米,而光纖環型可達到幾百納米,當然使用軟件補償技術可以擴大波長范圍。最大輸出功率一般是考慮到材料的承受能力,一般在+10dBm~+23dBm之間。插入損耗一般小于2.0dB,其隨波片(或光纖環)轉動變化小于0.05dB,隨波長變化小于0.2dB。FC/PC接頭回損一般大于35dB,FC/APC接頭回損一般大于55dB。偏振態調整準確度、偏振態調整分辨力、偏振態調整重復性、角度調整準確度、角度調整重復性是偏振控制重要的技術指標,它們與控制波片(或光纖環)轉動的電機關系密切,因此高性能的偏振控制器離不開高性能的步進電機,性能較好的偏振控制器偏振態調整分辨力優于0.36°。 [1] 

主要應用

光偏振控制器廣泛應用于光信號的偏振特性分析,光器件如耦合器、隔離器、波分復用器、放大器、衰減器等偏振特性的測量,偏振特性對光材料性能影響分析等方面。




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