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光偏振控制器的原理技術(shù)及應(yīng)用

發(fā)布時間:2019-03-19

             當(dāng)偏振光在具有雙折射性質(zhì)的介質(zhì)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(chǎn)生相位推遲,從而引起光的偏振態(tài)發(fā)生改變。光偏振控制器就是利用此理論研制而成的。

當(dāng)單色光在各向同性介質(zhì)的界面折射時,折射光線只有一束,且遵循折射定律。但當(dāng)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(dāng)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(shù),且折射光線與入射光線一般不在同一面內(nèi),它不遵循折射定律,稱之為非常光或e光。這種現(xiàn)象稱為雙折射。當(dāng)偏振光在具有雙折射性質(zhì)的介質(zhì)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(chǎn)生相位推遲,從而引起光的偏振態(tài)發(fā)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(zhì)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(zhì)。對于這些物質(zhì),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(tài),波片型偏振控制和光纖環(huán)型偏振控制器就屬于此類。有些光學(xué)物質(zhì),在自然狀態(tài)下并不具有雙折射性質(zhì),但當(dāng)有電場壓力磁場等作用時,表現(xiàn)出與各向異性物質(zhì)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(zhì)為暫時雙折射物質(zhì),它同永久性雙折射物質(zhì)一樣,具有改變光的偏振態(tài)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(huán)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(zhì),光在其內(nèi)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(shù);λ為真空中的波長。
與波片影響偏振態(tài)相似,在光纖中傳輸光的偏振態(tài)也將沿光纖的長度方向連續(xù)變化,偏振態(tài)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(tài)隨光纖長度的變化圖1-2 單模光纖中光偏振態(tài)隨光纖長度的變化
假設(shè)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(shù)β不同,在沿光纖長度方向的任意位置,其偏振態(tài)由Ex和Ey的矢量合成。設(shè)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(tài)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?yōu)棣?2,其合成偏振態(tài)將變?yōu)閳A偏振;c點兩矢量Ex和Ey的相位差變?yōu)棣校淦駪B(tài)又變?yōu)榫€偏振,但與a點相比旋轉(zhuǎn)了90°;d點兩矢量Ex和Ey的相位差變?yōu)?π/2,偏振態(tài)變?yōu)閳A偏振,但旋轉(zhuǎn)方向與b點相反;e點兩矢量Ex和Ey的相位差變?yōu)?π,其偏振態(tài)又回到a點狀態(tài);依此類推,沿著光纖偏振態(tài)將循環(huán)變化下去,這與偏振態(tài)隨波片的厚度變化現(xiàn)象相似。因此可根據(jù)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(huán)。 [1]
圖1-3 光纖環(huán)型偏振控制器結(jié)構(gòu)圖圖1-3 光纖環(huán)型偏振控制器結(jié)構(gòu)圖

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




主要技術(shù)指標

不同類型的偏振控制器其要求的技術(shù)指標略有不同,對于以上兩種通信波段內(nèi)常用的偏振控制器主要包括以下技術(shù)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(huán))轉(zhuǎn)動變化、插入損耗隨波長變化、端口回損、消光比、偏振態(tài)調(diào)整準確度、偏振態(tài)調(diào)整分辨力、偏振態(tài)調(diào)整重復(fù)性、角度調(diào)整準確度、角度調(diào)整重復(fù)性等。下面根據(jù)常見的幾種偏振控制器,對幾個比較重要的技術(shù)指標進行簡單介紹。
波長范圍與波片或光纖環(huán)的材料有關(guān),一般波片的相位推遲隨波長的變化比光纖環(huán)的要大,因此波片型偏振控制器波長范圍比光纖環(huán)的要小,在允許的偏振態(tài)調(diào)整誤差范圍內(nèi),波片型偏振控制器波長范圍約幾十納米,而光纖環(huán)型可達到幾百納米,當(dāng)然使用軟件補償技術(shù)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(huán))轉(zhuǎn)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,F(xiàn)C/APC接頭回損一般大于55dB。偏振態(tài)調(diào)整準確度、偏振態(tài)調(diào)整分辨力、偏振態(tài)調(diào)整重復(fù)性、角度調(diào)整準確度、角度調(diào)整重復(fù)性是偏振控制重要的技術(shù)指標,它們與控制波片(或光纖環(huán))轉(zhuǎn)動的電機關(guān)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(tài)調(diào)整分辨力優(yōu)于0.36°。 [1] 

主要應(yīng)用

光偏振控制器廣泛應(yīng)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(fù)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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