（光学工程专业论文）激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究.pdf

摘要 激光消偏技术是消除单模光纤应用系统中偏振相关效应的一种有效方法，在 长距离光纤通信、相干传感与测量等系统中具有重要作用。偏振干涉光滤波器是 光学滤波器的一个重要分支，广泛用于光纤通信、光学信息处理等领域。本文对 激光消偏技术作了系统的理论和实验研究，并从理论上研究了晶体型偏振干涉光 滤波器的设计问题，取得了如下成果： 在阐述激光消偏原理的基础上，提出了一种等效双折射结构，基于此结构设 计的消偏器包括：1 ) 新型偏振无关消偏器。设计了透射式和反射式两类偏振无关 消偏器结构，研制了基于透射式结构的消偏器样机，实验室对半峰全宽度为 0 1 3 n m 的激光消偏，消偏光偏振度小于2 ，插入损耗和偏振相关损耗分别是 1 0 d b 和0 0 9 d b ；封装的消偏器样机对半峰全宽度为o 2 n m 的激光消偏，消偏光 偏振度小于1 - 2 ，插入损耗为1 6 d b 。2 ) 提出了具有隔离功能的消偏器结构，理 论分析表明该器件同时具有良好的隔离度和消偏性能。3 ) 与输入线偏振光振动方 向无关的消偏器。通过在偏振相关型消偏器输入端增加一个1 4 波片，消除了器 件对入射线偏振光振动方向的相关性，实验中对半峰全宽度为o 1 3 n m 的激光消 偏，消偏光偏振度小于2 6 。4 ) 用于多纵模线偏振激光的消偏器。在理论上深 入研究了该类消偏器的参数优化问题，提出了具有隔离功能、与入射多纵模线偏 振激光振动方向无关的消偏器结构，对任意方向振动的多纵模线偏振激光消偏， 消偏光偏振度小于1 0 ，隔离度大于2 7 d b 。 在偏振干涉滤波理论部分，提出了两种设计晶体型偏振干涉光滤波器的方法： 1 ) 基于琼斯矩阵的单通晶体光滤波器设计算法：2 ) 基于z 变换和格滤波器理论 的双通功率半带晶体光滤波器设计算法。使用提出的算法设计晶体光滤波器可以 获得可行的滤波器参数，并且算法性能可靠，过程简单。 关键词：偏振光学消偏器偏振干涉光滤波器偏振相关效应双折射晶体 a b s t r a e t l i uj i h o n g ( o p t i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f a n gq i a n g 0 p t i c a ld e p o l a r i z i n gt e c h n o l o g yi sa l le f f e c t i v em e t h o dt or e d u c ep o l a r i z a t i o n r e l a t e de f f e c t si ns i n g l e m o d ef i b e rs y s t e m s ，w h i c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nl o n g d i s t a n c eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dc o h e r e n ts e n s i n ga n dm e a s u r e m e n t s y s t e m s p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c eo p t i c a lf i l t e rp r o v e st ob ea ne f f i c i e n tk i n do fo p t i c a l f i l t e r sa n dh a sn u m e r o u sa p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i nt h i st h e s i s ，o p t i c a ld e p o l a r i z i n gt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e dc a r e f u l l ya n d i nt h e o r yt h es y n t h e s i so fc r y s t a l b a s e d p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c eo p t i c a l f i l t e ri s p r e s e n t e d c r e a t i v ew o r k so f t h et h e s i sa r el i s t e df l sf o l l o w s ： p r i n c i p l e so fd e p o l a r i z a t i o na r ed e s c r i b e di n d e t a i la n dt h e r e f o r et w oa r t i f i c i a l b i r e f r i n g e n ts t r u c t u r e sa r ep r e s e n t e d b a s e do nt h i ss t r u c t u r es e v e r a ln o v e ld e p o l a r i z e r s a r ed e v i s e di n c l u d i n g ：1 ) p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n td e p o l a r i z e r t r a n s m i s s i o n a n d r e f l e c t i o n - t y p ep o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n td e p o l a r i z e r sa r ed e v i s e d ，a n dat r a n s m i s s i o n - t y p ed e p o l a r i z e ri sd e v e l o p e d i ne x p e r i m e n t ，w h e nd e p o l a r i z i n gal a s e rd i o d ew i t h f w h mo f0 13 n r n ，t h ed e g r e eo fp o l a r i z a t i o n ( d o p ) o fo u t p u tl i g h tl e s st h a n2 a d d i t i o n a l l y , a ni n s e r t i o nl o s so f1 0 d ba n dap o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s so fo 0 9 d b a r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ed e p o l a r i z e ra f t e re n c a p s u l a t e di su s e dt od e p o l a r i z ea 1 a s e rd i o d ew i t hf w h mo f0 2 n ma n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r e1 _ 2 a n d1 6 d bo f d o pa n di n s e r t i o n , l o s s ，r e s p e c t i v e l y 2 ) d e p o l a r i z e r s 谢t 1 1i s o l a t o rf u n c t i o n s e v e r a l d e p o l a r i z e r s t r u c t u r e sa r ed e v i s e di nw h i c hd e p o l a r i z a t i o na n di s o l a t i o nc a nb e a c h i e v e ds i m u l t a n e o u s l y t h e r e f o r et h ed e v i c e sa r em o r ec o m p a c ta n dl e s sc o s t 3 ) d e p o l a r i z e rf o rl i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h t a d d i n gaq u a r t e rw a v e p l a t eb e f o r et h ee n t r a n c e o fp o l a r i z a t i o n d e p e n d e n td e p o l a r i z e r t h ed e p e n d e n c eo nt h ed i r e c t i o no fv i b r a t i o no f i n c i d e n tl i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h ti se f f e c t i v e l yr e d u c e d t h ed o po fo u t p u tl i g h ti s2 6 w h e nd e p o l a r i m n gal a s e rd i o d ew i t hf w h mo f0 13 r i m 4 、d e p o l a r i z e r sf o rm u l t i p l e l o n g i t u d i n a lm o d el a s e rd i o d e s t h ep a r a m e t e r so fs u c hd e p o l a r i z e r sa r ea n a l y z e da n d o p t i m i z e di nd e t a i l s ad e p o l a r i z e rw i t hi s o l a t i o nf u n c t i o na n di n d e p e n d e n to ft h e d i r e c t i o no fv i b r a t i o ni sd e v e l o p e d i ne x p e r i m e n t ，l i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h tf r o ma m u l t i p l el o n g i t u d e m o d el a s e rd i o d e sw i t h r a n d o m l yd i r e c t i o n o fv i b r a t i o ni s d e p o l a r i z e de f f i c i e n t l y , a n dt h ed o po u t p u t l i g h ta n di s o l a t i o na r e1 0 5 a n d2 7 d b i r e s p e c t i v e l y t w os y n t h e s e so f c r y s t a l - b a s e dp o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c e o p t i c a l f i l t e ra r e p r e s e n t e di n c l u d i n g ：1 ) s y n t h e s i so fs i n g l ec h a n n e lf i l t e r , i nw h i c ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf i l t e rp a r a m e t e r sa n dj o n e sm a t r i xi su s e ds k i l l f u l l y ；2 ) s y n t h e s i so ft w o c h a n n e lf i l t e rw i t h p o w e rh a l f - b a n dp r o p e r t y , w h i c hi s r e a l i z e d b ye m p l o y i n g z - t r a n s f o r ma n dl a t t i c ef i l t e r s t r u c t u r e u s i n gt h ep r o c e d u r ep r e s e n t e d ，f e a s i b l e p a r a m e t e r so ff i l t e rc a nb ed e s i g n e ds i m p l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s ：p o l a r i z m i o no p t i c s ；d e p o l a r i z e r ；p o l a r i z m i o ni n t e r f e r e n c eo p t i c a lf i l t e r ； p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n te f f e c t ；b i r e f r e n g e n tc r y s t a l i v 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 雄 同期 知识产权声明 形、，邑 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅：产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名玉i 童 三 日 期：壶翌! ：! 墨 导师签名：立主羔 日期：坦：! = 19 第一章引言 第一章引言 本章介绍了激光消偏技术和偏振干涉滤波理论的相关背景、应用情况、研究 现状以及存在的问题，说明了论文的选题意义、主要工作和全文的内容安排。 1 1 激光消偏技术概况 1 1 1 单模光纤系统中的偏振相关效应 在基于单模光纤( s m f ) 的应用系统中，由于光纤结构不理想，外部压力， 弯曲以及温度变化等原因，使s m f 成为一种各向异性介质，而且各向异性特性随 时间随机变化，从而导致光波在s m f 中传播时偏振态( s o p ) 随机变化川。在s m f 系统中使用的许多元器件都具有偏振相关性，如耦合器、光放大器、光调制器等， 当光纤中传输的光波偏振态发生变化时，偏振相关效应在大多数情况下会转化成 一种附加的幅度或者相位调制噪声，造成系统性能下降【扛7 1 。在基于s m f 的应用 系统中，由其它元器件引起的偏振相关效应主要有光放大器中的偏振相关增益 ( p d g ) 、无源光器件中的偏振相关损耗( p d l ) 、电光调制器中的偏振相关调制 ( p d m ) 、接收机中的偏振相关响应( p d r ) 、相干光纤传感器中的偏振相关响应 度( p d s ) 等【引。这些偏振相关效应往往是限制相应系统性能的主要因素。 为了消除偏振相关效应对系统性能的影响，人们已经开展了大量的研究工作， 主要可分为以下几个方面：首先是改善s m f 的特性，减小系统中各元件的偏振相 关性，从而降低整个系统的偏振相关效应及其引起的噪声大小；第二个方面是抑 制器件偏振相关效应的发生，进一步又可以分为偏振控制和消偏两种方法，偏振 态控制可以使光波呈现某种确定的偏振态，而消偏则使光波从偏振相关元件的角 度来看具有自然光的特性，无论那种方法，都可以使元器件的偏振相关性无法表 现出来；第三个方面是根据对系统偏振相关效应的估计、测量，进行相应的补偿 和校正，从而消除已经产生的偏振相关效应的影响。以上三个方面都取得了许多 研究成果，s m f 应用系统中的一些偏振相关效应已经得到有效抑制，但是随着对 系统性能要求的不断提高和更多新应用的出现，仍然有许多问题需要解决，本论 文的工作内容之一就是设计性能良好的消偏器，为消除s m f 应用系统中的某些偏 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 振相关效应提供一种有效的手段。 1 1 2 激光消偏器的典型应用 激光消偏器在光纤通信、相干光纤传感器和光学器件特性测试等系统和仪器 设备中都有应用恍，下面以光纤光放大器和干涉型光纤陀螺仪为例，介绍消偏器 的作用。 1 用于光纤光放大器 光放大器是近几年来推动光纤通信迅速发展的一个主要动力，它的出现大大 增加了光纤通信系统的容量，掺铒光纤光放大器( e d f a ) 和喇曼光纤光放大器 ( 砒1 a ) 是最典型的两个代表，但二者的放大增益都依赖于信号光和泵浦光偏振 态之间的关系i l 12 1 ，即存在p d g 。在e d f a 中，这种与偏振相关的增益现象也被 称为p h b ( p o l a r i z a t i o nh o l eb i m i n g ) 1 a l s l 、有源偏振相关损耗”0 1 ，e d f a 的p d g 是由于放大过程的各向异性引起的，虽然单个e d f a 的p d g 很小( 约 o 0 5 。0 1 d b 1o 】) ，但当多个e d f a 级联时，p d g 可能引起e d f a 的自发辐射噪声 ( a s e ) 迅速积累，最终导致传输系统误码率大大增加1 1 6 l 。在r f a 中，p d g 问 题要比e d f a 中严重的多，例如，当单个r f a 的增益为4 d b 时，p d g 可达3 d b ( 同向泵浦) 或1 s d b ( 反向泵浦) 【1 7 】。由于信号光偏振态随机变化，因此如何 实现稳定的增益是多个e d f a 级联实现超长距离光传输和r f a 实用化需要解决的 关键技术问题。 消偏器在解决光纤光放大器p d g 问题的过程中扮演了非常重要的角色。使用 消偏器对泵浦光消偏后，由6 9 个e d f a 级联的310 0 k m 光纤传输系统的平均噪声 指数下降了2 2 d b 1 0 1 ，而采用反向泵浦的r f a 在使用d c f 、s m f 和d s f 三种光 纤作为增益介质时，p d g 都小于o 5 d b 。文献【1 9 】中报道使用消偏器可以把一个 r f a 的p d g 由1 0 7 d b 减小到0 1 6 d b 。可见，消偏器对抑制光纤光放大器的p d g 具有非常明显的作用。 2 用于干涉型光纤陀螺 基于s a g n a c 效应的干涉型光纤陀螺由于其质量轻、尺寸小、精度高、寿命长 而成为国际上研究开发的最重要的光纤传感器之一，在导航、制导等军用和民用 诸多方面起着极为关键的作用 2 0 l 。最早的干涉型光纤陀螺使用保偏光纤( p m f ) 2 第一章引言 以满足高精度应用的需求，但成本高1 2 1 捌，目前国际上关注更多的则是基于s m f 的干涉型光纤陀螺，这种陀螺因使用s m f 而成本低廉2 矧，在光波进入陀螺之前 必须使用消偏器，从而保证最终的干涉信号不受s m f 对传输光波偏振态改变的影 响。文献 2 0 ，2 3 ，2 4 从不同方面介绍了消偏器在提高干涉型光纤陀螺性能，降低成 本方面的作用。 除了上述两种典型应用外，在作者查阅的资料中还有很多文献介绍了消偏器 的应用。文献 2 5 h 2 7 介绍了在光学器件特性和各项异性材料测试时使用消偏器 可以改进测量结果；文献 2 8 1 和【2 9 】分别介绍了消偏器在多波长r a n l a n 环形激光器 和掺铒超辐射光纤光源中的应用；在其他干涉型光纤传感器中也需要使用消偏器 抑制偏振相关噪声1 3 0 】；文献 3 l 】报道了用l y o t 型消偏器改善光波频率综合系统 ( 1 i g h t w a v ef r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 性能的情况；【3 2 报道了消偏器在相干光谱仪中 的应用。 1 1 3 激光消偏技术发展历史与研究现状 到目前为止，已经提出的激光消偏器方案有数十种之多。从是否使用有源器 件，可以把消偏器分为有源消偏器和无源消偏器两类；从消偏器的工作原理来看， 有时域消偏、频域消偏和空域消偏之分；另外，按照可以消偏的光源谱宽，可分 为适用于宽谱光源、窄谱光源和单色光源的消偏器等。下面按照消偏器的工作原 理分别介绍时域消偏器和频域消偏器，由于有关空域消偏器的研究较少，这里从 略，详细内容可参考文献【3 3 】。 1 时域消偏 时域消偏更多的被称为扰偏，这类方法使待消偏光波通过消偏器后偏振态快 速变化，如果在观察时间间隔内( 探测器的积分时间、光纤数字传输系统一个码 元的持续时间等) 输出光波的偏振态经历了多种状态，则偏振相关元件的响应对 时问间隔平均后不表现出偏振相关性。 时域消偏器的基本实现方法是通过电光调制器、声光调制器以及旋转波片等 方法改变待消偏光的偏振态f 3 7 1 ，电光调制型消偏器的结构和光纤通信中的电光 外调制器类似，只是输出端不使用起偏器。文献【3 5 】报道了一种偏振无关的时域 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 消偏器，当调制信号是2 5 0 k h z 时，对应的消偏时间为4 9 s ，远小于e d f a 中1 3 0 1 t s 的铒时间常数( e r b i u m t i m ec o n s t a n t ) ，在1 1 0 g h z 的光带宽范围内，偏振度都小 于0 1 。 时域消偏器大多数是有源的，消偏性能与入射光波的半峰全宽度( f w h 】) 无关，但偏振态扫描速率与响应平均时间的大小相关，即存在消偏时间( 消偏带 宽) 问题 3 8 l ，因此不适合在超高速系统中应用。 2 频域消偏 和时域消偏器相比，频域消偏器具有成本低，消偏带宽大，无源等特点而得 到了广泛关注，提出的实现方案也比较多，下面按照器件的结构特点介绍这类消 偏器的发展历史和研究现状。 ( 1 ) l y o t 型消偏器 1 9 5 1 年b i l l i n g s 提出了基于双折射晶体波片的l y o t 消偏器f 3 4 】( 图1 1 ) ，由两 块厚度比为三l ：三2 = 1 ：2 ，光轴成4 5 。夹角的波片构成。由于在两个正交偏振分量之 日j 产生的延时受波片厚度限制，只能对宽光谱光源消偏。 图l t l 基于晶体波片的l y o t 消偏器图1 2 基于保偏光纤的l y o t 消偏器 随着p m f 技术的发展成熟，用两段p m f 代替图l 中的波片即可得到p m f 型l y o t 消偏器( 图1 2 ) 1 3 9 4 2 1 。若p m f 的双折射率a n = 3 4 l o - ，则对f w h m = 1 0 n m ，中心波长在1 5 5 0 n m 的光源消偏，两段光纤的长度要分别大于5 m 和1 0 m ， 当光源f w h m 更小时，如普通的d f b 激光器( f w h m 约o 1 n m ) ，则两段p m f 的长度分别大于5 0 0 m 和1 0 0 0 m ，因此器件的成本和体积都大大增加，而且由于 p m f 中两个正交偏振模式之间存在耦合口9 1 ，消偏光的偏振度不稳定。另外，基于 第一章引言 p m f 的l y o t 型消偏器的性能对两段p m f 光轴之间夹角的误差比较敏感。如何使 两段p m f 的光轴成4 5 夹角，可参考文献【4 3 】。这种消偏器由于容易和光纤耦合 而得到了广泛应用。 当待消偏光的偏振态确定时，使用一段p m f 即可消偏，不过需要调整待消偏 光的主偏振方向，使之和p m f 光轴的夹角是4 5 。m o e l l e r 等人 4 4 1 使用这种消偏器对 宽谱光消偏，消偏光偏振度小于0 1 。由于鼬a 泵浦源输出的是线偏振多纵模激 光，因此，消偏型r f a 泵浦源中也多采用这种结构的消偏器【l s ，4 5 , 4 6 1 。和两段偏振无 关的p m f 型消偏器相比，单段的结构在使用时需要调整待消偏光偏振方向和p m f 光轴之间的夹角，这给器件制造和使用都带来不便。另外，m a t a r 等人【4 7 l 提出使用 三段p m f 来降低消偏性能与两段p m f 光轴之间夹角误差的敏感程度。 ( 2 ) 类干涉仪型消偏器 为了克服l y o t 型消偏器不能对窄谱激光消偏的缺点，t a k a d a 等人于1 9 8 6 年 提出了一种类似于m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的消偏器( 图1 3 ) 【4 引。p b s l 分开 的两正交偏振光柬经不同光路传播，显然，在两光束之间产生一定的光程差要比 在l y o t 型消偏器中容易得多， 4 8 】中报道可以对f w h m = l o o m h z 的激光消偏， 偏振度小于1 ，该结构要求待消偏光具有确定的偏振态，使用h w p l 旋转入射 光的偏振方向，使得由p b s l 分开的两个光束的强度近似相等。延时支路上采用 s m f 延迟线，由于不能保持光波的偏振态，在p b s 2 把两个光束合成之的，需要 使用h w p 2 旋转光束的主偏振方向。该结构最明显的问题是稳定性羞，延时支路 上s m f 引起的光束偏振态变化与温度、压力等密切相关，要消除其影响需要调整 h w p 2 ，这在实际使用中是不可能的。 h w p ip b s lp b s 2 s m f 图1 3 类m a c h z e h n d e r 干涉仪型消偏器 f r m 图1 4 类m a c h e l s o n 干涉仪型消偏器 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 为了改进上述结构的稳定性，y a m a s h i t a 等人提出了类似于m a c h e l s o n 干涉仪 结构的消偏器( 图1 4 ) 4 9 1 ，其中用两个法拉第旋转镜( f a r a d yr o t a t i n gm i r r o r ： f r m ) 代替m a c h e l s o n 干涉仪中的反射镜。为了减小器件的体积，且能对窄谱激 光消偏，两个支路上的光程差通过在一个支路上增加一段s m f 延迟线实现，由于 光束两次通过s m f ，因此s m f 对光束偏振态的影响要比图1 3 结构的小。把两个 图1 4 所示结构级联，并在中间插入一个h w p 把光束的振动方向旋转4 5 。即可构 成偏振无关型消偏器，对f w h m = o 7 m h z 的激光消偏，偏振度小于6 ，但器件 的插入损耗( i l ) 和p d l 都比较大，分别是1 5 5 d b 和o 4 d b 。 a z a m i 等人提出了一种全光纤、类似于m a c h z e h n d e r 干涉仪结构的消偏器( 图 1 5 ) 【5 0 - 5 ”，其中的偏振耦合器、偏振旋转器都是光纤型器件，工作原理和前述 m z 结构类似，对相干长度为l m 的光源消偏，偏振度小于4 5 ，在1 4 0 0 1 5 0 0 n m 的波长范围内，温度在0 7 0 c 变化时，偏振度小于8 ，p d l 9 ) 的结构5 钔，所有环上都不使用偏振控制器，也可以获得低的偏振度， 但这种结构的插入损耗随着级联的基本结构数目增多而变大。 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 光纤反馈环型消偏器当环上的光纤足够长时可以对窄谱宽激光消偏，但和时 域消偏方法类似，这种消偏器也存在消偏带宽问题【3 8 l ，在高速系统中应用时需要 注意这一点。 1 2 偏振干涉滤波理论概述 1 2 1 偏振干涉光学滤波器 光学滤波器是一种波长选择器件，在许多光学应用系统中具有重要的作用， 其工作特性可以用频率响应描述。以基于干涉和衍射原理的光学滤波器最为常见， 从2 0 世纪3 0 年代丌始，对偏振光干涉现象的研究和应用逐渐得到人们的重视， 目前已经提出了多种基于偏振干涉效应的滤波器件5 弦6 6 1 。基于偏振干涉的光谱滤 波技术已经广泛应用于光通信、激光谐振腔波长调谐、太阳光谱测量，遥感信息 处理等多个领域，成为光学滤波器家族中一个重要的大类。 1 2 2 晶体型偏振干涉光滤波器及其应用 基于晶体双折射效应的滤波器是偏振干涉光滤波器中得到广泛应用的一种 6 7 7 3 1 ，其传统结构有l y o t 和s o l e 两种类型【7 4 】。 法国天文学家b e r n a r d l y o t 和o h m a n 先后于1 9 3 3 年和1 9 3 8 年提出了如图1 8 所示的晶体型偏振干涉光滤波器结构【7 2 1 ，并成功的用于天文观测及研究，后来称 为l y o t o h m a n 滤波器。该滤波器由平行偏振片隔丌的一组双折射晶体波片构成。 晶体波片的厚度成几何级数增长，所有波片的光轴与偏振片通光方向之间的夹角 是4 5 。 善 图1 8l o y t 型偏振干涉光滤波器 第一章弓l 言 i v a ns o l c 于1 9 5 3 年和1 9 5 5 年提出了另一种更简单的双折射滤波器 6 7 罔，该 滤波器由一系列晶体波片和两端的偏振器构成，晶体波片的排列方式有扇式展开 和折叠式展开两种。图1 9 所示为扇式展开的s o l c 型滤波器：两端的偏振片通光” 方向正交，晶体波片光轴与输入端偏振片通光方向之间的夹角依次为p ，助，5 p ， 2 r i p ，其中p = z 1 4 n ，行是波片数目。 图1 9 扇式展开的s o l c 型偏振干涉光滤波器 传统的晶体型偏振干涉光滤波器用来产生极窄带的光脉冲，例如在太阳光谱 测量中，借助心( 五= 6 5 6 3 r i m ) 线对日冕照相，使用f s r 极小( * 0 1 眦) 的 偏振干涉滤波器可以测得太阳光谱氢的分布【5 9 1 。又例如，在激光谐振腔中放置一 偏振干涉滤波器，使光束入射角为布儒斯特角，以滤波器中波片的面法线为轴转 动该滤光片，便可实现对腔内振荡激光的波长调谐1 6 2 , 6 9 , 7 0 , 7 6 1 。 从滤波器理论来看，系统的结构参数应当根据应用要求的传输函数设计，而 不是一种固定的取值。出于这种考虑，1 9 6 4 年s e h a r i s 利用脉冲响应等概念， 提出了一种由给定的频率响应，确定相应阶数晶体光滤波器参数波片厚度和 光轴角度的设计方法1 7 7 , 7 8 ，对应的滤波器结构( 图1 1 0 ) 和传统的s o l c 滤波器相 比，实现同样滤波性能的晶体波片数目大大减少，且可以实现任意的滤波波形， 晶体波片光轴和偏振片通光方向的空间方位角也都是任意的。 随着光纤通信，光信息处理等应用系统的发展，对光滤波器的性能也提出了 更高的要求，晶体型偏振干涉光滤波器也找到了更多发挥功能的应用场合。在密 集波分复用( d w d m ) 光纤通信系统中，随着复用的波长信道数目增加，波长信 - o 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 道的间隔越来越小，传统的衍射光栅型、薄膜干涉滤波片型解复用器在可解复用 的信道数目、滤波性能等方面已经无法满足应用的要求，目前解决这一问题的主 要方法是使用种称为i n t e f l e a v e r 的光学梳状滤波器 7 9 1 ，i n t e d e a v e r 首先把 d w d m 光信号按信道号在空间分成奇偶两组，则每一组信号的信道间隔增大到 原来的2 倍，然后再使用传统解复用器把各个信道分开。在i n t e r l e a v e r 中，光滤 波器要具有良好的带通滤波性能，而且滤波器中心波长的漂移要严格控制，晶体 型偏振干涉光滤波器以其良好的滤波性能和温度稳定性而得到了广泛关注。另外， 在晶体型偏振干涉光滤波器中增加电光调制等调谐手段【6 3 】，可实现窄带波长可调 谐滤波器，这种器件在未来的光纤通信系统中具有重要作用。 圈1 1 0 晶体型偏振干涉光滤波器基本结构 为描述方便，本文中称图1 1 0 所示只有一个偏振分量作为输出的结构为单通 晶体光滤波器，而把输出端偏振片换为偏振分束器( p b d ) ，两偏振分量都作为输 出的称为双通晶体光滤波器。 1 2 3 晶体型偏振干涉光滤波器的设计方法 对于单通晶体光滤波器，s e h a r i s 提出的设计方法使得s o l e 型滤波器的设计 和应用有了实质性的进展，一直沿用至今，但该设计方法存在两个明显的缺点： 一是数学计算繁杂，虽然可以程序化，但程序设计仍相当繁琐；二是设计过程中 虽然使用了描述滤波器的一些基本概念，但由于数学运算复杂，物理概念不甚清 晰。近几年提出的设计方法基本上都是基于现代优化思想的数值解法，如模拟退 火算法和粒子群优化算法等蹲肚蚓，这类方法一般可以得到可行解，但在设计滤波 1 0 第一章引言 器时首先必须熟悉所用优化算法的数学理论，而且设计效率低，达不到经典算法 的实时性。另外，这种优化算法的稳定性差，即尝试几次运行并不能保证每次都 能寻找到合适的解，有时候会陷入局部最优解。 对于双通晶体光滤波器，目前主要是用于i n t e d e a v e r ，在这种应用中要求滤 波器具有功率半带滤波特性，最典型的结构包括3 个厚度比为l ：2 ：2 的晶体波片， 波片光轴与入射端偏振片通光方向的夹角依次为4 5 ，1 5 ，1 0 ，z h a o 提出了一种 认为更优的角度关系【州：4 5 ，2 1 ，7 。这些角度参数只是一些特例，相关文献中 没有报道具体的设计方法。k j i n g u j i 等人【8 5 】在研究m a c h z e h n d e r 干涉仪级联型 i n t e d e a v e r 时，提出了一种特殊的滤波器结构，并给出了结构参数的设计方法， 但该方法只适用于m a c h - z e h n d e r 干涉仪级联型滤波器，而且很复杂。 1 3 本论文的工作 1 3 1 选题意义 通过1 1 节和1 2 节的介绍可以看出，激光消偏技术和偏振干涉滤波器在多个 领域具有重要应用。激光消偏器已经有一些设计方案，但仍有进一步改进、提高 的空间，设计消偏性能更好，参数指标更符合应用要求的消偏器是一项很有价值 的工作。另外，国内对消偏器的研究除了武汉光迅公司的一种设计方案外，尚无 其它产品，所以研究和设计具有自主知识产权的消偏器，也是一件很有意义的事 情。论文激光消偏技术部分的工作目的是，研制数种满足不同领域应用要求的低 ， 偏振度激光消偏器，以解决和改进原有各种方案在性能和实际使用中所遇到的这 样或那样的局限性。在偏振干涉滤波理论部分，研究发现滤波器设计方法不完善 是限制晶体型偏振干涉光滤波性能提高的一个重要因素，因此，建立一套简单、 高效、可靠，设计过程物理概念清晰的滤波器设计方法，从偏振干涉滤波理论和 滤波器应用两方面来说都是非常必要的。 论文在激光消偏技术和偏振干涉滤波器设计方面取得的研究成果对改善r f a 的增益特性、降低相干光纤传感系统的噪声、促进晶体型偏振干涉光滤波器的应 用等方面具有重要的理论意义和应用价值。 激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究 1 3 2 主要内容与章节安排 在激光消偏技术部分，作者在深刻理解频域消偏原理的基础上，提出了利用 等效双折射效应代替p m f 实现l y o t 消偏器的新型原理性结构，在理论分析和实 验研究中，根据光学元件特性、装配工艺误差以及应用需求，设计了多种消偏器 实现结构，消偏器样机的实验测试结果表明提出的消偏器结构在一些特性上和同 类商用产品相比具有一定优势。这部分工作主要包括： 1 ) 在理论方面，从偏振光及其偏振度的描述入手，分析了设计消偏器的理论 依据，介绍了利用琼斯矩阵和频域消偏概念分析消偏器性能的方法，并阐述了 p d l 参数对消偏器性能评价的意义。 2 ) 提出了一种等效双折射结构，进而设计了一类偏振无关的消偏器，研制的 消偏器样机具有低偏振度，低p d l ，性能稳定，体积小的特点，和国内外同类产 品相比具有一定优势。 3 ) 比较平行平板型光隔离器和消偏器的结构特点，提出了具有隔离功能的消 偏器结构，数值计算表明此类消偏器具有良好的消偏和隔离功能，在同时使用隔 离器和消偏器的应用场合可有效降低成本，使系统更加紧凑。 4 ) 分析了用于多纵模激光的消偏器性能与入射光光谱特征、偏振态之间的关 系，指出了目i j 该类消偏器存在的问题。在理论分析的基础上，研究了具有隔离 功能、对入射线偏振光振动方向无关的多纵模激光消偏器实现方案，理论分析和 实验测试表明，提出的结构能够对多纵模激光有效消偏。 在偏振干涉滤波器设计部分，主要研究了单通和双通晶体光滤波器的设计方 法。对于单通晶体光滤波器，提出了一种基于系统琼斯矩阵的反向递推设计算法： 对于双通晶体光滤波器，利用数字信号处理中的：变换描述和分析晶体光滤波器， 进而基于格滤波器结构，提出了设计具有功率半带特性的频率响应，确定滤波器 光学参数的完整设计方法。 论文第二章介绍了激光消偏理论、消偏器分析方法和偏振度测量方法，第三 至第五章分别介绍了偏振无关型消偏器、用于多纵模激光的消偏器和具有隔离功 能的消偏器设计与实验研究结果，偏振干涉滤波器设计方法在第六章讨论，第七 章是全文工作的总结。 1 2 第二章偏振光理论与激光消偏原理 第二章偏振光理论与激光消偏原理 2 1 偏振光与偏振光学系统 2 1 1 光波的偏振态和偏振度 平面光波的光矢量振动方向与光波传播方向垂直，在振动面内，光矢量的振 动方向对于传播方向具有某种不对称性，把这种性质称为光波的偏振特性。光波 的偏振特性可以用偏振态和偏振度( d o p ) 描述。 1 光波的偏振态 对于简谐单色平面波，偏振态描述的是空问任一点光矢量的末端在不同时刻 的轨j 壅特征。设圆频率为的单色光波沿z 方向传播，算，y 方向振动的分量为 e = e o ，c o s ( c a t 一妇+ 丸) ( 2 1 a ) e = e o yc o s ( t 一乜+ 丸) ( 2 1 b ) 其中织、。分别是两分量的仞始相位，将式( 2 1 ) 中的变量t 消去，可以得到光 矢量末端的轨迹方程 ( 彘) 2 + ( 苦 2 一z ( 彘 ( 苦 c o s 矿矧n 2 妒 c ： 式中，= 庐，一九。该方程系数行列式大于零，可见，光矢量的末端轨迹是一个椭 圆。相位差和振幅比e 。，e 不同，决定了椭圆的形状和空间取向不同，式( 2 2 ) 也可以退化为圆或者直线的方程，从而，单色简谐平面光波其偏振态可分为线偏 振、圆