（电磁场与微波技术专业论文）新型光纤偏振控制与调节器件的分析与研究.pdf

摘要 摘要 光纤中光波的偏振态控制、调节以及实现方法是当前高速、大容量光纤通信 与基于相干和偏振检测原理的光纤传感系统中一个十分重要的研究课题，它对光 纤通信以及光纤传感系统的性能起到关键的作用。本文在分析目前现有的各种光 纤偏振控制与调节器件的基础上，提出了两种新型的光偏振态控制器件，并对它 们的工作原理、特性以及在偏振控制方面的应用进行了理论分析与实验研究。这 两种器件一个是采用抗弯曲损耗光纤制作的新型小型化的全光纤波片，另一个是 基于法拉第旋转器的偏振态控制器。 本文首先对采用抗弯曲损耗光纤制作的光纤波片的弯曲损耗、双折射与温度 和波长的依赖关系进行了理论分析和实验研究，并与采用普通单模光纤制作的光 纤波片的相关特性进行了对比。理论分析与实验结果表明，抗弯曲损耗光纤的弯 曲损耗特性远好于普通单模光纤，而采用抗弯曲损耗光纤制作的波片的温度与波 长特性略优于采用普通单模光纤制作的波片。实验与理论分析结果基本一致。采 用抗弯曲损耗光纤制作的光纤波片的直径比采用传统单模光纤制作的光纤波片 的直径要小2 7 c m ，可以大大缩小光纤器件和模块的尺寸；另一方面，由于器件 使用的光纤长度很短，这样可以大大避免光纤内在双折射对波片性能的影响。因 此，该方案比采用普通单模光纤的方案具有明显优点。 本文接着对基于法拉第效应的偏振态控制器进行了研究。我们采用沿光纤轴 向移动外加磁环的方法，调节加在磁光材料上的纵向磁场强度，从而改变传输光 的偏振态。该器件在进行偏振光方位角调节时不会对前后端与其相连的器件造成 影响，体积和尺寸较小。 本文最后提出了利用抗弯曲损耗光纤波片制成的可输出任意偏振态激光的 偏振态可调光源，并对其使用方法进行了详细的介绍。 关键词：偏振控制器件抗弯曲损耗光纤波片法拉第效应 a b s 圩a c t a b s t r a c t p o l a r i z a t i o nc o n 拍l l i n g 、删u s t i l l ga n di n l p l e r n e n 切l t i o no f1 i g h tw a v e si n 舳e ri sa v e 巧i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c s i i l h i g hs p e e d 、l l i g hc 印a c i t yo p t i c a l f m e r c o m m u i l i c a t i o n 觚d 助e rs e n s i n gs y s t e mb a s e d0 n 也ep r i n c i p l eo fc o h e r e n ta n d p o l a r i z a t i o nd e t e 嘶o n i t s 恤k e yf a 咖rw 1 1 i c h 盘c t s 位p e 墒m a l l c eo f 丘b e r c o i n 】叭面c a t i o na n df i b e rs e n s o rs y s t e m s t l l i sd i s s e r t 撕o n 趾a l y z e sv 撕。鹏e x i s t i n g 矗b e rd e v i c e s 璐e do np o l a r i z a t i o nc o n t r o l l i i l ga n d 删u s t i n & 触l d 柏阳n o v dl i g m p o l a r 跏o nc o n t r o l l e ra r ep r o p o s e d ，a l s om e o r e t i c a la n a l y s i s 趾l de x p e 曲e n tr e s e a r c h o nm e i rp r i n c i p l e 、妇t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so np o l 删o nc o n 仃o l l i n ga r ed o n e 0 n eo ft l l e s en 0 v e ld e v i c e si ss n 谢l s c a l e 丘b e rw a v ep l a t e sw k c ha r em a d eo f b e n d i n gl o s s i 璐e n s i t i v ef i b e r a n o t h e ro n ei s p o l a r i z a t i o nc o n 仃o h e rb 嬲e do n f 麟l d a y - r o t a t 院 b e n d i n g l o s sc h 融r i s t i c sa 1 1 dt h e d e p e n d e n c i e sb e 似e e nb i r e 衔n g e n c e 跹d t e m p e r a t u r e 、w a v e l e n g t ho ff i b e rw a v ep l a t e sw h j c ha r em a d eo fb e r l d i n gl o s s i n s e n s i t i v ef i b e ra r er e s e a r c h e di i lt 1 1 e o r y 趾证e x p e r i m e n t ，a l s 0a r ec o m p a r e dw i lt l l e r e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c so f 廿l ef i b e rw a v ep l a t e sw m c ha r em a d eo fo r d i n a 巧 s 吨l e - m o d e 舳e r t h er e s u l t so f 恤o r e t i c a la i l 乏d y s i sa 1 1 de x p e m l e l l j c a lr e s e a r c hs h o w t l 谢：t l l eb e n d i n gl o s sc h a m c t 嘶s t i c so ft l l eb e n d i r l g1 0 s si n s e n s i t i v e 助e ri s 胁b e t t e r m a no r d i l l a r ys i i l g l e m o d ef i b e r ，锄d l et e m p e r a ：t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw a v e l e n g m c l l a r a c t e r i s t i c so ft l l e 丘b e r 、a v ep l a t e sw 量l i c ha r em a d eo fb e n d i n gl o s si l l s e i l s “i v e f i b e ra r es l i g h t l yb e 掀拢1 恤丘b c r 聊w ep la _ c e sw l l i c ha r em a d eo fo r d i i l a 巧 s i n g l e - m o d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l y 也es 锄t om e o r e t i c a la n a l y s i s r c s u l t s 1 kd i 锄e t e ro f 丘b e rw a v ep l a t c sm a d eo f b e n d i n gl o s s 妇e 1 1 s i t i v e 助e ri s s m 2 l l l e r 吐姗恤d i 锄酏e ro f 舳e rw a v e p l a t e sm a d eo fo r d 啦s i i l 酉e m o d e 舳e rb y 2 7 c m s oi tc a ng r e a t l yr e d u c e 恤s 协o ff i b e ro p t i cc o n 啪n e 幽趾dm o d u l e s o n t h eo t l l e rk l n d ，b e c a _ i l s e 廿1 e 行b e ru e s di ni ti ss h o n ，t l l i sc 觚伊e a t l ya v o i dt 1 1 ee 髓c to f 纳e ri i 妇i cb i r e 触g e n c eo n 仕屺p e 墒删eo fw 乏ep la ：t e s rt 娜o b v i o u s a d v a n t a g en l a nm ew a v ep l a t e sm a d eo fo r d i n a r ) rs i n g l e m o d ef i b e r 1 1 l e p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e rb 嬲e do nf a r a d a y r o t a t o ri sr c s e a r c h e di nm i s m a b s 仃a c t d i s s e r t a t i o n w 色t a ：k e l em e t h o do fm o 、，i n gt l l ea d d i t i o r 试m 艇皿e t i cr i n ga x i a l l y 廿啪u 曲m e 舶e rt oc h a n g em ei n t e n s i t yo fl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l dt h r o u 曲 m a 驴e t 0 一。砸c a lc r ) r s t a l a sar e s u l t ，t h ea z i m u 也o fp o l 耐z e dl i g h tw i l i c ht r a n s m i t t e d t 1 1 ：r o u 曲t 1 1 em a 印e t 0 一o p t i c a lc 巧s t a li sc h a n g e d n ed e v i c e sw 1 1 i c hc o n n e c t e dt ot l l e p o l 撕z a t i o nc 0 n 昀l l e r 谢hn o tb ea 彘c t e dw h e n l ea z i n l mo fp o l a r i z e dl i g h ti s 喇u s t e d a l s o ，l ep 0 1 a r i z a t i o nc o n 仃0 1 1 e rl l a ss m a l lv 0 1 l u n ea f l ds i z e f i 砌l y ，w eu s em e 助e rw a v ep l a t c s 砌c ha r em a d eo f b e n d 吨l o s si i l s e n s i t i v e f i b e rt om a k ep o l a r i z a t i o nt i m a b l el i g h ts o u r c en l a tc 锄0 u _ t p u tl 嬲e rw i t l l 曲i 仃a r y p o l a r i z a t i o ns t a t e ，a n d 也ew a yo fo p e f a t 血gi s 证舶d u c e d k e y w o r d s ：p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ； b e l l d i n gl o s s 血s e n s i t i v ef i b e rw a v ep l a t e s ； f a r a d a ye 毹c t 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 光纤的发明给整个通信领域带来了一场重要的变革，它使得长距离、大容量、 高速率的通信成为可能。光纤通信技术由于它具有损耗低、频带宽、容量大、重 量轻、抗干扰强等一系列优点给人类带来了前所未有的高品质通信体验。物联网、 云计算、三网融合的发展对通信网的带宽提出了更高的要求，目前，光纤通信系 统的骨干网从单波长传输速率1 0 g b s 正在向4 0 g b s 系统升级，1 0 0 g b s 的光纤 通信网已成为发展方向。 然而当光纤通信系统中光的传输速率超过1 0 g b s 时候，偏振相关损害开始 凸现，将使系统性能发生恶化，严重影响通信的质量。尤其对于传输速率4 0 g b s 以上的通信系统，由偏振引起的相关损害如光纤中的偏振模色散( p 加) 、无源光 器件的偏振相关损耗( p d l ) 、光放大器中的偏振相关增益( p d g ) 等也越来越敏 感。上述偏振效应不仅会导致信号的幅度产生波动，形成偏振相关的幅度噪声， 还会因偏振相关相位波动的存在产生信号波形失真、频率啁啾和干涉噪声，严重 影响高速光通信系统的通信质量，成为了光纤传输速率提升的一个瓶颈。这些损 害是由多方面的原因造成的：一是实际生产中，由于本身制造工艺的问题，使得 光纤并不完美，造成光纤存在一定的不均匀性、不对称性、内应力等，由于光纤 通信都是高速率而且长距离的，因此会带来偏振相关损耗、偏振模色散等偏振效 应；二是光纤通信实践中，光纤主要铺设在户外，受到周围环境因素的影响很大， 如突发振动、应力变化、温度起伏等都会引起双折射效应，从而使得通过的光信 号的偏振态发生随机变化。因此，为了提高偏振态的稳定性，减小偏振态变化对 通信质量的影响，偏振态控制的研究受到了广大科研工作者的普遍关注。 偏振控制器( p 0 1 a r i z a t i o nc o n t r 0 1 l e r ，简称p c ) 就是在光纤通信系统中 能够克服偏振相关效应的器件。它能够根据传输光偏振态的变化，将一个偏振态 转换为另一个期望的偏振态，能够大幅度提高通信系统性能，因此它在光纤通信 中的许多领域都得到了应用。特别是在偏振模色散补偿技术、相干光通信、高速 偏振控制、光纤传感以及光纤测量等方面有着广泛的应用。同时，在许多偏振敏 感的光纤传输链路中也使用偏振控制器来优化器件的输出功率，实现偏振敏感的 最小化。此外，偏振控制器也可以作为扰偏器使用，以获得高度随机的偏振态。 第一章绪论 所以，偏振控制器是高速光纤通信系统中不可或缺的重要器件。 偏振控制器的主要性能指标有：响应速度、消光比、插入损耗、无端复位性 等。响应速度反映了偏振控制器对输入光状态进行调节所需的时间，它决定了偏 振控制器的动态实时跟踪能力。在光纤通信系统中，传输光偏振态会受到各种因 素的影响，如突然性的外力会使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化。因此， 实际中使用的偏振控制器对响应速度有很高的要求。理想的动态偏振控制器必须 要有高的响应速度，以对快速变化的偏振态进行实时响应。消光比表征了偏振控 制器对偏振态的控制能力，是线型偏振控制器重要的性能指标，它可以定义为期 望方向光强与其正交方向光强的比值。消光比越大，得到的输出偏振态越好。目 前己有偏振控制器的消光比达到3 0 d b 以上。偏振控制器的插入损耗应尽量低， 以减少偏振控制器自身对光信号的影响。偏振控制的无中断调节，即无端复位性 也是非常重要的一个特性，因为在偏振态控制中，偏振状态的重置会引起偏振态 的跳变，有可能导致信号中断。 偏振控制器从组成结构上大致可以分为块状元件偏振控制器和全光纤偏振 控制器两大类。与块状元件偏振控制器相比，全光纤偏振控制器具有使用方便、 成本低廉、插入损耗低等优点。偏振控制器不仅仅在光通信领域有着广泛的应用， 在航天、传感、检测、医疗等方面也有着广泛的需求。 1 2 常规偏振控制器件的种类与工作原理 目前市场上的偏振控制器种类繁多。按对波片作用方式的不同，可分为机械 式、电控式、以及全光学偏振控制器。按制成波片的材质来分，可分为液晶偏振 控制器、铌酸锂偏振控制器、电光陶瓷偏振控制器、光纤偏振控制器等。按技术 原理可分为以下3 类：由多个延迟量固定、方位角可变的波片组成的；由单个延 迟量可调、方位角可交的波片组成的；由多个方位角固定、延迟量可调的波片组 成的。 作为偏振控制器中提供线双折射的核心器件，波片能直接作用于偏振光并能 使互相垂直的两光振动间产生附加相位差。最常用的光学波片有m 波片和尬 波片两种。m 波片主要用来将线偏振光转换成圆偏振光( 线偏振光的偏振方向 与波片的光轴成4 5 。角入射时) 和椭圆偏振光( 线偏振光的偏振方向与波片的 2 第一章绪论 光轴不成4 5 。角入射时) ，或将圆偏振光和椭圆偏振光转换成线偏振光。栊波 片常用作线偏振光的偏振方向旋转器( 与尬波片的光轴成0 角入射的线偏振光 经过波片后偏振方向会旋转2 0 ) 。目前有基于各种不同结构、不同原理的波片 已被开发出来，它们的性能和适用范围也有所不同。另外，在某些偏振控制器中 还存在着能够提供圆双折射的器件。下面就把这些器件分为块状器件和全光纤器 件两大类来进行讨论。 1 2 1基于块状光学器件的偏振控制器 1 2 1 1 普通块状光学波片 作为应用最为广泛的偏振态控制器件，普通块状光学波片的发展已经十分成 熟。普通块状光学波片是由双折射材料经过切割、抛光、镀膜等复杂的工艺流程 而制成的薄片，其光轴与波片表面平行。当线偏振光垂直入射到波片，且振动方 向与波片的光轴夹护角( 矽0 ) 时，入射的光振动会分解成垂直于光轴( o 光) 和平行于光轴( e 光) 两个分量，它们沿同一方向传播，但传播速度不同，穿出 波片后两束光间会产生( 一心) d 的光程差( 其中d 为波片厚度，n o 和n 。分别为。 光和e 光的折射率) ，换算成相位差为： 万= 2 万( 一，) d 旯 ( 1 1 ) 式中，五为入射光的波长。两束光合成后的偏振态一般为椭圆偏振；当 万= 石+ 2 勋( k 为整数) 时，波片为尬波片，两束光合成为线偏振光；当 艿= ( 2 七+ 1 协2 ( k 为整数) 时，波片为批波片，两束光合成为圆偏振光或椭圆 偏振光。 普通块状光学波片按结构来分，有真零级波片，多级波片，胶合零级波片( 复 合波片) 及消色差波片。真零级波片延迟量的波长和温度稳定性高。以 m e a d o w l a r k 公司的真零级尬波片为例，当工作波长偏离中心波长1 1 0 时，其 相位延迟量的变化仅为1 6 2 度。但真零级波片往往非常的薄。以真零级石英波 片为例，一个以5 5 0 姗为中心波长的真零级石英波片的厚度只有1 5 u m ，如此薄 的波片在制造和使用上都会遇到不少困难。多级波片的厚度等于多个全波厚度 ( 从几个到上百个不等) 加一个所需延迟量厚度，从延迟效果上看与零级波片没 有多大区别，但随着波片级数的增加，温度、波长变化对其相位延迟量的影响会 第一章绪论 越来越显著。以1 5 5 0 n m 的2 3 级栊石英波片为例，环境温度每升高l ，其相 位延迟量约变化o 3 5 度。与真零级波片相比，多级波片相对比较容易制造和使 用，性价比较高。胶合零级波片( 复合波片) 是将两个多级波片胶合在一起，通 过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的 光程差。胶合零级波片可以在一定程度上改善温度对波片相位延迟量的影响，但 另一个结果是其增加了波片相位延迟量对光入射角度及波长的敏感性。消色差波 片由两种具有不同色散值的双折射晶体组成，可以在很宽的波长范围内实现较为 均匀的相位延迟。以t e m p o t e c 公司的1 5 5 0 册消色差栊波片为例，在中心波长 附近2 0 0 咖的波长范围内，其相位延迟量的变化仅为1 度。 普通块状光学波片按材料来分，有晶体波片和聚合物波片。晶体波片常用的 晶体包括云母、石英、方解石等。云母是可以被很精细地劈开的天然晶体，可以 用来做真零级波片。但云母波片的缺点是口径一般比较小，整个平面的均一性比 较差，并且长时间使用的光学质量及可靠性也比较差。和云母波片相比，石英波 片机械强度大，面形好，不会出现多次反射，二向色散小，紫外和红外透射区更 宽。但难于制作单级波片，多为多级波片，所以它对环境温度和光入射角都很敏 感。对于晶体波片而言，由于晶体透光方向的几何厚度d 和晶体对。光、e 光的折 射率n 。均为波长和温度的函数，故其相位延迟量会随着波长和温度的变化而 变化，且波片的级数越高受到的影响越显著n 1 。其相位延迟量的变化将通过材料 的折射率温度系数和热膨胀系数加以体现。不同材料的波片其折射率温度系数、 热膨胀系数存在着很大差别，由此所引起的相位延迟量变化也不尽相同乜1 。对于 聚合物而言，由于其双折射系数比较小，所以更适合用来制造真零级波片。各种 聚合物在不同波段的色散程度不同，所以对不同应用要考虑用不同类型的聚合 物。 普通块状光学波片具有较好的性能指标，但其存在着制作过程复杂、与光纤 的匹配困难、耦合效率低、难以集成、材料成本高等问题。 普通块状光学波片的一个应用实例就是如图1 1 所示的偏振控制器。早期的 偏振控制器大部分是在自由空间的，最为常见的是在两个m 波片( q w p ) 中间 加一个栊波片( h w p ) 组成的可旋转的波片组合，每个波片都可沿着光轴相对于其 它波片自由转动。第一个艄波片的作用是将任意输入偏振光转变为线偏振光， 4 第章绪论 然后尬波片将此线偏振光旋转到任何希望得到的偏振方向，第二个卅波片就 能实现将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态。 q 精ph 黼q w p 图1 1由两个m 波片和一个栊波片组成的三波片偏振控制器 这种偏振控制器的缺点在于在光纤网络中插入损耗较大，而且对波长敏感， 响应速度较慢，体积较大，精度较低。 1 2 1 2 电控晶体波片 针对普通块状光学波片相位延迟量固定、且只能应用于特定波长的不足，人 们开发了一种电控晶体波片。电控晶体波片是利用电光晶体的电光效应设计的。 当加到电光晶体上的电场较大时，就足以有效地扰乱原子的内场，导致分子产生 极化现象，使分子的介电张量发生变化，晶体的折射率就会因此而发生改变，这 种因外加电场作用使得介质光学性质发生变化的效应就是电光效应。这样我们就 可以通过改变电光晶体的外加电压来改变其相位延迟量，进而制成批、尬或其 它任意相位延迟量的波片。另外，通过改变晶体的外加电压还可以使得波片应用 于任意波长。 目前应用于偏振控制器的电光晶体主要有三类：液晶、铌酸锂晶体以及电光 陶瓷晶体。用液晶波片代替普通块状光学波片可以减少传统波片的机械旋转和更 换次数，有较快的响应时间，有助于提高控制的精度。 电控晶体波片的一个应用实例就是电光陶瓷晶体偏振控制器。电光陶瓷晶体 ( 即透明铁电陶瓷) 是一种折射率随电场的变化而改变的透明氧化物电光陶瓷材 料。电光陶瓷晶体偏振控制器就是利用具有很强电光效应的透明铁电陶瓷材料构 成的( 具有代表性的材料是p l z t 和p 蜊一p t ) 。图1 2 是一种由四个互成4 5 0 电 光陶瓷晶体阵列构成的偏振控制器结构图。这四个波片的主轴方向固定，根据电 光陶瓷晶体的电光效应，每个波片上的相位延迟量随加载在其上面的电压变化而 变化。基于电光陶瓷晶体阵列构成的偏振控制器驱动电压较高、插入损耗较大， 第一章绪论 但是它具有很快的响应速度( 亚微秒级) 、良好的透光性，并且对波长不敏感、稳 定性好、集成度高、成本低，在实际中得以广泛应用。 o w c a l 鸯毫删 譬 f 口。擎臀。 f 湛瓮“”“一，： 隧餮争曼 图1 2电光陶瓷晶体阵列构成的偏振控制器结构图 1 2 1 3 b a b i n e t s o i e ii 偏振器件 该器件是由两个楔形双折射晶体组成的复合波片，如图1 3 所示。可以通过 两块晶体的相对滑动来改变波片的厚度，从而达到改变其相位延迟量的目的。相 比普通块状光学波片，这种装置具有对波长不敏感、相位延迟量可调的优点，但 该器件制造成本高、插入损耗大、调节速度慢d 1 。 图1 3b a b i n e t s 0 1 e i l 偏振器件 1 2 1 4 其它类型的光学波片 薄膜波片：相比于传统波片，利用薄膜偏振效应的薄膜波片具有更大的灵活 性。薄膜波片可以应用于紫外、可见光甚至远红外波长区，可以应用于诸如1 0 6 u w 的大功率激光器，这些都是晶体波片所办不到的。 二维光子晶体波片：在很宽的波长范围内( 此波段在二维光子晶体禁带内) ， 当入射光为该波段内的任一波长时，通过调节二维光子晶体材料的相关参数，如 介质折射率、介质柱构成的形状和大小等，就可以使频率处于二维光子晶体禁带 内的两个正交偏振反射光的反射相移差为万2 、万或3 刀2 。二维光子晶体波片可 应用于波分复用光通信技术及可调谐激光器技术，具有选材方便，易于光电集成， ，。，、ovl | 一 v tv ；讥，b，_v，乙 第一章绪论 厚度薄，可多波长使用的优点，但是其制作工艺复杂、精度要求很高。 此外，还有生物波片、亚波长光栅波片等新型波片正在研究、开发之中。 1 2 2 基于光纤双折射的全光纤偏振控制器 目前，采用块状器件的偏振控制解决方案应用得十分广泛，但这项技术毕竟 还存在着很多缺点，还需进一步完善。比如，光线的准直、对轴、聚焦比较费时、 费力，波片、透镜等元件都价格不菲，插入损耗比较大、难以集成等等。所以， 人们就开发了采用全光纤器件的偏振控制解决方案。 与之前所述的采用块状波片来产生线双折射的方法不同的是，全光纤波片采 用一段特定长度的双折射光纤来产生同样的效果。决定出射光偏振态的因素主要 是入射光的振动方向与双折射光纤光轴的夹角，以及双折射光纤的长度。全光纤 波片能够在线使用、抗振动能力好、插入损耗小、体积小、成本低、利于集成。 1 2 2 1 挤压光纤型 这种方法的理论基础是光纤的弹光效应，即光纤受到应力时，其折射率会改 变。当两正交方向之间的应力差为口时，则在该方向上的折射率之差为： 纠3 ，z = i ( 1 + v ) ( a 2 一a 1 ) 盯 ( 1 2 ) t 、，i 式中，n 为纤芯的折射率，e 为杨式模量，v 为泊松比，p 。、p 。为光弹张量。 与此相应，该应力对两正交方向的偏振光产生的相位差为： 伊：孚，l ：华嬖( 1 + 1 ，) ( a 2 一盯 ( 1 3 ) 伊2 i 一刀2 _ i 【l + 1 ，火a 2 一a l j 盯 l i j j 式中五为偏振光的波长，l 为受压光纤的长度h 1 。这样，我们就可以通过改 变对普通单模光纤横向挤压的力量来实现对纤芯折射率的改变，进而达到改变两 正交方向偏振光相位差的目的。利用该方法制成的光纤偏振态控制器具有很低的 插入损耗和偏振相关损耗，便于调节和控制。 此法虽然原理简单，但需要有相对应的能够对光纤进行横向挤压的机构。挤 压机构是挤压光纤型偏振控制器的关键部件。前人曾用电磁铁挤压光纤，但电磁 铁体积大、控制电流大、线性度差、动作速度慢，不适合制作高速的偏振控制器。 层叠状压电陶瓷( p z t ) 响应速度快、控制精度高，是一种理想的挤压元件“1 。 7 第一章绪论 利用p z t 对光纤进行挤压的示意图如图1 4 所示。挤压的夹具采用端面光滑的石 英块，被挤压物为普通单模光纤。利用p z t 具有的压电效应，我们可以通过调节 驱动电压的大小来精确控制p z t 的输出压力。 图1 4 利用p z t 横向挤压光纤示意图 挤压光纤型波片的一个应用实例就是如图1 5 所示的可变可转波片。它由一 个可绕光纤旋转的光纤挤压模块挤压光纤来产生线双折射。其工作原理是通过挤 压产生相位延迟和旋转改变光轴角度的共同作用来实现对偏振态的控制，是一种 延迟量方位角控制型偏振控制器。它的优点是插入损耗低、成本低，还具有 体积小、对波长不敏感的优点。但是这种器件的调节速度非常慢，以至于无法应 用于光纤网络的p m d 补偿。 s o t a t i 噶；l i ：1 8 e 2s ：u e z e r s 图1 5 可变可转波片 还有一种基于挤压光纤的偏振控制器如图1 6 所示。3 个挤压机构( 一般是 由p z t 构成) 互成4 5 0 角固定于光纤的轴线上，每个挤压机构产生的相位延迟随 着加载电压的变化而变化。理论表明，通过三个互成4 5 0 角方向上的挤压，可以 实现任意输入偏振态到任意输出偏振态的变换。由光纤挤压器构成的偏振控制器 不仅没有背向反射，而且插入损耗和偏振相关损耗都极低。但它要采用比较复杂 的控制程序，才能实现无需重置的偏振控制，而且价格昂贵，因此在实际应用中 有一定的局限。 囤 第一章绪论 4 5 0 ( 图1 6 基于挤压光纤的偏振控制器 1 2 2 2 保偏光纤型 保偏光纤是利用应力感应或几何形状效应而形成的双折射光纤，其横截面示 意图如图1 7 所示。当输入偏振光的偏振主轴与保偏光纤的光轴成一定角度入射 时，其偏振态会在传输的过程中发生周期性的变化。利用这一原理，我们就可以 将保偏光纤制作成光纤波片用于偏振态的控制。使两个正交模式之间产生2 刀相 位延迟量的保偏光纤长度，称为保偏光纤的拍长。我们只要取合适长度的保偏 一z r 1 光纤就可以制作所需的光纤波片。m 波片所需的保偏光纤长度为竺0 ( k 斗 为整数) ，尬波片所需的保偏光纤长度为竺兰4 ( k 为整数) 。保偏光纤波片的 z 温度稳定性较差。在环境温度发生变化时，由于石英材料随温度的伸缩系数非常 小( 约为1 0 。7 数量级) ，所以可以近似地认为保偏光纤波片的长度不随温度变化， 但是石英材料的折射率和两正交方向上的压强差会随着温度的变化而变化，故保 偏光纤波片的相位延迟量也会随之发生变化。以长度为3 40 的熊猫型保偏光纤 栊波片为例，环境温度每升高1 ，其相位延迟量变化0 2 7 度1 。此外，波片 长度的增加还会减小波片在满足一定相差条件下的带宽。 j 厂。 、 一 l 。 二。一) ( a ) 应力感应双折射光纤( b ) 几何形状效应双折射光纤 图1 7 保偏光纤的横截面示意图 9 第一章绪论 利用保偏光纤对温度敏感的特性，我们可以通过改变保偏光纤波片的温度来 实现对其延迟量的改变，最终使得其输出光的偏振态可调。如图1 8 所示的电热 控光纤偏振控制器就是基于这一原理而制作的。将三段保偏光纤的偏振主轴互成 4 5 0 角进行熔接，并把电阻丝均匀紧贴地螺绕在每一段保偏光纤上，可以通过调 节流过电阻丝的电流来控制该段保偏光纤的温度。此偏振控制器是全光纤的，而 且没有分立元件和高精密机械加工机构，所以，不仅易于与光纤链路连接，而且 体积小、成本低、制作简单；另外，此偏振控制器由电加热控制，比机械控制方 便，并可实现任意偏振态扫描控制n 1 。 s l 费g l e0 0 d c 纳c r 4 5 。 毒5 。 o o 广二0 p m b e rs e i o n r 霉s i 霉t 躺e 拳哦r e 图1 8电热控光纤偏振控制器的结构示意图 1 2 2 3 光纤环型 当普通单模光纤以半径r 被弯曲时，由于弹光效应会使得在两正交方向传输 的偏振光产生传播常数差： - 2 筇= o 2 5 咖刀3 。( 置一只2 ) ( 1 + 盯) 寺 1 4 ) 式中，k 为波数，n 为无应力下纤芯的折射率，p n 和p 。：为光弹系数，盯为泊松 常数，r 为光纤包层半径。相对应产生的相位延迟量为： 2 伊2 筇= 0 5 咖砌3 ( 墨l 一鼢( 1 + 盯) 夤 ( 1 5 ) 式中，n 为弯曲光纤的圈数。当r 与n 取适当的数值使相位延迟量为刀2 时， 则该段弯曲光纤在光路中起的作用与m 波片等效，当r 与n 取适当的数值使相位 延迟量为万时，则该段弯曲光纤在光路中起的作用与“2 波片等效。 1 0 第一章绪论 在环境温度发生变化时，弯曲光纤波片的相位延迟量会随着石英材料折射率 的变化而发生微小的变化，但总体来说，利用弯曲光纤制成的波片具有较好的温 度特性和波长特性。环境温度每变化l ，弯曲光纤批波片产生的相位差变化 0 0 0 3 5 度，弯曲光纤波片产生的相位差变化0 0 0 7 度；输入光波长每变化1 r u n ， 弯曲光纤m 波片产生的相位差变化0 0 5 8 度，弯曲光纤尬波片产生的相位差变化 0 1 1 6 度。利用弯曲光纤的原理制成的波片结构简单、使用方便、成本低，但器 件体积较大、对波长敏感。 目前常用的光纤圈型偏振控制器，就是一种基于光纤弹光效应的偏振控制 器，如图1 9 所示。它由三个延迟固定、方位角可变的波片组成，一个v 2 波片 ( h w p ) 处于两个m 波片( q w p ) 中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片 自由转动。使用时转动这些波片的角度来控制光纤中的双折射状态，实现对输出 光偏振态的调节。它利用三个光纤线圈替代了传统偏振控制器中的三个自由空间 波片，使得其整体的插入损耗变小，成本变低。但这种偏振控制器的缺点有：对 波长敏感；由于光纤弯曲半径不能过小，否则损耗太大且易断裂，因而这种器件 的体积较大：由于光纤环的转动只能靠机械方式，因此其响应速度较慢，不能用 于实时快速的偏振态控制；由于每个光纤环都有最大转动角度限制，因而不能对 输入变化的偏振态实现持续控制，仅适用于两个非时变偏振态间的转换。 图1 9 光纤圈型偏振控制器 1 2 2 4 光子晶体光纤型 光子晶体光纤又称为微结构光纤或多孔光纤，其结构如图1 1 0 所示。这种光 纤通常是由单一介质构成的，其构成微结构包层的空气孔在二维方向上紧密排列 ( 通常为周期性六角形) 而在第三维方向( 光纤的轴向) 基本保持不变，其纤芯 可以是实芯材料或空气。通过破坏光子晶体光纤横截面的旋转对称性( 如：在包 第一章绪论 层中引入大小不一的空气孔或者改变包层空气孔的形状和排列) 可以导致光纤横 截面几何形状的各向异性，进而产生材料介电常数和磁导率的各向异性，最终引 起折射率的各向异性，形成双折射h 1 。这样就很容易制成比普通保偏光纤的双 折射至少高出一个数量级的高双折射光子晶体光纤。类似于前面所述的熊猫型保 偏光纤，我们只要取合适长度的光子晶体光纤就可以制作所需的光纤波片。相比 于熊猫型保偏光纤波片，光子晶体光纤波片的相位延迟量受温度变化的影响要 小。因此，使用光子晶体光纤制作的波片将具有更好的温度稳定性n 1 。其比传统 的熊猫型保偏光纤波片的温度稳定性提高了近2 0 倍，但它们的波长稳定性几乎相 当7 1 。另外，光子晶体光纤波片长度的增加同样也会减小其在满足一定相差条件 下的带宽。 图1 1 0 光子晶体光纤结构图 1 2 2 5p p t 光纤波片型 p p t ( p r a c t i c a lp o l a r i z a t i o nt r a n s f o r m e r ) 光纤波片是黄宏嘉院士提出 的采用旋转双折射光纤的方法制作的一种宽带光纤波片。m 波片实际上是一段 旋扭的线双折射光纤，光纤的一端为不旋扭端，另一端为快旋扭端，光纤沿其长 度方向由不旋扭端逐渐变成快旋扭端，如图1 1 1 所示。采用不同的旋扭结构，可 以制做全波片、半波片和m 波片等。该光纤波片可以实现各种偏振变换，具有 宽频带特性( 几乎单模工作带宽) 、温度稳定特性和可在线应用等优点9 1 。与 普通的保偏光纤波片相比，我们可以通过改变p p t 光纤波片的扭转率和长度来改 善其温度特性和波长特性“。但这种光纤波片制作工艺比较复杂。 1 2 第一章绪论 阳i 棚 舶 图1 1 1p p t 光纤波片的机理示意图 e 1 i 1 h f 邑必 v i e 斜 v 甜曲l y t 研话稚 i 嶝一if l b t t r 辅j 乩- r a 怔 _ f i o d 衲灯 1 2 2 6 扭转光纤法 与以上产生线双折射来改变光偏振态的方法不同的是，该方法产生圆双折射 来改变光偏振态。当光纤沿轴扭转时，由于剪应力的作用，会在光纤中引起圆双 折射( 左右旋圆偏振光在光纤中传播速度不同而引起的双折射现象) ，该圆双折 射的值为： 尾= 2 石g ( 1 6 ) 式中，g = o 1 6 ，n 为扭转率，即每米光纤所扭转的圈数。线偏振光经过长度 为l 的扭转光纤后方位角旋转的角度为秒= 且三2 。这样我们就可以利用对普通光 纤的机械扭转来产生圆双折射，通过扭转率的改变来实现对偏振光方位角的调 节。实际使用时可以将普通光纤的一端固定，另一端为旋钮端，通过对旋钮端进 行机械调节就可以达到控制偏振光方位角的目的。此法应用起来较为方便，且能 使线偏振光保持较高的消光比进行传输，但由于旋转光纤时会带动前端的输入光 纤或后端的输出光纤一起旋转，可能对系统造成不良的影响。 1 2 2 7 法拉第效应法 根据法拉第效应，当偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加 一强磁场，则由于产生了圆双折射，输出偏振光的方位角将发生偏转，偏转角度 秒与磁感应强度b 和光穿越介质的长度d 的乘积成正比，即： 9 = 阳d( 1 7 ) 第一章绪论 式中，比例系数v 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。将通电导 线高密度地环绕在光纤上，根据安培环路定律，通电导线产生的磁场平行于光的 传播方向，且磁感应强度与流过导线的电流大小和导线环绕的圈数成正比。这样 我们就能通过调节流过导线的电流大小来改变磁感应强度b ，进而达到改变偏振 光方位角的目的。这种方法的插入损耗小，成本低，但由于普通光纤的维尔德常 数很小，故为了得到高的灵敏度就必须要环绕很多圈的导电线圈，导致器件的体 积增大。 1 3 本文的主要工作和创新点 目前，长距离、大容量、高速率的光纤通信系统发展迅速，然而当光纤通信 系统中光的传输速率超过1 0 g b s 时候，偏振相关损害开始凸现，将使系统性能 发生恶化，严重影响通信的质量。偏振控制器( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，简 称p c ) 就是在光纤通信系统中能够克服偏振相关损害的器件。它能够快速跟踪 偏振态的变化，将任意偏振态转换为期望偏振态，能够大幅度提高通信系统的性 能，因此它在光纤通信中的许多领域都得到了应用。此外，由于具有灵敏度高、 精确性好、适应性强、结构小巧等独特的优点，光纤传感器在这些年发展迅速， 而偏振态控制问题也是决定光纤传感器性能好坏的一个关键因素。所以，对偏振 态控制器件的研究是十分有意义的。 本文的主要工作是提出了两种新型的偏振控制器件。一个是利用抗弯曲损耗 光纤制作的新型小型化的全光纤波片，另一个是基于法拉第效应的偏振态控制 器。 本文的第一章说明了对偏振控制器件进行研究的意义及其研究背景，并对现 有的偏振控制器件进行了调研，对它们的优缺点分别进行了比较。第二章对与光 的偏振有关的理论知识作了简要介绍。首先介绍了偏振光的基本概念，然后列举 了四种偏振态的描述方法( 三角函数描述法、琼斯矢量描述法、斯托克斯矢量描 述法、邦加球描述法) ，阐述了偏振器件的两种矩阵表示方法( 琼斯矩阵表示法、 穆勒矩阵表示法) ，最后对偏振光在光纤中的传输情况进行了分析。第三章对利 用抗弯曲损耗光纤制作的光纤波片的弯曲损耗特性、温度特性、波长特性进行了 理论分析，并与利用普通单模光纤制作的光纤波片的相关特性进行了对比。同时， 1 4 第一章绪论 通过实验对其进行了验证。第四章对基于法拉第效应的偏振态控制器进行了理论 研究和实验测量。第五章提出了采用抗弯曲损耗光纤波片制作的偏振态可调光 源。第六章是对本文的总结和对未来工作的展望。 本文的创新点有： 1 、采用抗弯曲损耗光纤弯曲损耗小的特性制成了小型化的光纤波片。并对 这种光纤波片的弯曲损耗特性、温度特性和波长特性进行了理论分析、仿真与实 验。理论和实验研究表明，利用抗弯曲损耗光纤制成的光纤波片比利用普通单模 光纤制成的光纤波片有着更小的尺寸，更好的温度特性和波长特性； 2 、研究分析了一种基于法拉第效应的新的偏振态控制器，并进行了相关的 实验验证； 3 、研究分析了一种新的光纤偏振光偏振态变换和控制方法，并应用本文研 究的光纤波片，实现了输出偏振光的偏振态可任意调节的激光光源。 第二章偏振光在光纤中传输的基本理论 第二章偏振光在光纤中传输的基本理论 2 1 偏振光的基本概念 1 8 0 8 年l u s 偶然发现了光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后， a j f r e s n e l 和d a r a g o 对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究，通过大量实 验得出了均匀介质中的光场只有横向分量而无纵向分量的结论。1 8 6 5 年m a x w e l l 总结了前人在电磁学方面的研究成果后，建立了经典电磁理论，明确指出光是一 种横波，具有矢量性。对横波来说，通过波的传播方向且包含振动矢量的那个平 面显然和不包含振动矢量的任何平面有区别，这说明波的振动方向对传播方向没 有对称性。光振动方向相对于光传播方向不对称性的性质就是光波的偏振特性， 偏振是用一个场矢量来描述空间某一个固定点所观测到的矢量波随时间变化的 特性。波的偏振特性是横波区别于纵波最明显的标志。实验证明，对人眼、照相 底片以及光电探测器起作用的是电磁波中的电矢量e ，因此通常把电矢量e 称为 光矢量，把e 的振动方向称为光的振动方向，在讨论光振动的性质时，只需要考 虑电矢量e 即可n 。 根据在垂直于光传播方向的平面内，电矢量e 振动方向相对于光传播方向是 否具有对称性，可以将光分为偏振光与非偏振光( 自然光) 。具有不对称性的偏振 光又可以划分为完全偏振光( 包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光) 和部分偏振 光。 2 。1 。1 完全偏振光 在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振 光，由于光矢量端点的轨迹为一直线，