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保偏光纤耦合器的研究 中文摘要 目前光纤通信已经发展到了空前的规模，信息传输的速率在过去 的十几年中已经增加了上千倍。要想进一步提高传送速率，必须采用 光的复用技术，例如光的时分复用( o t d m ) ，波分复用( w d m ) 和频分 复用( f d m ) 。要真正利用光纤巨大的带宽潜力，必须建立一个具有巨 大信息传输速率( t b i t 级别) 的光纤网络。全光网无疑具有强大的 数据传输能力，也是光通信技术今后发展的目标。要实现全光网，必 须发展的主要技术有：波分复用( w d m ) 技术、波长交换器、宽带可 调滤波器、宽带1 n 分合路器、o a d m 、光放大器、可调激光器或者 l d 光源阵列以及多路光接收机阵列等等。在所有这些关键器件技术 中，几乎都要用到光耦合器技术。因此研制高性能的光纤耦合器，特 别是应用与光纤相干通信系统和光纤传感技术中的保偏光纤耦合器， 具有特别重要的意义。本文从理论以及实验两方面对保偏光纤耦合器 的相关理论以及研制进行了探索。 探讨了光在光纤中传播时的模式耦合问题。从相关理论推导出了 影响光纤中模式耦合现象的两个主要原因，由此提出了光在光纤中传 播时，如何保持其偏振态的问题。然后，分析了光功率在光纤耦合器 的直通臂和耦合臂中发生耦合的理论机制，从理论上解决了保偏光纤 耦合器中，光功率的耦合以及偏振态的保持问题。 研究了光纤耦合器的制作技术，主要研究熔融拉锥法。针对保偏 光纤耦合器制作中所独有的技术，即偏振轴的对中技术和消光比的概 念及其测量，进行了详细的讨论。提出了消光比测试的几种方法，并 且比较了各种测试法所得到的精度。讨论并且比较了几种对中技术的 优劣，由此给出实验中采用“横向双折射率观察法”理由。 最后，对保偏光纤制作过程中，影响其性能参数的主要因素进行 了讨论，由此提出了若干可以改进的地方。 关键字：保偏光纤，耦合器，偏振轴对中技术，熔融拉锥 r e s e a r c h0 np o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g0 p t i c a l f i b e rc o u p l e r a bs t r a c t n o w a d a y s ，t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p st ot h es c a l ei t h a s n e v e rb e e n ；t h eb a n do ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t sh a sb e e n i m p r o v e ds e v e r a l t h o u s a n d st i m e s d u r i n g t h e p a s t t e n y e a r s t h e m u l t i p l e xt e c h n o l o g yh a s t ob ee m p l o y e di ff u r t h e ra d v a n c ei nt h e t r a n s f e rr a t ew a st oa c h i e v e d ，s u c ht e c h n o l o g i e sa r eo t d m 、w d m 、f d m a l lf i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e tw i t hh u g ea b i l i t yt ot r a n s f e rt h ed a t a w h i c hi so n eo ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa m b i t i o n si st ob es e tu pt o m a k eg o o du s eo ft h ew i d eb a n do ft h eo p t i c a lf i b e r t oc a r r yo u tt h e p u r p o s e ，s u c ht e c h n i q u e i st ob e d e v e l o p e d ：w d m ，w a v e l e n g t h t r a n s f e r e n c e ，w i d e b a n dt u n a b l e f i l t e r , w i d e b a n d w a v e l e n g t h m u x ( d e m u x ) ，o a d m ，o p t i c a la m p l i f i e r , t u n a b l el a s e ro rl a s e rd i o d ea r r a y , o p t i c a lr e c e i v e ra r r a ya n ds oo n i na l m o s ta l lt h e s et e c h n o l o g i e s ，t h e l i g h tc o u p l i n gt e c h n o l o g ya r eu s e d ，s oi ti so fg r e a ti m p o r t a n c et op r o d u c e o p t i c a l f i b e r c o u p l e r s w i t hh i g h q u a l i t y , e s p e c i a l l yt h ep o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gc o u p l e r s t h et h e s i sd i s c u s s e st h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g c o u p l e rb o t hi nt h e o r ya n db ye x p e r i m e n t c o u p l i n go ft h el i g h tt r a n s m i t t e di nt h eo p t i c a lf i b e ri sd i s c u s s e di n t h et h e s i s ，t h u st h et w of a c t o rf o rt h em o d ec o u p l i n gi sp u tf o r w a r d ，t h e n w a y st om a i n t a i nt h ep o l a r i z a t i o nm o d eo ft h el i g h tt r a n s m i t t e d i nt h e o p t i c a lf i b e ri sg i v e nb a s e do ns u c ha n a l y s i s t h et h e o r yo f t h eo p t i c a l f i b e rc o u p l e ri sa l s od i s c u s s e d t h a ti st os a y , w es o l v e dt h et h e o r yf o r t h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gc o u p l e r t h e nw eg oi nf u r t h e rt of o c u so nt h et e c h n o l o g i e st op r o d u c et h e p mc o u p l e r , w h i c ha r et h eb i r e f r i n g e n c ea x i sa l i g n m e n ta n dt h et e s to f t h ee x t i n c tr a t i o s e v e r a lm e t h o d st om e a s u r et h ee x t i n c tr a t i oa r e d i s c u s s e d ，a n dt h ea c c u r a c yo fe a c hm e t h o da r ec o m p a r e d 。a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tw a y st oa l i g nt h eb i r e f r i n g e n c e a x i sa r ea l s os h o wi nd e t a i l s ，a n dt h er e a s o nt ot a k et h em e t h o d “d e t e c t t h eb i r e f r i n g e n c ef r o ms i d eo ft h ef i b e r t oa l i g nt h ea x i so ft h e r ) l a r i z a t i o n 。 f i b e r 。 a st h ec o n c l u s i o n。一e )arepolarizationm a i n t a l n m gt m e r1 sg i v e n ec o n c l uo no i t n ec o m p a r e a tt h el a s t p a r t o ft h et h e s i s ，t h ef a c t o r sw h i c he f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gc o u p l e ri sd i s c u s s e d ，a n d s o m ep o s s i b l ew a yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec o u p l e ri sa l s og i v e nf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r , c o u p l e r , b i r e f r i n g e n c ea x i s a l i g n m e n t ，f u s i o ne l o n g a t i o n 上海交通大学上海父遗大字 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黪 日期：拐年) ，月i 垆日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密囱，在1 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：腹 日期：凇易年7 月l 牛目 孝 伸 彩硼 名 手 签 哆 刻 易 导 期 剖 巨 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 1 1 光纤通信的发展 第一章概述 光波实际上是频率极高的电磁波，其频率达到3 x1 0 1 4 h z 以上。用光作为载 波进行通信，可以得到高容量的通信系统，因此，人们一直在探索光通信的可能 性。从光通信迅猛发展的这短短几十年来看，光器件的研制所取得的进展，一直 有力的推动着光通信的发展。 1 9 6 6 年，英籍华人高锟( c k k a o ) 和h o c k h a m 预见到利用玻璃可以制成 衰减伟2 0 d b k m 的通信光导纤维( 简称光纤) ，首先提出了光通信的概念。但是 当时世界上最优良的光纤的衰减为1 0 0 0 d b k m 。因此当时他们的预言并没有引起 什么重视。只有少数一些有远见的科学家，例如美国贝尔实验室主席l a nr o s s 和英国电信研究所的领导人，对光纤通信十分感兴趣并重视，与美国的康宁 ( c o r n i n g ) 玻璃公司合作研制通信光纤。1 9 7 0 年c o r n i n g 公司的m a u r e r 等首 先研制出衰减值在2 0 d b k m 的光纤，取得了突破性的进展。之后，世界上各国纷 纷开始研究利用光纤进行通信。1 9 7 4 年，光纤衰减降低到2 d b k m ，到了1 9 8 0 年，光纤的衰减更是降低到了0 2d b k m ，基本上已经是理论上的极限值了。这 样，长距离的光纤通信也成为可能。同时，由于硅材料提纯工艺的不断进步，光 纤的传输窗口从0 8 5um 的短窗口移到了1 3um 和l 。5pm 的长波长红外光的低 衰减窗口。以后又采用了在光纤套管中注入油膏的方法使得光纤与外界的水气隔 绝，从而保证了光纤性能的长时间的稳定。由于光纤制造方面取得的长足进步， 从此比较完善的光纤系统就广泛的应用与各项实际工程中。 在1 9 7 6 年以后，各种实用的光纤通信系统陆续出现。比如当时美国人在亚 特兰大安装了用于商用的光纤系统，其传输码率为4 4 m b i t s ，传输距离为l o k m 。 很快横跨大西洋，太平洋的海底光缆系统也投入使用。之后不久，第一个采用光 放大器的跨越太平洋的光纤系统，将日本、关岛、夏威夷和美国本土相连，整个 系统有4 对传输速率为5 g b i t s ，可以同时传输1 0 0 多万路电话、数据、传真以 及话音，该系统的总投资为l l 亿美元。目前世界上光纤通信已经得到广泛的应 用，全世界总共铺设的光缆已经可以完全围绕整个地球。 光纤通信的技术已经发展到了空前的规模，信息传输的速率在过去的十几年 中已经增加了上千倍。目前的通信系统在实验室的条件下已经可以达到 2 0 g b i t s 的传输速率，这已经接近硅和镓砷技术的极限，没有更多的潜力可以 挖掘。要想进一步提高传送速率，必须采用光的复用技术，例如光的时分复用 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 ( o t d m ) ，波分复用( w d m ) 和频分复用( f d m ) 。但是在很长的一段时间里面，商 用的光纤通信系统都是采用单波长工作的时分复用。这种方式其实只是利用了光 纤2 0 0 n m 低损耗区的0 0 l ，绝大部分的光纤带宽资源还没有得到充分的利用。 其主要原因是传统的波分复用的插入损耗太大，有不能节省线路的再生放大器， 经济上无法与时分复用方式的系统竞争，因而发展不快。但是随着新的器件技术 的进步，掺饵光纤放大器，光纤拉曼放大器等新型光放大器技术的逐渐成熟，并 且得到广泛的应用，线路的损耗问题不再是限制光通信发展的瓶颈。这些新技术 的发展使得长距离无中继的传输成为现实，另外，它们也克服了传统多波长技术 的弱点，因此真正充分利用光纤的带宽，开发光纤通信的潜力的时代已经到来， 光通信技术目前处于一个崭新的发展阶段。 要真正利用光纤巨大的带宽潜力，必须建立一个具有巨大信息传输速率 ( t b i t 级别) 和带宽信息交联交换节点的光纤网络。1 9 9 3 年以来已经先后有美 国的a t & t ，b o s t o n 数据设备公司和m i t 林肯实验室联合计划，加拿大北方b e l l 公司计划以及欧洲的r a c e 计划等有关全光网的计划投入实施。全光网的主要技 术有：w d m 技术、波长静态路由器技术、波长信道开关、空间光开关、波长交换 器、带宽可调滤波器、宽带l n 分合路器、o a d m 、光放大器、可调激光器或者 l d 光源阵列以及多路光接收机阵列等等。所有这些关键器件技术中，几乎都要 用到光耦合器技术。因此研制高性能的光纤耦合器具有特别重要的意义。而本文 要研究的保偏光纤耦合器正是光纤耦合器技术中技术含量最高的一种光无源器 件。 2 保偏光纤耦合器的应用 在采用相干光调制解调技术的高级光纤通信系统 1 和干涉型光纤传感器等 许多应用场合，都需要采用能够保持偏振态稳定、附加损耗低而且偏振串扰小的 保偏光纤耦合器。 1 2 1 保偏光纤耦合器在相干光纤通信系统中的应用 同传统的电调制解调技术的通信系统相对应，对于光通信系统来说，也有采 用非相干调制解调技术( 分为强度调制i m 和直接调制( d d ) ) 和采用精确的调制 解调技术( 分为幅度键移( a s k ) 、相位键移( p s k ) 、差分相位键移( d p s k ) 、频 率键移( f s k ) 和连续相位频率键移( c p f s k ) ) 的相干光通信系统。采用相干光 通信的系统，其系统结构图示意图如下所示： 2 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 相干接收机 图1 1 采用零差探测的相干光通信系统 f i 9 1 1c o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hh o m o d y n ed e t e c t i o n 如上图所示的是相干光通信系统中，接收机采用零差探测的系统结构框图， 该结构可以分为三部分：发射机、传输信道( 通常为单模光纤，如图中所示) 和 相干接收机。在接收机中又可以分为两组：一组是信号探测器( 下分支) ；另外 一组是相位控制电路( 上分支，也称为锁相环) 。锁相环的任务就是从接收机输 入端受到噪声干扰的接受信号中再生频率和相位，以便实现光同步探测。在零差 系统中，受调制的光信号通过使用耦合器，本地激光器以及一个或者两个光电二 极管被直接转化为电基带信号，而这种转变并不改变频率和相位。这样，电基带 信号实际上是原始入射光信号经过频率解调后得到的信号 2 。 假设上述系统采用的是a s k 零差接收机，那么在信号接收机分支中，光电二 极管的电流i 阳( t ) 可以表示为： l p d ( f ) = f p d s ( t ) e 删 = k 参m r 了t - r t ) ( 1 - - 1 ) 其中= o ，1 ) 代表所传输的二进制信息，? l p d 是光电二极管电流幅度，并由 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 下式给出： _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一- 。_ - _ - 一 稀= 2 k , , d k ( 1 一x ) r o , c ( 1 - 2 ) 这里k 。是常数，对于采用平衡接收机的系统为2 ，单管接受机为1 ，k 是光 耦合器的分光。在这里，所关注的是干扰光电二极管的相位噪声，其表达式为： o ( t ) = 【，( f ) 一l ( f ) 卜儿l ( f ) ( 1 3 ) ，( ，) 是发射机的相位噪声，) 本地激光器的相位噪声。另外，( f ) 中 也包含了本地激光器相位的无噪声部分眦( f ) ，该部分相位由o p l l 电路控制。 在并不能于实际中实现的理想情况下，控制相位p u ( t ) 和相位噪声心) 一中。( ，) 是相等的。因此，此时的残余相位噪声，( ，) ( 也称作驻相噪声) 将变为零。但 是，在实际情况中，残余相位噪声，( ，) 0 是不可避免的。采用锁相环技术可以 使得，( ，) 尽量小，这样，光电二极管的电流值受到相位噪声的影响会降低，只 有在这种情况下，相干光通信系统才会体现出其的优越性。 通过对于相干光通信系统接收机部分的分析，可以看到，在相干光通信中， 相位噪声对于系统性能的影响是巨大的。如果不能对相位进行精确的控制，那么 相干光通信系统所传输的信号将完全淹没在相位噪声中。为了保证上述相位控制 能够实现，框图结构中所用的光耦合器必须是保偏光纤耦合器，这样，锁相环才 会精确的跟踪噪声相位。如果使用普通的光纤耦合器，那么即使在耦合器两个输 入端信号的频率和相位是匹配的，但是由于普通光纤耦合器并不能保证光在传输 过程中的偏振态不改变，这时传输的两路光很容易受到一些细微扰动的影响而改 变其传输的相位，这样，相干光通信也就无从谈起。由此可见，在相干光通信系 统中必须用到保偏光纤耦合器。 在于传统的采用电调制解调技术的通信系统中，直接的强度调制其性能远远 比不上采用相干调制解调技术的通信系统，而这一规律在光通信系统的范围中也 同样适合。目前广泛使用的光纤通信系统都采用光强度调制、直接检测来实现的； 但光载波在光频范围内，频率远远大于信号频宽，这意味着光载波频段远未充分 利用。相干光通信系统具有选择性好灵敏度高的特点，利用这个特点可以便光纤 在1 5 3 - 1 6 0n m 内可容纳几千信道可传输数t b s 的信息。相干光通信接收 机灵敏度实际可比直接检测高1 8 d b 。在码率为2 g b s 时，可无中继传输2 0 0k m 。 相干光接收机如同超外差收音机那样，稍微改变本地激光器的光频，就可改变所 选择的信道，选择性远远好与非相干光通信系统。但是实际中，由于相干光通信 系统的接收机成本远远高于非相干光通信系统的接收机，以及目前的光通信系统 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 的带宽已经能够满足当前的需要等因素，所以，目前采用直接检测接收机的非相 干光通信系统得到了更多的应用，而相干光通信系统则应用于长距离、点对点的 自由空间光通信系统中。但是，相干光通信系统具有非相干光通信系统所无法比 拟的优势和巨大的通信带宽潜力，是光通信将来发展的趋势。正如前面提到的， 相干光通信网的发展和实现，很大程度上依赖于光器件的发展以及集成光学的发 展。由此可见，作为相干光通信系统中的关键器件，制作高性能的保偏光纤耦合 器就具有重要的意义。而且有理由相信，在不久的将来，保偏光纤耦合器的应用 在相干光通信系统推广而变得越来越广泛。 1 2 2 保偏光纤耦合器在传感技术中的应用 自二十世纪7 0 年代，国外就开始研究采用光纤技术的光子传感方案，产生 了各种传感原理、传感器专用器件以及全新的应用领域。其中许多光纤传感器已 经在实际领域中得到应用 3 。 ( 1 ) 光纤陀螺的发展 与其它传感器相比，光纤传感器具有独特的功能，比如光纤陀螺( 简称f o g ) 产生了多种新的应用领域，如应用于汽车导航、天线和摄像机的稳定器、无线电 控制飞行器、无人驾驶跟踪导航等等。光纤陀螺能在这些新的领域得到广泛应用 是因为：与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有独特的特点，例如：温升时间短、 维修少、成本低。光纤陀螺也在传统的应用领域得到广泛使用，如：飞机导航、 火箭发射和舰船导航；全部的波音7 7 7 导航系统都有光纤陀螺。自从1 9 9 1 年开 始，日本采用光纤陀螺作为导航定向系统的核心元件，发射载有科研任务的多种 火箭。 在各种类型的光纤传感器中，光纤陀螺最成熟，它能相对惯性系提供转动探 测功能。光纤陀螺的概念是1 9 7 6 年美国犹他州立大学v a li 和s h o r t b i11 提出来 的。光纤陀螺的概念一经提出，由于其突出的优点、诱人的前景，引起美国、英 国、法国、德国、日本等国家的大学和科研机构的极大兴趣纷纷投入人力物力 进行研制开发，2 0 多年来的研究，不断揭示着光纤陀螺原理；不断改进其技术 方案；不断提高器件和光纤工艺水平；不断识别和消除光纤陀螺各种误差源，提 高其精度。 ( 2 ) 光纤陀螺的工作原理 这种光纤陀螺的原理称为“萨格纳克( s a g n a c ) 效应 ，即两列光波在同一闭 环光路中以相反方向传播，相对于惯性系，两列光波的运行时间差与光路的转动 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 速率成正比。但是s a g n a c 效应的灵敏度( 与光路围成的面积成正比) 非常低。为 了克服这一缺点，将很长的低损耗光纤绕成的环圈用于光学系统中，以增加光路 围成的面积。以致于用l k m 长的光纤时，对于飞机导航要求精度为0 。o l 。小 时说，由此引起的相差仅为lut a d 。所以，光纤陀螺的研制和应用需要极大地 降低现有光学系统的噪声。 图! 一2 光纤陀螺的工作原理 f i g l 一2p r i n c i p l eo f t h eo p t i c a lf i b e rg y r o s c o p e 如图1 所示 4 ，光源发出的光经保偏光纤耦合器# l 和起偏振器后，在保偏 光纤耦合器# 2 分成相等的两路，分别以顺时针方向( c w ) 和逆时针方向( c c w ) 同 时从光纤线圈两端迸入线圈，在其中相向传播。经过线圈后，又在保偏光纤耦合 器# 2 中会合：会合的光再传播到保偏光纤耦合器# 1 并耦合到光检测器中，转 换成电信号，然后经同步调解器检出有用信号作为系统输出。 在线圈不转动的情况下，c w 、c c w 相向传播的光经过相同的光程( 即线圈中光 纤总长度) ，在耦合器# 2 会合的光是相同的，没有相位差。因此同相位的光叠 加得到最大的光强。当光纤线圈转动时即有输入角速度q 时，在光沿光纤线圈 传播的时间内，线圈已转过一个角度。这相当于一个方向的光必须多走过一个附 加光程，当然反方向的光则少经历一个相等的跗加光程，因恧产生了光程差，从 而使到达保偏光纤耦合器# 2 的两束相向光产生一个相位差，这种相位差称为 s a g n a c 相位差，下面列出它们之间的关系式： 设输入角速度为q ( 弧度秒) ，线圈半经为r ，线圈共有n 匝，光速为c 则 ，一n r 光走完整个线圈的时间为：t = , , 7 , - r t 2 。光纤线圈转动时，设t 时间内光纤线圈 o 1 一d f 端转动过的距离为s ，则s = r q t 将t 代入，得到s = r q 掣。两束光相 。 向而行，当线圈有转动时，光程差应为2 s ，所以s a g n a c 相位差为： 口= 【8 n ( 7 r r ) 2 ( a c ) 】q = k f 2 ( 1 - 4 ) 一般情况下k 为常数，所以a 8 与q 为线性关系，只要测出a 8 就知道q 值。 6 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 但是实际情况比这里的假设复杂一些。由于s a g n a c 相位差的存在导致光的干涉， 从而产生的光强度的变化，进而引起输出信号的变化，所以a 8 与q 不是线性关 系，而是余弦关系，如下图所示： 图1 - - 3a 8 和q 的关系 f i g l - 3r e l a t i o n s h i po f 1 9a n d q ( 3 ) 光纤陀螺的优点 光纤陀螺作为一种新兴传感器件，具有许多深受欢迎的特点： 没有高速旋转机件，也就没有启动惯性，不需预热，所以不需启动时间， 开机即可工作； 信号稳定可靠，可以说不需要维修，寿命很长； 工艺结构简单，体积小； 可抗拒恶劣工作环境、坚固、抗震、耐冲击、耐大过载； 检测灵敏度和分辨串极高( 可达1 0 呵t a d s ) ； 动态范围大( 可达2 0 0 0 。s ) ； 与激光陀螺相比，无产生伪零输出的低旋转速率锁定现象( 闭锁) ： 能耗低； 成本低： 可以直接数字输出，与计算机接口联网。 由上面的讨论可以看出，光纤传感器具有许多传统传感器所无法比拟的优 点，其中特别是光纤陀螺传感器，作为一种精密的定向仪器，在高端的军事技术 应用：如导弹的制导、火箭发射的定向制导系统中和民用技术方面：如民航飞机 的导航定向系统中，都得到了广泛的应用。作为光纤陀螺传感器中的关键器件， 保偏光纤耦合器的重要性也逐步提高，它的应用也将变得更加广泛。 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 1 3 关于保偏光纤耦合器研制技术的概况 美国、日本和加拿大等国早就开展了保偏光纤耦合器的研究工作，产品已进 入实用化阶段，代表了当前国际水平。附加损耗在0 3 - - - 0 5 d b 之间，消光比在 2 0 2 5 d b 之间，耦合比典型值为5 0 5 0 + 5 ，但价格仍较昂贵。这表明保偏耦合 器在国外仍处于实用化初期阶段，耦合器的生产仍具有一定的难度。 在我国能自行研制保偏光纤耦合起之前，国外曾一度对我国进行相关技术的 封锁。国内对保偏耦合器做过研究的单位不多，北航、北玻所、成都电子科技大 学等单位先后都开展了对保偏耦合器的研究工作，亦有产品问世，特别是电子工 业部第2 3 研究所已经进行了数年的研究工作。其中g f p 0 1 型2 2 保偏耦合器 已于1 9 9 5 年通过了设计定型鉴定，填补了国内军用保偏耦合器的空白，消光比 实际可达2 2 - 一2 5 d b ，最好的可达3 0 d b 以上，已达到当前国际水平，耦合比典型 值为5 0 5 0 5 ，同国外相当，附加损耗为0 5 d b 左右，略差于国外。主要原因 是用于生产保偏耦合器的匹配型保偏光纤刚研制成功，性能有待进一步提高，研 制匹配型保偏光纤的主要目的是为了降低保偏光纤耦合器的附加损耗 5 。 目前国内十分重视保偏耦合器的研究工作，尤其光纤陀螺等惯性系统，对实 用化的保偏光纤耦合器的呼声很高，国家也加大了投资力度，从而加速了保偏光 纤系统及保偏光纤耦合器的实用化进程。而国内保偏光纤耦合器方面的文献和资 料较少、这方面理论的研究也鲜见于国内的期刊杂志，所以本文从理论以及工艺 上对保偏光纤耦合器的制作进行仔细的探讨，并试制了保偏光纤耦合器。这部分 工作对于保偏光纤耦合器的研究和今后的生产，都有参考借鉴的意义。 上海交通大学硕1 学位论文保偏光纤耦含器的研究 1 4 论文的研究方向和章节安排 在概述中，对光通信的发展历史作了一些回顾，提出了光通信的发展与光器 件的研制之间存在的联系。然后，对目前保偏光纤耦合器的应用场合，以及目前 国内外研制保偏光纤耦合器所达到的水平，由此说明了研制保偏光纤耦合器的重 要意义。在内容上，首先从保偏光纤耦合器的相关理论公式推导开始，说明保偏 光纤耦合器工作的理论原理，然后以此为依据，讨论目前保偏光纤耦合器研制的 主要技术。并通过分析，对采用熔融拉锥的方法制作保偏光纤耦合器进行了较详 细的研究，并对结果进行小结。 本文的章节安排如下： 第二章主要解决理论方面的问题。首先从光纤中的模式耦合理论分析出发， 说明光在光纤中传播，为什么可以做到保持其偏振态不变；然后利用横向场耦合 理论以及微扰动理论来说明光功率在光纤耦合器中耦合的原因。从而解释了保偏 光纤耦合器的工作原理。 第三章主要讨论制造普通单模光纤耦合器的关键技术。由于采用熔融拉锥法 制作保偏光纤耦合器的技术，很大一部分与单模光纤耦合器的熔融拉锥技术相类 似，所以首先探讨这一部分内容。对于光器件来说，封装技术的重要性丝毫不在 其制作技术之下，所以，第三章中也结合有限作者的实际经验，讨论了单模光纤 耦合器的封装技术。 第四章讨论了保偏光纤耦合器的制造技术。主要讨论了其中的偏振轴对中技 术以及具体熔融拉锥的技术两项在制作保偏光纤耦合器过程中的关键技术。并提 到了保偏光纤耦合器消光比性能的测量。 最后是全文总结，提出了试制试验中存在的不足之处以及可以改进的地方。 上海交通入学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 第二章光纤中的模式耦合理论和光波导中的弱耦合理论 前文已对光通信的发展、保偏光纤耦合器的应用范围和目前保偏光纤耦合器 的研究制作水平做了一个概述，阐述了对保偏光纤耦合器进行研究的意义。本章 着重阐述保偏光纤耦合器理论方面的一些公式和结论，尝试从理论上说明保偏光 纤耦合器的制作原理。国内虽然有不少研究单位对保偏光纤耦合器试制方面做了 许多尝试，但是理论方面的文章很少( 据作者所知) 。故本章的推导对于从理论 方面分析保偏光纤耦合器的工作原理，从而制导保偏光纤耦合器的实际生产制作 是一种积极的尝试。 2 1 单模光纤中模式耦合理论 2 1 1 单模光纤中的模式简并和本征模 制作保偏光纤耦合器，必须使用保偏光纤。保偏光纤相对于其他普通单模光 纤的最大特点就是，当沿着它的两个偏振轴之一输入线偏振光时，光的偏振态可 以保持恒定不变的传输。下面对于保偏光纤的这一个特性，做一些理论上的分析， 说明其保偏的原理。 在理想的单模光纤回路中，往往存在着两个正交、独立的简并模( 也就是正 交偏振) 。由于这两个模式都具由相同的传播常数或者相同的传播速度来定义， 所以这些模式发生简并。通常，光纤中的电场往往是由这样两个本征偏振或者本 征模式的线性叠加。由于本征模式是独立的，所以它们的传播互相不干扰。但是， 实际情况中，在单模光纤中传播的光，往往可以观察到多种不对称性。例如光纤 芯不圆或者承受不对称的侧压力等。从而两个正交偏振的模式不再简并，它们以 不同的速度，而不是相同的速度在光纤中传播。因此，这时的两个正交偏振模式 实际上变成了不同的模，叫做本征模 6 。 除了非圆纤芯和不对称侧压力以外，沿着光纤还可以发现很多内在和外在的 形变。典型的附加形变有弯曲、扭转以及折射率分布的不对称。而且，当纤芯和 包层的热膨胀系数不同时，由于温度的变化也会导致内部受力的不均匀和不对 称，影响光在光纤中的传播质量。所有的这些扰动都和光纤的类型无关，都会破 坏圆形波导的几何形状，并且影响本征模的传播速度。 除了改变传播速度，前面提到的光纤的形变也会产生我们不希望看到的模式 1 0 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 耦合现象。发生了模式耦合，就会有能量的交换；其结果是两个模式互相影响 从而不再独立。那么它们就不再是本征模。因为只有互相独立的模式才可以叫做 本征模。但是，这也表明，存在模式耦合的耦合模也可以用本征模来表达，同时 还要考虑光纤扰动。这些新定义的本征模的正交偏振不同于没有考虑光纤扰动时 候的本征模偏振。偏振正交的方向叫做基准轴。如果光纤纤芯是椭圆的，那么基 准轴的方向就是光纤截面椭圆的长半轴和短半轴。 2 1 2 单模光纤中模式耦合的理论推导 本节的主要目的是描述模式耦合的成因( 主要是由于附加的光纤扰动所造成 的) 和由于模式耦合对于单模光纤中传播的光所造成的影响。由于存在模式耦合， 我们通常可以观察到光纤中两个正交偏振方向的能量交换现象。其结果就是两个 模，即正交偏振模不再相互独立。因此，耦合模不再是独立传播的本征模。 为了消除一般性并且简化计算，首先考虑某种特定的，与以不同速度独立传 播的两个本征模相对应的变形( 例如，椭圆纤芯的光纤) 。然后，假设另一种( 或 者更多的) 几何光纤扰动不改变纤芯形状的附加变形。结果是两个正交模式( 模 x 和模y ) 发生耦合，不再是独立本征模。 第一种光纤形变( 例如，上面假设的椭圆纤芯的光纤) 和附加干扰，与z 轴 的方向，也就是光纤轴向无关。下面的结论只适用于对位置无关的几何形变。这 在短距离上是可能的，所以下面的结论只适合于一小段的光纤。 模x 和模y 的线性组合得到的光纤内的光波由下列的公式说明： _ ef z n e ( z ，f ) = ( f 5 ；，。) = e ，( z ，) 瓦+ e y ( z ，f ) 弓 = 左，a ( z ) e j 2 研瓦+ 尝。b ( z ) e 7 2 卵苔，( 2 - - 1 ) 1 一 模l x - 相关的模y f i ( z , t ) _ ( 篡：；) = 坼峨堋硝厩 = 疗y a ( z ) e 7 2 舻e y 一旦! 垒! 兰! ! ! j ? 至 ( 2 2 ) 模i x 一相关的模y 公式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 分别描述了光纤内光波的电场和磁场。由于电场分量豆，( z ，f ) 上海交通人学硕j 二学位论文保偏光纤耦合器的研究 和雷，( z ，) 的方向分别为荟；和虿，所以称这些模式为模x 和模y 。 我们认为沿着z 向，即光纤轴向传播的模为平面波。模x 和模y 的电磁场矢 量正交而且位于x y 平面内( 如图2 1 ( a ) 所示) 。此外，它们都是时间t 和位 置z 的函数，但是与位置x ，y 无关。实际上，由于受到光纤尺寸的限制，而且 芯外包裹着折射率低于纤芯的外包层( 波导的基本条件) ，所以光纤内部传播的 不是平面波。但是，在模式耦合的原理讨论中，由于平面波假设引起的误差并不 重要。相反，利用平面波的长处，对模式耦合可以进行清楚的描述。 为了说明由模式耦合引起的能量交换，还必须确定公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 种 的两项a ( z ) 和b ( z ) 。这两项是综合项，它们还描述了光纤内部z 位置处的光 波的周期性。需要注意的是，a ( z ) 和b ( z ) 相互依赖而且不能任意选择。在理 想的无损耗光纤内部，光功率流s 保持恒定，也就是与位置z 无关。于是有： s 上s 上t ：。 由上式可知，a ( z ) 和查( 力描述的能量交换是位置z 的函数，而且相关： k ( z ) 1 2 + l 鱼( z ) 1 2 = 1 。因此，根据上述讨论可以知道，光纤内没有能量损耗。( 2 3 ) 式给出的光功率流s 的单位是a v m 2 。所以，从物理意义上讲，该参量描述的是 流过垂直于传播方向( z 向) 的单位面积的有效光功率。该功率可以分为两部分： 一个是模x 的功率流最( z ) ，另一个是模y 的功率流蜃。( z ) 。两个模的功率流最大 值s x ，m 默和s y ，m 馘相等。由于s x m 默和s y ，m 酞永远不会比光纤输入端( z = o 时) 光波重( o ，) 的功率流s 大，那么s 。，m 缸和s y ，m 戥相同，即s 。，m 戤= s y ，m 戤= s 。 下面，将垡( z ) 和查( z ) 作为于扰光纤的几何变形的函数，然后分析( 2 - - 1 ) 和 ( 2 - - 2 ) 的场表达式。最后，探讨公式( 2 - - 1 ) 给出的场重( z ，f ) 是否可以再次被 分解为两个相互独立的模。依照上述步骤，以 豆( z ，d = ( 爱：耋： = e ( z ，) 瓦+ e ，( 乙d 己 = 应。垡( z ) e 2 斫瓦+ 童，鱼( z ) p 2 斫瓦 ( 2 4 ) 模i u 一相关的岳v 一 力文 f 巳 鼯 成 鼯一 力 = s 跖 + 0 一 力 力一 ，l，一 f e 一一姒逛 = 位 一 卜 叫一 力 0 0 攻一“h 攀一 l | s i h = 、， ，2 力 厩 o ) x ，工 一只 日 = e 哪一2 乙扩 豆一 恒 + o l 、ril 彤 _ j 氢 a一2 r 川叫 马2 如 | 旺 上海交通大学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 和 f i ( z , t ) _ ( 麓咎龇崛一h u ( 卅邑 = 膏，c l ( z ) e j 2 斫瓦一忘b _ ( z ) e j 2 斫瓦 ( 2 5 ) 奉 模u 一相关的楼v 代替公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。新公式中，未知参数为新定义的本征模基准轴的 正交方向瓦和瓦，以及相应的传播常数b 。和b 。倘若a ( z ) 和b ( z ) 已经确 定并且替换过，那么上述的这些量都可以通过对公式( 2 1 ) 和( 2 4 ) 给出的 电场进行简单的比较而得到。 i ji h ，( 三，f ) 弓 e ，( z ，t ) s ，ji ， 、 x y z 坐标系 u v w 坐标 庞e ； 图2 - - 1 ( a ) 按正交模式分解电场向量豆( z ，f ) ( b ) 按模x 和模y 以及模u 和模v 分解电场向量e ( z ，r ) f i g2 1 ( a ) s p l i t t i n go fe l e c t r i cf i e l dv e c t o re ( z ，t ) i nm o d e xa n dya n d e i g e n m o d e ua n d v ( b ) o r t h o g o n a l i t yo fm o d e s - 几 上海交通火学硕士学位论文保偏光纤耦合器的研究 电场应。和雪，的幅值依赖于光纤输入场，它们完全由边界条件决定。由于电 场和磁场紧密相关，所以磁场或和反的幅值也可以直接由电场计算得到，其不 同通常由光纤特性所决定的常数引起【2 、7 】。 与耦合模x 和y 相类似，本征模u 和v 也是只沿着z 向传播的平面波。因此， 其电场和磁场向量也位于时间t 和位置z 确定的x y 平面内。 图2 一l 解释了电场矢量雷( z ，f ) 如何既能被分解为公式( 2 一1 ) 描述的 e ( z ，f ) t 和e y ( 乃，) 弓，又能被分解为公式( 2 4 ) 描述的两个独立的场分量 e 。( z ，r ) 邑和e ，( z ，f ) 虿，。如图2 - - 1 b 所示，模x 和模y 以及本征模u 和v 彼此相互 垂直。图中中心的。表示单位矢量t 和瓦的箭头方向与图所在平面垂直穿出纸 外。 图2 一l 中所有的单位向量都是归一化的正交向量，所以它们具有如下的关 系： t - 瓦= t - 乏= e ”y e z = 瓦瓦= 瓦e w = e 。w e u = 0 ( 2 - - 6 ) e ，e y2e z2e 口e y 。e 陵l = 阿i = l t i = i 邑i = l 瓦l = i 瓦l = 1 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 在以上各式中，符号“”和“ 分别代表标量积和矢量积。 为了计算未知项a ( z )