保偏光纤熔接机偏振主轴对准机构设计与控制实现

1、保偏光纤熔接机偏振主轴对准机构设计与控制实现摘 要：本文介绍了保偏光纤主轴对准的原理，根据 侧像投影对准系统获取保偏光纤成像特征，结合偏振轴错位 角与消光比关系，对保偏光纤偏振轴对准机构的设计与控制 方法进行了研究。关键词：保偏光纤；消光比；主轴对准机构；错位角1. 引言 保偏光纤是一种具有双折射主轴 （快轴 / 慢轴） 的特制光 纤，由于其具有良好的偏振态保持能力，因此被广泛应用在 光纤通信和各类传感器件中。保偏光纤熔接技术是保偏光纤 及其系统能否实用化的关键技术之一，保偏光纤熔接最重要 的是要实现保偏光纤主轴精确对准，以保证熔接后其偏振性 能只有少量下降，因此，偏振主轴对准机构设计与控制实

2、现 是保偏熔接机实现保偏光纤高质量熔接的关键。2. 偏振轴对准原理 常用的保偏光纤类型有熊猫型、 领结型、 椭圆包层型等。保偏光纤都有两个正交偏振模HE11x （慢轴，又称主轴）和HE11y （快轴），以熊猫型保偏光纤为例，如图1所示，增强光纤中的双折射效应减少了这两个模式间的耦合。当 HE11x 模被激励到光纤的一个偏振轴传输，它的一部分光功率会转 化为 HE11y 模。这两个传输模式间光功率的比率就叫做消光 比， 消光比其中Px为HE11x模输出功率，Py为HE11y模输出功率。对于保偏光纤的熔接，最重要是避免消光比的降低。偏 振轴必须以尽可能高的精度互相对准，如果两侧待接续光纤 的偏振轴

3、有错位，其对消光比有较大的影响。消光比和偏振 轴错位角关系的变化曲线如图2所示。偏振轴的错位角9与消光比ER的关系如下：通常两侧光纤的偏振轴完全对准时，其消光比最大。当 错位角为1.8。时，其消光比将下降到30dB，而错位角达到5.7时，其消光比将下降到 20dB 以下。要获得主流 -40dB 的消光比，其两侧光纤偏振轴的错位角不得大于0.6，因此要求旋转对准机构的对准精度应小于 0.6，主轴旋转对 准机构如图 3 所示。3. 对准机构设计与控制实现 为了实现两侧光纤的偏振轴对准，采用了侧像投影对准 系统 PA(S Profile Alignment System )，使用一个光源照射光纤，

4、经光学成像系统将光纤的图像成像于图像传感器靶面上，由 于光纤内部的结构不同，其在靶面上所成的像的强度不同， 图 4 是熊猫型保偏光纤偏振轴与投射光线不同夹角下的焦平 面上的光强分布。从图 4 中可以看出，当投射角度不同时， 光强分布图中的 A、B值是不同的，图4 (a)中，应力区位于竖直位置。在光强分布上，两个高亮点对称分布于光纤中心的两侧，A和B分别是从中心到两个高亮点的距离。在这 种情况下， A 与 B 相等。由于保偏光纤是基于快轴或慢轴对 称，因此这种情况被定义为旋转角 0或 180。 60或 240 旋转角时，光强分布如图 4 （b）所示。与0相比，距离A 增大了，而距离 B减小了。9

5、0旋转角时如图4（ c）所示， 两个高亮部分也像 0时一样，对称的分布在中心两侧。但 此时，A与B的值比0。时对应的值要大。120或300 旋 转角时，光强分布如图 4（ d）所示，与0相比，距离A减 小了，而距离 B 减增大了。通过计算与分析，就可以得出偏 振轴与投射光线的夹角。由对准控制系统根据计算结果控制 旋转电机旋转一侧或两侧光纤，使得两侧光纤的偏振轴与投 射光线的夹角保持一致。3.1 旋转行程及精度的选择 两侧光纤的偏振轴与成像靶面的夹角最大不超过 180 最小为 0。当一侧光纤保持不动时，另一侧光纤的偏振轴 旋转最大不超过 180即可实现主轴对准。在留有余量的情 况下，旋转机构行程

6、可选有 280的调节量。光纤的旋转动力靠步进减速电机提供，根据错位角与消 光比的关系，要获得 40dB 的消光比，其两侧光纤偏振轴的 错位角不得大于 0.6。旋转机构的旋转精度在留有冗余度 的情况下，预先设定为 0.2。光纤的旋转机构是通过步进减速电机加一对齿轮啮合来驱动光纤旋转的。步进减速电机型号为 15BYHJ50-05步 进电机本身的步距角为18，其内部包含减速箱， 减速比为1：50，步进减速电机的输出轴步距角为18/50=0.36。在步进减速电机与光纤压板之间利用一对齿轮啮合进一步减速， 选用的减速比为 1：1.8，光纤旋转的最终分辨率为：分辨率 9 =18*1/ (50*1.8 )=

7、0.2 (3)光纤的旋转机构由基座、旋转支撑台、光纤压板、步进 减速电机等组成。步进减速电机的输出轴上装有旋转主动齿轮， 齿数为 30， 模数为 0 . 5 。旋转支撑台一端有旋转被动齿轮，其完整齿数 为 30*1.8=54 ，模数为 0.5。被动旋转齿轮的形状不是完整的 圆形，而是一个缺了 60角的扇形齿轮， 其截面形状见图 5。 所缺的 60角部分， 方便了光纤的取放， 光纤的中心应和扇 形齿轮的中心重合。旋转支撑台的两端均有滑动轴承支撑， 为便于取放光纤，滑动轴承也是扇形结构。其截面形状详见 图 6 。3.2 偏振主轴旋转对准控制实现采用了侧像投影对准系统PAS由于光纤内部的结构不同，其

8、在靶面上所成的像的强度不同。光纤旋转就可以得到 光纤旋转角度与其中心位置光强关系的 POL ( polarization observation by lens- effect- tracing )曲线，该曲线中就包含了保偏光纤主轴方位角的信息。 借助 POL 曲线，通过图象分析， 可以获得待连接保偏光纤的主轴角偏差。在进行图象分析前， 通过精密旋转机构将从左光纤原始位置正向旋转180，在旋转过程中， 同步采样检测光纤中心光强 POL 值；同时， 逆 向将右侧光纤旋转 180并获取数据。这样就得到左右光纤 的两组 POL 曲线值。上式中 L、 R 均为周期性函数，因而光纤旋转某一角度 8可用移

9、动POL曲线值来模拟。例如，模拟右光纤旋转8度， 可通过移动右光纤 POL 曲线序列值 R 来获得。逐一模拟旋转右光纤，并计算每一旋转角度对应的 POL 曲线的线性相关系数。模拟右光纤旋转180后，即可获得右光纤旋转角度与线性相关系数的关系曲线。如果左右光纤 是同一结构类型， 在左右光纤主轴角偏差为零时， 其 POL 曲 线序列的线性相关系数具有最大值，即线性相关系数关系曲 线最大值点所对应的角度则为左右光纤主轴的角偏差。根据 求得的主轴角偏差，控制旋转机构旋转左（或右）光纤使角 偏差最小，即可完成两侧保偏光纤的主轴对准，熔接后的保 偏光纤具有高的消光比。4. 小结 本文依据保偏光纤主轴对准的原理，采用侧像投影对准 系统获取保偏光纤成像特征，结合偏振轴错位角与消光比关 系，对保偏光纤偏振轴对准机构的设计与控制方法进行了研究。参考文献1 杨小光 保偏熔接机双路显示及主轴对