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光偏振控制器
阅读:853时间:2018-03-16 09:20:24

当偏振光在具有双折射性质的介质中传输时,由于o光和e光的传输速度不同,引起一光线相对另一光线产生相位推迟,从而引起光的偏振态发生改变。光偏振控制器就是利用此理论研制而成的。

原理

  当单色光在各向同性介质的界面折射时,折射光线只有一束,且遵循折射定律。但当光线从空气进入某些晶体时,情况就不那么简单了,有些晶体能使一条单色的入射光线分成两条折射的光线。在这两条折射光线中,一条折射光线遵循熟知的折射定律,称为寻常光或o光;另一条当入射光线的入射角为零时也存在,入射角的正弦与折射角的余弦之比不是常数,且折射光线与入射光线一般不在同一面内,它不遵循折射定律,称之为非常光或e光。这种现象称为双折射。当偏振光在具有双折射性质的介质中传输时,由于o光和e光的传输速度不同,引起一光线相对另一光线产生相位推迟,从而引起光的偏振态发生改变。光偏振控制器就是利用此理论研制而成的。
  对于某些各向异性物质云母、方解石等,双折射是其本身固有的,称为永久性双折射物质。对于这些物质,在自然条件下,不需要任何外界场(如电场、压力或磁场)的作用,就可改变光的偏振态,波片型偏振控制和光纤环型偏振控制器就属于此类。有些光学物质,在自然状态下并不具有双折射性质,但当有电场、压力或磁场等作用时,表现出与各向异性物质相同的双折射特性,这一特性随外界作用的消失而消失。具有这种特性的物质为暂时双折射物质,它同永久性双折射物质一样,具有改变光的偏振态的特性,光电型偏振控制器和压电型偏振控制器就属于这一类型。
  波片型偏振控制器
  波片型偏振控制器就是利用波片推迟理论来改变光的偏振态。典型的波片型偏振控制器光学系统主要由线性起偏器、四分之一波片和半波片组成,其结构如图1-1所示。通过电机旋转λ/4和λ/2波片,使得其快轴相对线偏振光振动方向可旋转任意角度,从而可获得需要的任何偏振态。
  光纤环型偏振控制器
  理想的单模光纤是圆对称的,是各向同性介质,光在其内传播与偏振方向无光。然而实际上完全圆对称的光纤是不存在的,它与单轴晶体一样具有双折射特性。这一特性将使注入到光纤中的线偏振光以两个相互垂直模式和传播,其传播速度稍有不同,以模式双折射率B表示,定义为
  B=(βx-βy)λ/2π
  式中,B为和两线偏振光的折射率差;βx、βy为两偏振模式各自的传播常数;λ为真空中的波长。
  与波片影响偏振态相似,在光纤中传输光的偏振态也将沿光纤的长度方向连续变化,偏振态随光纤长度的变化。
  假设把一束线偏振光注入光纤,它将被分成和两种模式并分别在x轴和y轴上作直线偏振传输。由于两模式的传输常数β不同,在沿光纤长度方向的任意位置,其偏振态由Ex和Ey的矢量合成。设在光纤的a点时,两模式矢量Ex和Ey的振动相位相同,其合成偏振态为线性偏振;b点时由于传播速度的差异,使得两矢量Ex和Ey的相位差变为π/2,其合成偏振态将变为圆偏振;c点两矢量Ex和Ey的相位差变为π,其偏振态又变为线偏振,但与a点相比旋转了90°;d点两矢量Ex和Ey的相位差变为3π/2,偏振态变为圆偏振,但旋转方向与b点相反;e点两矢量Ex和Ey的相位差变为2π,其偏振态又回到a点状态;依此类推,沿着光纤偏振态将循环变化下去,这与偏振态随波片的厚度变化现象相似。因此可根据全波片、半波片、四分之一波片的制备原理,用光纤制备λ、λ/2、λ/4光纤型推迟环。
  用光纤制成的各种类型的推迟环,由于其尺寸很小,性能突出,在光纤传感器中获得了广泛应用。光纤环型偏振控制器就是其典型应用之一,其主要由4个λ/4光纤推迟环组成,结构如图1-3所示。λ/4光纤推迟环各自可旋转任意角度,当偏振光信号在其中传输时,通过旋转4个推迟环的快慢轴相对位置,从而获得需要的偏振光。
  电光型偏振控制器
  以上介绍的两种偏振控制器主要应用在光通信波段,在其他波段如850nm以下、中红外及远红外常用到电光型或压光型偏振控制器来改变光的偏振态。电光型偏振控制器是利用一类特殊光电材料如ADP、KDP、LiTaO3研制而成的,当对这类材料施加电场时,它的双折射将产生变化,这种变化和施加电场的关系与光电材料、电场方向有关,有时它们成正比,但有时与电场的平方成正比。由于双折射的原因,当一束线偏振光通过这类材料后,其偏振态将发生改变。
  根据施加电场与光传输方向的关系,一般把电光型偏振控制器分为纵向和横向。在纵向电光偏振控制器中,电场是平行于光线传播方向,因此需要透明或环型电极结构。横向电光偏振控制器中,电场是垂直于光线传播方向,避免了电极对光的影响。典型的纵(横)向电光偏振控制器如图1-4所示。
  压光型偏振控制器
  压光偏振控制器类似电光型偏振控制器,但使其材料的双折射产生变化用的是压力而不是电场。当某些各向同性的材料如氟化锂,在与光束相垂直的方向上受力时,它们将变为单轴材料,并产生与应力成正比的相位推迟,从而达到改变偏振态的目的。目前用压光效应制作的相位推迟片已广泛应用于紫外区。
  用压光材料制作的相位推迟片与电光材料相比有很多优点。首先没在负载固定情况下前者相位推迟保持性优于后者;其次,前者比后者拥有更大的孔径角,在承受应力的各向同性材料中,推迟的改变与光在材料中光程成正比,与光在材料上的入射角正切成正比。

指标

  不同类型的偏振控制器其要求的技术指标略有不同,对于以上两种通信波段内常用的偏振控制器主要包括以下技术指标:波长范围、最大输入功率、插入损耗、插入损耗随波片(或光纤环)转动变化、插入损耗随波长变化、端口回损、消光比、偏振态调整准确度、偏振态调整分辨力、偏振态调整重复性、角度调整准确度、角度调整重复性等。下面根据常见的几种偏振控制器,对几个比较重要的技术指标进行简单介绍。
  波长范围与波片或光纤环的材料有关,一般波片的相位推迟随波长的变化比光纤环的要大,因此波片型偏振控制器波长范围比光纤环的要小,在允许的偏振态调整误差范围内,波片型偏振控制器波长范围约几十纳米,而光纤环型可达到几百纳米,当然使用软件补偿技术可以扩大波长范围。最大输出功率一般是考虑到材料的承受能力,一般在+10dBm~+23dBm之间。插入损耗一般小于2.0dB,其随波片(或光纤环)转动变化小于0.05dB,随波长变化小于0.2dB。FC/PC接头回损一般大于35dB,FC/APC接头回损一般大于55dB。偏振态调整准确度、偏振态调整分辨力、偏振态调整重复性、角度调整准确度、角度调整重复性是偏振控制重要的技术指标,它们与控制波片(或光纤环)转动的电机关系密切,因此高性能的偏振控制器离不开高性能的步进电机,性能较好的偏振控制器偏振态调整分辨力优于0.36°。

应用

  光偏振控制器广泛应用于光信号的偏振特性分析,光器件如耦合器、隔离器、波分复用器、放大器、衰减器等偏振特性的测量,偏振特性对光材料性能影响分析等方面。

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