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光纤挤压式偏振控制器介绍


1.偏振控制器简介

偏振控制器是一种控制光偏振态的器件,可将任意偏振态的输入光转换为输出端指定的偏振态,具有抗干扰能力强、插入损耗小和易于与光纤系统连接等特点,在光纤通信系统以及光纤相干传感系统中受到重视。偏振控制器的方案很多,但基本上是采用光延迟器,通过改变延迟量或主轴的方向来实现偏振控制,有时配以旋光器,因而工作原理基本相同,按控制方式的不同,主要分为3类:

1)延迟可以改变、方位角不变的波片型偏振控制器

1所示的自由空间波片的结构的PC,沿光路方向有几个互为45度角的自由空间波片,波片根据外加电压可以对其两正交方向的光引入相应的相位延迟,通常情况下,有3个互成45°的波片就可以实现任意输入偏振态到任意输出偏振态的转换。

2)多个延迟不变、而方位角可以进行改变的波片型偏振控制器

     如图2所示,这种全光纤型的是目前使用最广泛,制作成本也相对较低的偏振控制器,由三个光纤环组成,沿光纤传播方向,将光纤依次绕制在3个光纤环上面,光纤绕圈弯曲时的应力产出双折射,通过改变光纤绕圈的直径和圈数可以得到任意全光纤型波片。这种全光纤型结构的对波长较敏感,同时机械式操作,响应速度慢,难以实时快速偏振监控,一般最常用于偏振扰动,如测试PDL

3)单个延迟可以进行改变、并且方位角也可变的波片型偏振控制器。

3所示的偏振控制器,是一种基于双折射晶体的偏振控制结构,由一对双折射光楔组成,通过移动两个光楔相对位置,实现对波片厚度的改变,起到改变延时的作用,这种结构的PC最大优势是对波长不敏感。

2.光纤挤压式偏振控制器

挤压光纤式偏振控制器是利用光纤的应力双折射研制而成,具有插入损耗小,对波长不敏感,响应速度快等特点,所以在光纤通信系统中的应用十分广泛,是全光再生技术和偏振模式色散补偿技术的关键器件。如图4所示,沿光纤方向有4个光纤挤压器结构,相邻挤压结构的挤压方向互为45度,在外力作用下,光纤产生附加的应力双折射,从而具有类似晶体波片的性能,同样在正交方向引入可变的相位延迟,控制挤压器力的大小,也可以改变延迟量的大小。

2.1光纤挤压产生双折射现象

在理想的条件下,也即光纤的形状是严格的圆柱形、材料各向同性,正交的两个模式间不会发生偏振混合,在光纤未受到外力挤压时,其纤芯是正规的圆,光的电场矢量的传输速率在各个方向上相同,如图5所示。当光纤受到沿横截面某个方向的压应力时,挤压处的横截面类似椭圆形状,由于光纤应力双折射效应在应力方向和垂直于应力方向上会产生与应力大小成正比的折射率差,使光纤中两个偏振分量的相位差发生变化,从而引起输出光偏振态发生变化。

2.2光纤挤压与偏振态控制

通常利用邦加球可以直观显示光偏振态的变化。若一个光纤挤压器对光纤进行挤压,产生的相位差为Φ,则此时的偏振态变化表现为邦加球球面上的点绕赤道平面内的某直径旋转角度Φ。在赤道平面上所绕旋转轴的方位角是挤压器所加应力方位角的两倍。

7偏振控制器的挤压器F1和F3与F2的挤压方向成45°,当对光纤施加挤压力时,偏振态变化在邦加球上的变化表现为所绕旋转轴成90°。F1和F3可以使入射光的偏振态绕HV轴旋转, F2可以使入射光波的偏振态绕PQ轴旋转。因此,邦加球上任意偏振态M变化为任意偏振态H,只要使偏振态M分别绕HV轴和PQ轴旋转一定角度就可以实现。可能先绕HV轴旋转,也可能先PQ轴旋转,视具体情况而定。图8是通过调节挤压器F1和F2,实现任意偏振态M转变为偏振态H的过程。先调节挤压器F1的电压,使入射光的偏振态M绕HV轴转到偏振态N,其中N为HLVR大圆上的点。再调节挤压器F2的电压,使偏振态N绕PQ轴转到偏振态H。只要F1和F2的相位延迟量都达到[-π,π],就可以实现对输入光偏振态进行控制,获得任意需要的偏振态输出。在实际应用中,为了更容易实现偏振态的遍历性,挤压器一般不少于三个。

邦加球上的一个点代表了一个偏振态,球上全部的组合则代表了所有各种可能的偏振态。通过改变三个挤压器的控制电压,理论上可以将任意输入偏振态变化为任意需要的输出偏振态。

3. 总结

本文先介绍了几种不同类型的偏振控制器,浅谈介绍了光纤挤压式的偏振控制器的相关信息,如挤压光纤产生双折射现象、邦加球模型显示偏振态信息。光的偏振态控制不仅在光纤通信和光纤传感方面有广泛应用,同时在光纤陀螺、激光雷达、量子通信等领域得到应用。因此,还需要深入研究可以实现光偏振态控制精度高、响应速度快、波长不敏感、体积更小的偏振控制器,如果低成本实现更佳。


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