CN101625441B - 全光纤圆偏振器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全光纤圆偏振器，包括一段第一光纤和两段第二光纤。所述第一光纤，用于在熔融状态下以一定的扭转率进行扭转，实现圆偏振。所述第二光纤，用于连接和传输。本发明使用一段第一光纤和两端第二光纤构成光纤圆偏振器，通过调节第一光纤的扭转率和光纤长度，可实现各种波长上的圆偏振；并且结构紧凑，尺寸仅在厘米量级，同时避免了使用线偏振器带来的精确对轴的问题。

Description

全光纤圆偏振器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术及通信技术领域，特别涉及一种光纤偏振装置。

背景技术

在相干光通信及许多光纤传感系统中，都需使用光的偏振特性。这种在光纤中产生、传输、保持、测量和应用光偏振的技术，统称为偏振技术。光纤偏振器是偏振技术中的关键器件。光纤偏振器是用于从任意偏振态的输入光中获取具有特定偏振态的光的光学元件，已被广泛应用于光纤测量、光纤传感及各种偏振控制系统中。

现有的圆偏振器通常由线偏振器和四分之一波片组成，用线偏振器起偏后转成圆偏振或由圆偏振转换为线偏振后检偏。这种圆偏振器在使用过程中，必须对经过线偏振器的输入和输出光进行汇聚和准直，同时要保证线偏振器和四分之一波片相互连接时的精确对轴。由于整个系统是由多个分离元件组成，这样不仅使整个系统的损耗大大增加，而且造成整个系统的不稳定性增加，体积偏大。针对这些问题，已提出对光纤圆偏振器的改进方法，即采用光纤型线偏振器和光纤型四分之一波片，降低插入损耗或提高消光比，以及进一步保证其工作的稳定性，例如，在熔融状态下由慢到快扭转应力型保偏光纤制作偏振转换器的方法、使用四分之一拍波长的线保偏光纤作为四分之一波片的方法等。

现有的光纤圆偏振器的实现方法的缺点是，虽然可以实现光纤圆偏振器的全光纤化，但是仍然需要一个线偏振器，仍然存在精确对轴的问题。因此，需要一种方法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决使用线偏振器带来的精确对轴的问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种全光纤圆偏振器，包括一段第一光纤和两段第二光纤。其中，所述第一光纤用于在熔融状态下以一定的扭转率进行扭转，实现圆偏振；所述第二光纤用于连接和传输。

作为本发明的一个实施例，所述第一光纤为已在熔融状态下进行均匀扭转的高线双折射光纤，扭转可导致芯层模与包层模的耦合，从而使得在某一特定的扭转周期和一定的光纤长度上，满足相位匹配的耦合模式间发生能量的全转换。并且，扭转后的第一光纤使得左旋或右旋的圆偏振光中只有一个能够无损的通过。

作为本发明的一个实施例，所述第一光纤包括熊猫光纤、蝴蝶光纤和椭圆芯光纤等双折射光纤中的一种；所述第二光纤包括单模通信光纤，两段第二光纤可以相同也可以不同；所述第一光纤和第二光纤的连接方式包括熔接、机械接合和物理连接中的一种。

本发明使用一段第一光纤和两端第二光纤构成光纤圆偏振器，通过调节第一光纤的扭转率和光纤长度，可实现各种波长上的圆偏振，并且结构紧凑，尺寸仅在厘米量级，同时避免了使用线偏振器带来的精确对轴的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的全光纤圆偏振器的结构示意图；

图2为本发明实施例的全光纤圆偏振的一个例子的结构示意图；

图3为芯层模和第一包层模发生耦合时，本发明实施例的全光纤圆偏振器的输出光谱的结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明实施例的全光纤圆偏振器的结构示意图。该全光纤圆偏振器包括一段第一光纤100，两段第二光纤110和120。其中，第一光纤110为已在熔融状态下进行均匀扭转的高线双折射光纤，扭转周期为亚毫米量级。第一光纤110的芯区存在折射率的各向异性，扭转后的第一光纤110将导致主模和包层模的耦合，从而使得在某一特定的扭转周期和一定的光纤长度上，满足相位匹配的耦合模式间发生能量的全转换。并且，扭转的第一光纤110是圆双折射光纤，左旋和右旋的圆偏振主模只有一个能够满足相位匹配条件，只有一个左旋或右旋的圆偏振光可以无损的通过扭转后的第一光纤110。两段第二光纤100和120起连接和传输作用。

第一光纤110可以是熊猫光纤、蝴蝶光纤、椭圆芯光纤等其他具有线双折射的光纤。第二光纤100和120可以是普通单模通信光纤和/或其他适合的任意光纤。第二光纤100和120可以相同也可以不同。第一光纤110和两段第二光纤100、120的连接方式包括熔接、机械接合、物理连接、和/或其他适合的低连接损失的连接方式。

为了简单明了，下面仅以第一光纤为熊猫光纤、两段第二光纤均为普通单模通信光纤的情况为例，具体分析全光纤圆偏振器的工作原理。应理解，这仅是示意性的例子，并不限制本发明的范围。

如图2所示，为本发明实施例的全光纤圆偏振器的一个例子的结构示意图。其中，第一光纤210为熊猫光纤，第二光纤200和220为普通单模通信光纤。熊猫光纤在熔融状态下经过均匀扭转形成圆双折射光纤，扭转周期为亚毫米量级。由于扭转率很高，在一定条件下可引起芯层模和包层模的耦合。

当任意偏振态的光经过第二光纤200或220传输至双折射率为b、经扭转率τ扭转后的第一光纤210时，固定坐标下的耦合模方程为：

$\frac{d}{\mathrm{dz}}\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{co}}^x\\ A_{\mathrm{co}}^y\\ A_{\mathrm{cl}}^x\\ A_{\mathrm{cl}}^y\end{array}\right]+j\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}& 0\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{co}}^x\\ A_{\mathrm{co}}^y\\ A_{\mathrm{cl}}^x\\ A_{\mathrm{cl}}^y\end{array}\right]=-j\left[\begin{array}{cccc}{c}_{11}& c_{12}& c_{13}& c_{14}\\ c_{21}& c_{22}& c_{23}& c_{24}\\ c_{31}& c_{32}& c_{33}& c_{34}\\ c_{41}& c_{42}& c_{43}& c_{44}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{co}}^x\\ A_{\mathrm{co}}^y\\ A_{\mathrm{cl}}^x\\ A_{\mathrm{cl}}^y\end{array}\right],$

其中，A_co ^x、A_co ^y、A_cl ^x、A_cl ^y分别表示X、Y偏振的芯层模与包层模的幅度，β_co、β_cl分别表示芯层模与包层模的传播常数，c_pq(p、q＝1、2、3、4)表示芯层模与芯层模之间、芯层模与包层模之间、或包层模与包层模之间的耦合系数。

将上述耦合模方程进行模式变换，可得到以圆偏振模式表示的耦合模方程：

$\frac{d}{\mathrm{dz}}\left[\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{co}}^r\\ W_{\mathrm{co}}^l\\ W_{\mathrm{cl}}^r\\ W_{\mathrm{cl}}^l\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-j({\mathrm{\β}}_0+\sqrt{b^2+{\mathrm{\τ}}^2})& 0& X_{13}& X_{14}\\ 0& -j({\mathrm{\β}}_0-\sqrt{b^2+{\mathrm{\τ}}^2})& X_{23}& X_{24}\\ X_{31}& X_{32}& -j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}-\mathrm{\τ})& 0\\ X_{41}& X_{42}& 0& -j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}+\mathrm{\τ})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{co}}^r\\ W_{\mathrm{co}}^l\\ W_{\mathrm{cl}}^r\\ W_{\mathrm{cl}}^l\end{array}\right],$

其中，W_co ^r、W_co ^l、W_cl ^r、W_cl ^l分别表示右旋或左旋圆偏振的芯层模与包层模的幅度，与A_co ^x、A_co ^y、A_cl ^x、A_xl ^y满足一定的函数关系，X_mn(m、n＝1、2、3、4)表示W向量对应位置上的芯层圆偏振模与包层圆偏振模之间的耦合系数，β₀是与β_co有关的系数。

由上述圆偏振模式表示的耦合模方程可知，芯层圆偏振模W_co ^l的传播常数

与包层圆偏振模W_cl ^l的传播常数β_cl+τ在一定条件下可满足相位匹配条件，即：

${\mathrm{\β}}_0-\sqrt{b^2+{\mathrm{\τ}}^2}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}-\mathrm{\τ}=2\mathrm{n\π}/\mathrm{pitch},n=\mathrm{0,1,2,3},\·\·\·.$

因此，芯层圆偏振模W_co ^l和包层圆偏振模W_co ^l在某一特定的扭转率和一定的光纤长度上将发生能量全转换。而另一个与芯层圆偏振模W_co ^l正交的圆偏振模W_co ^r无法和包层模耦合。

由上述描述可知，在本发明实施例中，任意偏振态的光都可以分解为两个正交的圆偏振态光，经过第一光纤后，在某一特定的扭转率和一定的光纤长度上只剩下某一圆偏振态。

下面在一定的参数参数下，理论计算本发明实施例的全光纤圆偏振器的输出光谱。通过分析计算结果，本发明上述的和/或附加的方面和优点将变得更加明显和容易理解。

在本发明实施例中，采用的参数为：第一光纤的波长为2.5mm，第一光纤的长度为3.32cm，扭转间距为0.374mm，扭转方向为逆时针方向(沿着光传输的方向观察)。

如图3所示，为芯层模与第一包层模之间发生耦合时，本发明实施例的全光纤圆偏振器的输出光谱的计算结果示意图，纵坐标的单位为分贝。在图中，310为左旋圆偏振光的输出谱线，320为右旋圆偏振光的输出谱线。可以看出，右旋圆偏振光可无损的通过全光纤圆偏振器，而左旋圆偏振光在波长1.55mm处与第一包层模发生能量全转换后，在第二光纤200或220上的含有涂覆层230的部分被辐射损失掉。因此，在第一光纤210一端注入的自然光在特定波长1.55mm处输出光为右旋圆偏振光，然后经第二光纤200或220输出，由此实现圆偏振器的功能。类似地，如果要实现左旋圆偏振器，只需将第一光纤的扭转方向反向即可。

通过上述实施例可以看出，可以选择不同的扭转率和光纤长度实现圆偏振器的功能。以上实施例仅是示意性的实施例，并不限制本发明仅能够通过上述实施例实现，还可通过除上述实施例以外的其他方式实现。例如，调整扭转率可实现包层模在其他工作波长上与芯层模耦合，制成其他工作波长的光纤圆偏振器。

本发明使用一段第一光纤和两端第二光纤构成光纤圆偏振器，通过调节第一光纤的扭转率和光纤长度，可实现各种波长上的圆偏振，结构紧凑，尺寸仅在厘米量级，同时避免了使用线偏振器带来的精确对轴的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种全光纤圆偏振器，其特征在于，包括一段第一光纤和两段第二光纤，

所述第一光纤，用于在熔融状态下以一定的扭转率进行扭转，实现圆偏振；

所述第一光纤为已在熔融状态下进行了均匀扭转的高线双折射光纤；

所述扭转可导致芯层模和包层模的耦合，从而使得在一定的扭转周期和光纤长度上，满足相位匹配的耦合模式间发生能量的全转换；

所述第二光纤，用于连接和传输。

2.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述第一光纤已去掉涂覆层，所述第二光纤包含涂覆层。

3.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述扭转的周期为亚毫米量级。

4.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，左旋和右旋的圆偏振光中只有一个能够无损的通过所述扭转后的第一光纤。

5.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，改变所述扭转的扭转率可实现不同波长上的圆偏振器。

6.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述第一光纤包括熊猫光纤、蝴蝶光纤和椭圆芯光纤。

7.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述第二光纤包括单模通信光纤。

8.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述两段第二光纤可相同或不同。

9.如权利要求1所述的全光纤圆偏振器，其特征在于，所述第一光纤和所述两段第二光纤的连接方式包括熔接、物理连接和机械接合中的一种。

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