CN101726799B - 单一自由度光纤环退偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单一自由度光纤环退偏方法。本方法通过对光纤环内的光纤的弯曲双折射和扭转双折射，使其偏振转换具有半波片的偏振转换特性，由此使普通单模光纤环实现入射光的偏振分离。光纤环将输入光在两个偏振方向上分解为两组，并可通过优化设计耦合器的系数，使两组光强度相等，以及设计光纤环的环长大于被退偏光源的相干长度，使得所有分解光分量之间互不相干。由此，通过调节光纤环扭转角度，改变两组光偏振态相对位置，当入射光偏振态矢量与光纤环偏振转换矢量相互垂直时，两组光的偏振态相互正交，由此实现光的退偏。对任意偏振态的光，都存在一个扭转角度，实现光的退偏。

Description

单一自由度光纤环退偏方法

技术领域

本发明涉及一种针对不同偏振输入光，通过对单一参量(自由度)的调节实现退偏的方法，特别是一种利用单模光纤耦合器和单模光纤构成的光纤环，通过耦合器分光比的优化设计；调节环内光纤盘绕，使光纤的弯曲和扭转引起的双折射效应来实现偏振转换的半波片效应；针对不同偏振态的输入光，通过光纤环的扭转实现光的退偏的方法。

背景技术

偏振随机扰动是长期困扰高码率光通信和光传感系统的问题。在光通信系统中表现为光的偏振色散、偏振损耗等效应，而在光传感系统中则表现为由偏振扰动引起的偏振纤维噪声和偏振衰落问题。

光退偏技术是解决偏振扰动和偏振相关问题的主要方法。目前的退偏器技术主要采用Lyot退偏方法。Lyot退偏器主要由采用双折射晶体或双折射光纤构成，需要精确地准直和调节。Lyot退偏器虽然结构简单，但由于受双折射晶体或光纤的长度限制，退偏一般只对宽光谱光源有效，即被退偏光的相干长度很小，不适合光纤通信系统和干涉臂不等长的光纤传感系统。

Shen P.Palais于1998年提出了光纤环退偏的方案。在Shen P.Palais提出的方案中，针对不同偏振态的输入光，通过调节光纤环内的偏振转换矩阵来实现光的退偏。因此针对不同偏振态的输入光，环内的偏振状态的调整必须是在全偏振态空间内任意的。而要实现全偏振态空间的任意可调，需要有三个自由度。这三个自由度调节的实现可通过接在光纤环内的偏振控制器来实现。在实际应用中，由于三个自由度同时调整，调整地结果需要使光纤环的偏振转换的旋转矢量与入射光的偏振态矢量相互垂直。因此实际应用中，针对不同的入射光偏振态，对光纤环的偏振转换进行三个自由度调的调节，在实际使用时非常不便，且稳定性差。

本发明内容是通过预先设计光纤环内部的偏振转换特性，使其具有半波片的工作特性，并优化设计光纤环中耦合器的耦合系数，由此降低光纤环退偏器在使用过程中的调节自由度至一维，即在使用中只需调节一个变量即可实现对不同输入偏振态光的退偏。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种单一自由度光纤环退偏方法，通过对光纤环中光纤的盘绕引起的光纤弯曲双折射和扭转双折射，使光纤环内光纤的偏振转换具有半波片的工作特性，并通过固定手段使该特性保持不变。由此使光纤环的工作特性表现为两偏振态分离的工作特性。光纤环将输入光在两个偏振方向上，将光分为两组。并且可优化设计耦合器的系数，使两组光强度相等，以及设计光纤环的环长大于被退偏光源的相干长度，使得所有分解光分量之间互不相干。通过调节光纤环的整体扭转角度，可以改变两组光偏振态相对位置，当入射光偏振态矢量与光纤环偏振转换矢量相互垂直时，被分解的两组光的偏振态则相互正交，由此实现光的退偏。对任意偏振态的光，都存在一个扭转角度，实现光的退偏。本方法将原有光纤环退偏器的调节自由度由三维降至一维，即使用中只需调节一个参量即可实现对不同输入偏振态光的退偏。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：退偏器由长度大于被退偏光相干长度的单模光纤环和2×2单模光纤耦合器构成，在不考虑光纤环和耦合器损耗情况下，光纤耦合器的优化分光比为1∶2；环中的光纤通过特殊盘绕方法，使光纤由弯曲和扭转引入的双折射效应具有半波片的偏振转换效应。光纤环将输入光分解为直通光及不同循环次数的光分量，光纤环具有将输入光进行偏振分解的功能，其中直通光和偶数次循环的光分量具有相同的偏振态，而奇数次循环的光分量具有相同的偏振态。1∶2的耦合器分光比可实现两组光的功率相等。对任何不同偏振态的输入光，通过扭转光纤环的角度，则可使这两个偏振态正交，实现光的退偏。

光纤环的内部结构和半波片的偏振转换效应，在调节使用过程中保持不变，唯一的自由度是光纤环的扭转角度。

通过调节光纤环的扭转角度，实现任意偏振态输入光的退偏。在180度的调节范围中，存在两个全退偏点。

通过在光纤环前面接入偏振控制器，实现全偏振度可调退偏器，偏振度调节范围为0到100％，调节通过扭转光纤环实现，在180度的扭转调节范围内，存在两个0到100％的偏振度调节周期。

不考虑光纤及光纤耦合器损耗条件下，光耦合器分光比优化值为1∶2；而考虑光纤环中光纤的损耗及光纤耦合器的损耗时需要对耦合器的分光比进行调节。

在具体实现发明方法要求的光纤环时，保证光纤环内光纤绕环的偏振转换效应具有半波片偏振转换性质是退偏实现的关键。保证光纤绕环的偏振转换效应具有半波片性质的检测，可以通过旋转绕制好光纤绕环，监测输出光的偏振态变换轨迹的方法实现。具体为：当光纤绕环旋转180°时，输出光偏振态轨迹在庞加球面上为一个8字形轨迹。当8字形轨迹的两个圆重合时，光纤绕环则具有理想的半波片的性质；当8字形轨迹缩小至一个点时，光纤绕环的偏振转换为全波片性质；当8字形轨迹的两个圆的夹角为90°时，为1/4波片性质。本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)利用光纤环内部光纤弯曲和扭转引入的双折射效应，设计其盘绕形态，由此环实现环内光纤具有半波片的偏振转换特性。该光纤半波片的主轴的旋转可通过旋转光纤环实现，该半波片对奇次循环的分级光为半波片效应，而对偶次循环的分解光具有全波片效应。因此对任意输入的偏振状态，通过调节该光纤半波片的主轴，使其与入射光偏振态的方位角呈45度夹角，即可实现对奇偶次循环光分量的正交偏振分解。因此本发明的光纤环退偏器的唯一调节自由度是光纤半波片的主轴。而该主轴的旋转调节可通过光纤环的扭转实现。

(2)光纤环内部无需偏振控制调节，使用过程中，光纤环的结构保持不变，因此可以通过固定手段使其保持不变。

(3)调节自由度的降低，使光纤环退偏的使用简单易行。输出光的偏振度随旋转角度呈升余弦规律变化。

(4)在光纤环前插入偏振起偏器，可实现偏振度由0到100％的单调可调。即偏振度单调可调的退偏器。

附图说明

图1是本发明光纤环退偏的工作系统框图。

图2是图1中的光纤环退偏原理图。

图3是光纤环偏振转换的参数与输入光偏振态及被光纤环分解的偏振态之间的理论关系图。

图4是不同输入光偏振态下偏振控制器的转动角与测得输出光偏振度实际关系图。

图5是检测光纤环内的光纤绕环具有半波片特性的检测系统。

图6是不同光纤绕环时旋转光纤环绕180°，输出光偏振态的变化轨迹图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参见图1。一种单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：退偏器由长度大于被退偏光相干长度的单模光纤环和2×2单模光纤耦合器构成，在不考虑光纤环和耦合器损耗情况下，光纤耦合器的优化分光比为1∶2；光纤环中的光纤通过盘绕方法，使光纤由弯曲和扭转引入的双折射效应具有半波片的偏振转换效应；光纤环将输入光分解为直通光及不同循环次数的光分量，光纤环具有将输入光进行偏振分解的功能，其中直通光和偶数次循环的光分量具有相同的偏振态，而奇数次循环的光分量具有相同的偏振态；1∶2的耦合器分光比可实现两组光的功率相等；对任何不同偏振态的输入光，通过扭转光纤环的角度，则可使这两个偏振态正交，实现光的退偏。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

(一)退偏的实现：参见图2。具体方法是：偏振光1首先由经过偏振控制器2，偏振控制器用于调节输入光的偏振状态，以测试退偏器对所有偏振态都有存在相应的旋转角，实现退偏。根据偏振光的相干长度，截取合适长度的光纤，根据(9)式和β＝(π/λ)EC(r/R)²，计算出合适的光纤弯曲半径，绕制成具有半波片功能的光纤线圈3，光纤盘绕时需注意尽量少扭转，以满足扭转双折射远远小于弯曲双折射的条件。判断光纤线圈是否满足设计要求，可通过图5所示的系统进行测试。将盘绕的光纤与分光比为1∶2的2×2耦合器4的输出功率较大的两端熔接，形成光纤环。为防止使用中，光纤形变引起偏振转换特性的改变，按设计实现的光纤环可固定在无形变模盘上，并可用采用合适的粘胶手段固定。固定光纤环的模盘可绕光纤传输方向转动，固定光纤环两端，可实现光纤环的扭转。光纤环和扭转结构构成的光纤环可调退偏器5。输出光的退偏特性通过偏振分析仪6进行检测。

对任意输入的偏振光，(通过调节偏振控制器实现)，旋转固定光纤环的模盘，都可以找到相应的旋转角度，实现对该偏振状态光的退偏。在光纤环旋转180°的范围内，可以找到实现退偏的两个角ξ和ξ+90°。

图4，为不同输入光偏振态时，即设置偏振控制器的转动角度分别在0°、45°、90°、135°、180°的位置上，光纤环旋转过程中对输出光偏振度的检测曲线。由测试结果可见，对任意偏振态的输入光，在180°的转动范围内，存在着两个角度，使输入光完全退偏。

(二)光纤绕环半波片偏振转换特性的测量

实际中根据β＝(π/λ)EC(r/R)²式给出的计算方法只是一个初步的估算，盘绕的光纤段是否具有半波片的性质需要检测，本发明中包含光纤半波片的检测方法。检测系统框图如图5所示。旋转绕制好的光纤绕环，观察偏振分析仪的偏振态变化轨迹。当光纤绕环旋转180°时，输出光偏振态轨迹在庞加球面上为一个8字形轨迹。当8字形轨迹的两个圆重合时，光纤绕环即具有半波片的性质；当8字形轨迹缩小至一个点时，光纤绕环的偏振转换为全波片性质；当8字形轨迹的两个圆的夹角为90°时，为1/4波片性质，见图6。由此通过此检测方法可检测绕制好的光纤绕环是否具有半波片性质，并可进行在线调整光纤绕环至其具有半波片性质。

工作原理如下：光纤环退偏结构如图2所示。环内光纤为长度大于被退偏光相干长度的单模光纤。光纤按下述原理要求固定盘绕在模盘上。由于光纤的弯曲和扭转引起的双折射效应可表示为：

M_ring＝R(φ)R(-θ)MR(θ)    (1)

其中，R(φ)为光纤扭转引起的圆双折射，M为弯曲扭转引起的线双折射偏振转换。θ是线双折射主轴的方位角。M和R(φ)分别表示为：

$M=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{gl}-j\frac{\mathrm{\β}}{2g}\sin \mathrm{gl}& \frac{\mathrm{\α}}{g}\sin \left(\mathrm{gl}\right)\\ -\frac{\mathrm{\α}}{g}\sin \left(\mathrm{gl}\right)& \cos \mathrm{gl}+j\frac{\mathrm{\β}}{2g}\sin \mathrm{gl}\end{array}\right]---\left(2\right)$

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，表示弯曲和扭转共同作用引起的椭圆双折射。α＝-(1/n)GCτ为扭转引起的圆双折射，G是Shear模量，C是光应力系数，τ是光纤的扭率(度/米)。β＝(π/λ)EC(r/R)²是弯曲引起的线双折射，E为杨氏模量，λ为传输光波长，r为光纤包层半径，R为光纤弯曲半径。如果在盘绕光纤时，使光纤扭转引起的效应远远小于弯曲引起的效应，即α＜＜β，则可得

$M_b=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\β}}{2}l-j\sin \frac{\mathrm{\φ}}{2}l& 0\\ 0& \cos \frac{\mathrm{\β}}{2}l+j\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}l\end{array}\right]---\left(4\right)$

M_b的四元素表示为：

$Q_H=[\cos \mathrm{\φ}\cos \frac{\mathrm{\βl}}{2},\cos (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ})\sin \frac{\mathrm{\βl}}{2},\sin (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ})\sin \frac{\mathrm{\βl}}{2},\sin \mathrm{\α}\cos \frac{\mathrm{\βl}}{2}]---\left(5\right)$

(5)式还可表示为：

$Q_M=\⟨\cos \frac{\mathrm{\Ω}}{2},\hat{n}\sin \frac{\mathrm{\Ω}}{2}\⟩---\left(6\right)$

其中

$\cos \frac{\mathrm{\Ω}}{2}=\cos \mathrm{\φ}\cos \frac{\mathrm{\βl}}{2}$

$\hat{n}=\⟨\frac{\cos (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ})\sin \frac{\mathrm{\βl}}{2}}{\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\frac{\mathrm{\βl}}{2}}},\frac{\sin (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ})\sin \frac{\mathrm{\βl}}{2}}{\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\frac{\mathrm{\βl}}{2}}},\frac{\sin \mathrm{\φ}\cos \frac{\mathrm{\βl}}{2}}{\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\frac{\mathrm{\βl}}{2}}}\⟩---\left(7\right)$

因此，对绕环n次循环光分量，其偏振转换矩阵可表示为：

$Q_n=\⟨\cos \frac{\mathrm{n\Ω}}{2},\hat{n}\sin \frac{\mathrm{n\Ω}}{2}\⟩---\left(8\right)$

(8)式表示了对n次循环光，其偏振态在庞加球上，由初始的P₀点绕矢量

旋转n角度至P_n点。如果调解光纤的弯曲，使β1＝π，则(6)式变为：

$Q_n=[\cos \frac{\mathrm{n\π}}{2},\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}\⟨\cos (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ}),\sin (\mathrm{\φ}+2\mathrm{\θ}),0\⟩]---\left(9\right)$

(9)表示了矢量

处于赤道平面内。偶次循环的光分量绕

旋转π的偶数倍，而奇次循环的光分量绕

旋转π的奇数倍角度，如图3所示。对偏振态在P₀点的任意输入光，如果旋转矢量

使其与OP₀垂直，则可得直通光分量和偶数循环光分量的偏振态保持在P₀的位置，而奇数循环的光分量则在OP反向延长线与球面的交点位置，这表明了P₀，P₂，P₄，….光分量与P₁，P₃，P₅，….光分量的偏振方向正交。即光纤环将偶次循环的光和奇次循环的光分量正交偏振分解。

令两组偏振态正交光分量的光强相等，即：

可得在不计光纤环损耗的条件下，光纤耦合器分光系数为k＝0.333.由于光纤环长度大于传输光的相干长度，因此所有被分解的光分量之间互不相干。由此可以实现对输入光的退偏。即：

对按(9)式设计的光纤环，若要实现退偏，必须使矢量

与输入光偏振态矢量P相互垂直，即

在赤道平面上旋转2ζ角度。

的旋转可通过对整个光纤环的旋转来实现，如图3所示。数学表达为：

$M_{\mathrm{total}}=R(-\mathrm{\ξ})(\sqrt{k}I+(1-k)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sqrt{k}}^{i-1}{M_1}^i)R\left(\mathrm{\ξ}\right)---\left(10\right)$

(10)式表示光纤环旋转角度ζ，则矢量

在赤道平面内旋转2ξ角度。

图2示出直通光P₀光强为k；偏振状态不发生变化；循环一周的光P₁光强为(1-k)²，偏振态改变由光纤环的偏振转换矩阵M₁决定；循环n周光P_n的光强为k^n-1(1-k)²，对应的偏振态改变由M₁ ⁿ决定。当环内光纤的弯曲设置的偏振转换为半波片性质时，M₁将光的偏振态旋转到其正交的位置。由于奇次循环的光被旋转到正交位置，而直通光和偶次循环光的偏振态保持不变，因此输入光被光纤环分解为偏振态保持不变的光分量组和光偏振态旋转到与输入光正交的光分量组。通过设置两正交光分量组的光强相等，即：

可得在不计光纤环损耗的条件下，光纤耦合器分光比为1∶2，即k＝0.333。

图3示出是理论上设计要求的光纤环的偏振转换的旋转矢量r，旋转角度Ω，与输入光偏振态P₀，及被光纤环分解的各次循环光的偏振态P₁、P₂、P₃，…..之间的关系在庞加球上的几何表示。

图4示出实际测量的输入光偏振态不同的情况下，设置偏振控制器的转动角度分别在0°、45°、90°、135°、180°的位置上，旋转光纤环180°，测量得到的输出光偏振度的变化曲线。对应输入光的每个偏振态输入光，光纤环在180°的旋转过程中，都对存在着两个旋转角度，实现对该偏振态的退偏。光纤环转动过程中，输出光偏振度呈升余弦规律变化。

图5示出检测光纤环内的光纤绕环具有半波片特性的检测系统。

图6示出不同光纤绕环的双折射特性时，旋转光纤绕环180°，输出光偏振态的变换轨迹。当8字形变化轨迹的两个圆重合时，表明绕制的光纤环具有半波片性质。

Claims (6)

1.一种单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：退偏器(5)由长度大于被退偏光相干长度的单模光纤环(3)和2×2单模光纤耦合器(4)构成，在不考虑光纤环(3)和耦合器(4)损耗情况下，光纤耦合器的优化分光比为1∶2；耦合器(4)未用输入端口与大功率输出端口分别与一端盘绕单模光纤的两端熔接构成光纤环(3)，光纤环(3)中的光纤通过盘绕方法，使光纤由弯曲和扭转引入的双折射效应具有半波片的偏振转换效应；光纤环(3)将输入光分解为直通光及不同循环次数的光分量，光纤环(3)具有将输入光进行偏振分解的功能，其中直通光和偶数次循环的光分量具有相同的偏振态，而奇数次循环的光分量具有相同的偏振态；1∶2的耦合器分光比可实现奇数次循环光分量组和偶数次循环加直通光分量组，这两组光的功率相等；对任何不同偏振态的输入光，通过扭转光纤环(3)的角度，则可使这两个偏振态正交，实现光的退偏。

2.根据权利要求1所述的单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：光纤环(3)的内部结构和半波片的偏振转换效应，在调节使用过程中保持不变，唯一的自由度是光纤环(3)的扭转角度。

3.根据权利要求1所述的单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：通过调节光纤环(3)的扭转角度，实现任意偏振态输入光的退偏，在180度的调节范围中，存在两个全退偏点。

4.根据权利要求1所述的单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：通过在光纤环(3)前面接入偏振控制器(2)，实现全偏振度可调退偏器(5)，偏振度调节范围为0到100％，调节通过扭转光纤环(3)实现；在180度的扭转调节范围内，存在两个0到100％的偏振度调节周期。

5.根据权利要求1所述的单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：考虑光纤环中光纤的损耗及光纤耦合器的损耗时，需要对耦合器的分光比进行调节。

6.根据权利要求1所述的单一自由度光纤环退偏方法，其特征在于：保证光纤环(3)内光纤绕环的偏振转换效应具有半波片偏振转换性质是退偏实现的关键；保证光纤绕环的偏振转换效应具有半波片性质的检测，可通过旋转绕制好光纤绕环，监测输出光的偏振态变换轨迹的方法来实现；具体为：当光纤绕环旋转180°时，输出光偏振态轨迹在庞加球面上为一个8字形轨迹；当8字形轨迹的两个圆重合时，光纤绕环则具有理想的半波片的性质；当8字形轨迹缩小至一个点时，光纤绕环的偏振转换为全波片性质；当8字形轨迹的两个圆的夹角为90°时，为1/4波片性质。

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