CN1018955B - 用无源光纤控制偏振态的方法及其器件 - Google Patents

用无源光纤控制偏振态的方法及其器件

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Abstract

本发明基于超模式概念，利用某种特殊的无源光纤元件对长光纤中不可预知的线偏振方向进行控制，使之转换为预定的偏振方向。这种控制在新一代相干光通信和其它一些依赖于偏振态的纤维光学系统中是一技术关键。本发明公开了制造这种器件的方法，其特点是对一双折射光纤在其拉丝过程中进行变速旋扭。本器件具有无源器件所固有的各种优点。

Description

本发明涉及光纤偏振态变换，特别是相干光通信系统中的无规偏振态控制。
为实现具有吸引力的新一代称为“相干光通信”的光纤通信系统，需解决一系列技术问题，其中单模光纤本身作为传输媒质是一个难题。这是因为，在具有圆形纤芯和包层的常规光纤中，存在着两个几乎简并的正交偏振模式，使得一个线偏振入射模式在经过一根实际的、受各种微扰影响的光纤传输线后，其偏振态变为不可预知或无规。这种偏振方向的不可预知性对相干通信系统来说特别麻烦，因为相干接收要求信号与本地振荡两者的偏振态互相匹配。
近年来，世界上好几个国家的光纤技术专家都一直在付出巨大的努力，沿着两条不同的思路和技术途径，设法克服上述困难。见T.Okoshi和T.Kimura分别于1985年和1987年在J.Lightwave    Tech.vol.LT-3    PP.1232-1237和LT-5    PP.414-428上发表的综述文章及其文末所列大量参改文献。
第一种途径的基本思想是在相干通信系统中全传输线都采用高双折射光纤，而不用常规圆结构光纤。沿着这个方向的努力，特别是日本在熊猫型长光纤的制造和传输试验方面，业已取得可观的进展。将某种类型的高双折射光纤实际用于远距离相干光通信传输线，就要求这种特殊光纤和已经成熟的常规单模光纤具有同样好的传输性能，特别是传播偏振模式的损耗要低，而且传播模式和不需要模式间的耦合要小。目前，和这种要求的差距还相当远。此外，成本问题经常是一 个决定性因素，它将判断这种全部用特种光纤作远距离传输线的技术途径是否行得通。一般说，特种光纤比常规光纤在成本上要昂贵得多。
第二种途径是仍旧利用已经成熟的常规低损耗单模光纤作传输线，而在传输线的远端接入一种偏振态控制器，用以控制不可预知的无规偏振态。这一途径受到重视，可能是受到英国邮电研究实验室（BTRL）的著名实验的启发。见Martinus    Nijhoff    1983年出版的《光波导科学》（论文集）第133页至156页，D.W.Smith等人著的“相干光纤传输系统对偏振态稳定性的要求”。实验结果表明，常规长光纤的终端偏振态虽然是不可预知的，但比想像的要稳定，其变动的时间常数在小时量级，从而使得变化的偏振态能用现有的电子学光学技术加以控制。直到现在，控制无规偏振态的各种方法都是属于有源的一类，它们全都需要某种形式的有源光电子学线路，而且，对偏振态控制特性要求越高，则所用整个电子学光学元器件的复杂精巧程度一般也越高。近年来，特别在日本、美国和英国，有源式偏振态控制器的研究与试验系统已取得很大进展，但要实现绝对无需人工辅助操作的相干光通信中的偏振态控制，看来还不是近期的事。
本发明的目的是提出解决无规偏振态控制问题的一种新的途径。其构思是在一常规光纤传输线的远端接入一种纯粹无源的光纤器件，它能将一不可预知的偏振方向完全自动地转换为某一规定好的偏振方向。为此目的而需付出的代价是约3分贝的功率牺牲。这在很多应用中是可容许的，因为相干光通信系统和目前的直接强度检波系统相比能提高15-20分贝的灵敏度。
本发明由无源光纤构成，其优点包括：尺寸小，重量轻;结构简单;工作安全可靠;成本低;不存在偏振态可控范围的限制;不存在无规偏振态时间变率的限制;寿命长等。此外，本发明所公开的被动式无规偏振态控制器还具有兼容性的优点，它不仅能用于今后新敷设 的相干光传输系统;而且对于已经敷设好的单模光纤传输线，无论是地下和海底的或是驾空的，仅在其终端和中继端接入此种偏振态控制器，即可利用相干接收的方法大幅度地提高原有系统的通信能力。这一特点，和全线用特种光纤的技术途径相比，具有很大的吸引力。
本发明的另一目的是公开一种用无源方法控制长光纤中不可预知的无规线偏振态的方法以及用此种方法制造的器件。
本发明的产生是由于发现一种由强耦合缓变为弱耦合的机制以及具有这种机制的特殊光纤结构。此结构能将一不可预知的偏振方向转换为所规定的方向。对具有任意方向角的线偏振态的两个正交分量或模式（Ax和Ay）施加以足够大的起始耦合，使两者的起始功率在一种快速变换和再变换过程中进行重新分配，从而形成两个模式功率在一平均值上下剧烈起伏或振荡。所取缓慢下降的耦合机制使这种剧烈振荡在平均值上下的波动幅度逐渐减小，最终达到一种功率在X和Y模式间几乎平均分配的状态。利用这一机制即能获得一个所需的、偏振方向固定的模式，例如Ax，它和相干接收的本地振荡相匹配，而另一不需要的模式Ay则可通过某种单偏器加以滤除。此种纯粹利用无源元件制成的光纤无规偏振控制器具有3分贝左右的功率损失。
本发明的方法其核心和特点是对双折射光纤在其拉丝过程中进行变速旋扭，其初始旋速要足够高，而此旋速逐渐降低的变率要足够缓慢。本发明对起始高旋速有相当严格的规定，相当于要求旋距/拍长比等于0.1或更小。旋速下降的函数形式以及变旋距光纤的全长，相对说无需作严格规定。但是，变旋距光纤全长应远大于拍长，两者比值可取在102量级。
本发明光纤无规偏振控制器的第一种器件组成方案是将上述变旋距特殊光纤与一单偏器相连接，以形成偏振控制器。第二种方案是采用一次性工序，即在拉制出上述变旋距光纤后，延续拉出一段不旋光 纤，使之弯卷而起单偏作用以代替上述单偏器，从而形成一无接头偏振控制器。
图1所示曲线是用以模拟耦合参数Q的变化函数，或光纤旋扭的角速度变化函数。
图2是制作本发明器件对有关参数适当配合的要求。
图3示起始耦合参数Qo对实现x和y模式功率近似等分配的影响。
图4示输出功率Px或Py和入射偏振方向角的关系以及Qo值的影响。
图5a，b，c示Px或Py在起始段、中间段和末尾段由强耦合过渡为弱耦合的演变。
图6是本发明器件的起功率等分作用的变旋距光纤结构的示意图。
图7是偏振控制器的结构示意图，它包含有两个互相连接的单元，即变旋距光纤结构和单偏器。
图8示由两段特殊光纤组成但无接头的偏振控制器的示意图，其中第一段为起功率等分作用的部分，第二段为通过弯卷而产生单偏作用的部分。
下面结合理论分析和附图对本发明加以详细描述。
纽约理工学院微波研究所（MRI）1981年出版的黄宏嘉的“耦合模与非理想波导”中指出，在局部特性沿传输方向变化的光纤结构中，本地模式（Ax，Ay）与超模式（Wx，Wy）之间存在以下变换式：
Ax＝cos ψWx+jsinψWy（1a）
Ay＝jsinψWx+cosψWy（1b）
式中    ψ＝0.5arctg（2Q）  （2）
参量Q＝c/△β代表耦合能力，c是耦合系数，△β是本地模式Ax和Ay的相位差。所有A和W的波因子exp｛j（wt-βz）｝均省去未写。
超模式满足下列微分方程：
Wx′＝jqWx-jφ′Wy（3a）
Wy′＝-jφ′Wx-jqWy    （3b）
式中符号右上角撇号（′）表示对于z的微商，所含系数可表示为
q＝π（1+4Q2）1/2（4）
φ′＝（1+4Q2）-1Q′ （5）
超模式方程（3a，b）的解，在（φ′/2q）足够小的条件下，其零级近似可以表为
Wx≈Wx（o）exp（j
Figure 88107389_IMG2
qdz） （6a）
Wy≈Wy（o）exp（-j
Figure 88107389_IMG3
qdz） （6b）
一级近似可利用迭代法导出：
Wx≌ξ｛Wx（o）[1-
Figure 88107389_IMG4
φ′ξ-2（
Figure 88107389_IMG5
φ′ξ2dz）dz]
-jWy（o）
Figure 88107389_IMG6
φ′ξ-2dz｝ （7a）
Wy≌ξ-1｛jWx（o）
Figure 88107389_IMG7
φ′ξ2dz
+Wy（o）[1-
Figure 88107389_IMG8
φ′ξ2（
Figure 88107389_IMG9
φ′ξ-2dz）dz]｝ （7b）
式中
ξ＝exp（ π（1+4Q2）1/2dz） （8）
超模式初值Wx（o），Wy（o）可由给定的本地模式初值从方程（1a，b）的反变换求得。在以上方程中z是传输方向距离倍比于模式拍长（Lb＝2π/△β）的无量纲长度。设入射光规一化振幅为1，即｜A（o）｜＝1，Ax（o）＝cosθ，Ay＝sinθ，其中θ是起始偏振方向角。
方程（1）-（8）提供了本发明中设计框架的解析基础。设计的第一步是选取用来模拟耦合参量Q的适当函数，对它的要求是从一个大的初值缓慢地下降到零。
图1所示曲线描绘了耦合参量Q的变化，或旋扭角速度τ＝2πQ/Lb的变化。所取模拟Q的函数为
Q＝Q0[0.5+0.5cos（πZ/L）]γ（9）
式中Q0≥10，L（≌102）是对拍长规一化的光纤全长，参量γ的取值 和Q的变化形式相关。
图2所示曲线规定了制作本发明器件中几个主要参量的相互配合关系。纵坐标上的数字是在Q0＝10条件下所要求的初始旋扭角速度。如要求更优的偏振控制特性，则Q0值需更高，而初始旋扭角速度亦需成比例地提高。曲线上数字是光纤拉丝线速度。
Q0的取值是本发明中一个严格规定，要求很高的初始旋扭角速度和很低的光纤拉丝线速度。不过，这一很高的旋扭角速度并不需要在整个光纤拉丝过程中持续不变，而只需要发生在开始的一段短暂的时间内，以后就不断下降了。
为实现所需的偏振控制，Q0起着决定性作用。图3示两个输出正交模式在Q0值高于10时趋于功率等分的稳定状态。图4示增大Q0值可使任一输出模式功率（｜Ax｜2或｜Ay｜2）随输入偏振角θ变化而发生的波动起伏不断减小。在Q0≥10的情况下，输出功率近似等分，而不管输入偏振角θ取何值。故如取Ax为需要模式，并使用单偏器滤除不需要模式Ay，则即使是一纯粹垂直偏振的入射光亦将在输出端变为水平偏振光，其代价为3分贝左右的功率损失。换一种方式，如单偏器滤除Ax，则一水平偏振的入射光将在输出端变为垂直偏振光。
图5示模式功率沿光纤结构的演变。在结构的初始段（a），功率演变的特点是在两个模式亦即入射偏振光的x和y分量间发生强耦合。功率的几乎全转换急剧地来回发生在两个模式之间。在中间段（b），功率在两个模式间的转换和再转换逐渐降下来，形成了从强耦合到弱耦合的过渡。末尾段（c）的特点是在两个模式间发生弱耦合，两个模式的功率接近于等分，其上下起伏在趋于终端时逐渐消失。耦合参量的起始值Q0越高，则每一模式功率和0.5间的偏差越小。
耦合参量Q的函数形式并不起主要作用。对此函数形式的不同选择虽会影响从强耦合过渡为弱耦合的传输图象的细节，但不影响两个 模式功率在输出端的最终结果。方程（9）中Q函数参量γ的取值越大，则功率的初始剧烈全转换将越早发生下降。对Q函数变化方式无严格要求，这一点从器件制造工艺的观点看是有利的，因为有关的工艺容差可以放宽。图5所用的参量为γ＝2，Q0＝10，L＝100。
用纯粹的解析法来处理，如果Q的变率或对Z的微商在O≤Z≤L的区间处处趋于极小，则超模式趋于光纤结构的本征模式。在此条件下，输出模式随着Q0的无限增大渐近地趋于下列表示式：
Ax（L）→ 2 （cosθ-jsinθ）exp（
Figure 88107389_IMG11
qdz） （9a）
Ay（L）→
Figure 88107389_IMG12
（-jcosθ-sinθ）exp（
Figure 88107389_IMG13
qdz） （9b）
由此导出理想化的功率严格等分结果：
｜Ax（L）｜2＝｜Ay（L）｜2＝0.5 （10）
特别重要的是在这个最终结果中不出现θ角，这表明功率等分状态与实际上不可预知的入射光偏振角无关。
从方程（9a，9b）可导出输出端x和y偏振模式的相位差：
Ω≌2θ+π/2+ qdz （11）
θ角在这个相位关系式中的再出现表明，如果入射光的偏振角是不可预知的，则输出的相位也变为不可预知的。这意味着，一个全部是无源结构的光纤器件，其性质本身既然是可预知的，它就只具有将某种不可预知性改变为另一种不可预知性的能力，而不能将已存在于结构中的不可预知性完全排除。相位的不可预知性对很多应用领域不成问题。例如，在一数字化频移键控FSK相干通信系统中，为避免信息损失，载波的相位特征并不要求保存，所需要的是振幅稳定的频率。
图6是本发明器件主要部分即功率等分结构的示意图。图中4是一段双折射光纤，其拍长Lb值可根据图2的规定作适当选择。1是光纤截面，2是纤芯，3是应力作用区。图6中所示为分离型应力作用区，但其它型式的双折射光纤均可使用。图6示出光纤初始段的快速 旋扭和旋扭速度沿光纤长度的逐渐减慢。图6还示出在Z＝O处的不可预知的无规线偏振A（o）和在终端Z＝L处达到的功率几乎等分的状态。
如图7所示，为使器件结构紧凑，上述起功率等分作用的光纤段4可绕在圆筒5上。圆筒5的直径要足够大以避免宏弯损耗。此光纤段4的终端与一单偏器6相接于接头7处，从而构成偏振控制器8。器件输入端9处的任意取向的线偏振光在器件输出端10处变为所需要的取向固定的线偏振光。
另一种制作本发明的光纤无规偏振控制器的方案是利用成熟的弯曲技术产生单偏作用。整个偏振控制器可通过一次工艺程序制出。第一段光纤在拉丝过程中利用变速电动机进行变速度的旋扭。在此段光纤拉丝结束后，变速电动机保持在静止状态，而光纤的直线拉丝则继续进行，到拉出第二段准备起单偏作用的光纤为止。这第二段光纤再经弯卷例如绕在一小直径圆筒13上以代替单偏器6起作用。整个器件主要由包含相继通过变速旋扭拉丝和直线拉丝并弯卷得到的两段光纤4和11无接头地连成，图8是其示意图，其中，与图7相同的标号代表相同的单元。这一方案的优点是取消了图7中的接头。图8中12表示此器件所含两段光纤的无接头连接。此方案的难点是在拍长的选择方面有较严格的要求，因不仅需考虑图2所规定的参量配合关系，还需考虑弯曲型单偏器所要求的光纤参量。
本发明的主要部分，即起功率等分作用的特殊光纤结构，亦可作为单独的光纤元件加以利用。此种元件能提供两个方向正交而功率近似等分的线偏振光源。

Claims (7)

1、一种用纯粹无源的特殊光纤结构控制一方向角不可预知的线偏振态的方法，其特征在于，采用一种由强耦合缓变为弱耦合的机制，对一双折射光纤中具有任意方向角的入射线偏振光的两个正交分量或模式施加以足够强的起始耦合，使两者的起始功率在一种快速的变换和再变换过程中进行重新分配，以形成两个模式功率在一平均值上下剧烈振荡；缓慢下降的耦合机制使上述的剧烈振荡在平均值上下的波动幅度渐减，最终达到一种功率在x和y模式间几乎平均分配的状态；利用起单偏作用的组件滤除不需要的模式，从而获得一个所需的、偏振方向固定的模式。
2、一种将无规线偏振变换为方向正交而功率等分的纤维光学元件，其特征是，它是通过使一双折射光纤预制棒在直线拉丝过程中用变速电动机对拉丝中的光纤施加初始的高速旋扭，然后将此初始旋扭高转速渐降至零而得到的一种变旋距特殊光纤。
3、一种全无源的光纤无规偏振控制器，其特征在于，它包括一根变旋距特殊光纤，还包括一个起单偏作用的组件，其中，上述起单偏作用的组件的输入端与上述变旋距特殊光纤的末端相连。
4、按权利要求3所述的光纤无规偏振控制器，其特征在于，上述变旋距特殊光纤是通过使一双折射光纤预制棒在直线拉丝过程中用变速电动机对拉丝中的光纤施加初始的高速旋扭，然后将此初始旋扭高转速渐降至零而得到的一种能将传输光线的无规线偏振态变换成偏振方向正交而其功率等分的光纤。
5、按权利要求4所述的光纤无规偏振控制器，其特征在于，进行上述初始高速旋扭时，旋距与双折射光纤的拍长比等于或小于0.1，而在电动机的旋扭转速降至零时，所得到的光纤全长远大于双折射光纤的拍长，两者比值可取在102量级。
6、按权利要求3所述的光纤无规偏振控制器，其特征在于，上述起单偏作用的组件是一个单偏器。
7、按权利要求4所述的光纤无规偏振控制器，其特征在于，上述起单偏作用的组件是一根弯卷的光纤，它是在变速电动机的旋扭转速降至零后继续进行光纤的直线拉丝而得到的光纤。
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