CN102314002B - 一种偏振控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振控制器，包括：光导入装置，偏振器和光导出装置，其特征在于，还包括旋转磁光光纤结构和磁控装置，其中，旋转磁光光纤结构，包括至少一个低速旋转磁光光纤和至少一个高速旋转磁光光纤，其中，所述的低速旋转磁光光纤用于实现偏振光的椭圆率的磁可调，使之转化为椭圆偏振光，所述的高速旋转磁光光纤用于实现椭圆偏振光的方位角的磁可调；磁控装置，用于在所述的旋转磁光光纤结构的轴线方向产生可调的外磁场。本发明的偏振控制器利用磁光材料制成的旋转光纤结构，并利用磁控装置对旋转光纤结构进行控制，能够调节入射光的椭圆率和方位角的变化，响应速度快、控制精度高，结构简单，成本较低。

Description

一种偏振控制器

技术领域

本发明属于光纤传感和光纤通信技术领域，具体涉及一种偏振控制器。

背景技术

随着高速光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，各种复杂的偏振现象逐渐凸现出来。一方面，偏振效应所引起的偏振问题，如偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)、偏振相关损耗(Polarization Dependent Los，PDL)等已成为高速光纤通信系统升级的瓶颈，另一面，偏振效应在高速光信号处理方面的优势，促使各种偏振应用技术(如偏振复用技术)迅速发展起来。无论是在偏振问题的解决还是偏振效应的应用中，偏振控制都是一个关键技术。

偏振控制器是能对输入光偏振态实现控制的光学器件。已有的偏振控制器主要包括挤压光纤型、旋转波片型及电光调制型等几种。其中，挤压光纤型的偏振控制器主要通过使用压电陶瓷等器件对光纤施加不同方向的外力，从而产生应力双折射效应来改变偏振态，其优点是结构比较简单，成本低廉，但响应速度较慢，性能不稳定，不能实现精确的控制；旋转波片型偏振控制器通过三片以上的半波片和四分之一波片级联，并用手控或电控方式旋转波片的主轴方向，以在不同方向上引入双折射，从而达到偏振控制的目的，这种方法比挤压光纤型精确，但是由于使用了波片结构，对波长较为敏感；电光调制型的偏振控制器利用液晶等晶体的电光效应引入不同方向的双折射进而控制偏振态，这类方法精度高、速度快，但是结构复杂，成本较高，波长较为敏感。在现实中，三段式光纤偏振控制器最为常用，结构简单，成本较低，但其稳定性和精度往往难以控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的偏振控制器件存在的问题，提出了一种偏振控制器。

本发明的技术方案是：一种偏振控制器，包括：光导入装置，偏振器和光导出装置，其特征在于，还包括旋转磁光光纤结构和磁控装置，其中，

光导入装置，用于将入射光导入到所述的偏振器；

偏振器，用于将导入的入射光转化为主轴偏振光；

旋转磁光光纤结构，包括至少一个低速旋转磁光光纤和至少一个高速旋转磁光光纤，其中，所述的低速旋转磁光光纤用于实现偏振光的椭圆率的磁可调，使之转化为椭圆偏振光，所述的高速旋转磁光光纤用于实现椭圆偏振光的方位角的磁可调；

磁控装置，用于在所述的旋转磁光光纤结构的轴线方向产生可调的外磁场；

光导出装置，用于导出所述的旋转磁光光纤结构的出射光。

本发明的有益效果：本发明的偏振控制器利用磁光材料制成的旋转光纤结构，并利用磁控装置对旋转光纤结构进行控制，能够调节入射光的椭圆率和方位角的变化，响应速度快、控制精度高，由于不包含波片结构，对波长不敏感，在保证性能的前提下，本发明的偏振控制器结构简单，成本较低。

附图说明

图1是椭圆率随外磁场大小变化曲线。

图2是方位角随外磁场大小变化曲线。

图3是本发明的偏振控制器结构示意图。

图4是旋转磁光光纤结构中的旋转率分布示意图。

图5是输出光椭圆率磁可调的偏振控制器结构示意图。

图6是输出光偏振态磁可调的偏振控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明提出的偏振控制器的机理是旋转磁光光纤中导波光的磁控偏振控制特性，即在外磁场的作用下偏振光的椭圆率和方位角产生变化。所谓旋转磁光光纤是指用磁光材料拉制的旋转光纤，拉制过程中将光纤按某一恒定的角速度均匀旋转。

磁光材料包括但不限于磁光玻璃，磁光晶体等具有磁光效应的光学材料。对于各向同性的磁光材料，在外磁场的作用下，入射偏振光的方位角会发生改变。方位角改变量其中V为磁光材料的费尔德常数，B是磁感应强度，L为光在磁光材料中通过的距离。费尔德常数V是表征磁光材料性能的重要参数，在BL相同的条件下，V值较大的磁光材料中偏振光可以获得较大的方位角改变。

旋转磁光光纤按旋转率大小可分为高速旋转磁光光纤和低速旋转磁光光纤。高速旋转磁光光纤指旋转率α远大于线双折射耦合系数κ_b和磁光耦合系数κ_m的旋转磁光光纤(α的大小至少是κ_b、κ_m的10²倍)。较高的旋转率将一种等效的圆对称结构引入光纤中，其效果等同于各项同性的均匀磁光光纤。因此，在磁光效应的作用下，高速旋转磁光光纤可使输入偏振光的椭圆率保持不变，而方位角随外磁场大小线性变化。

低速旋转磁光光纤指旋转率α与线双折射耦合系数κ_b和磁光耦合系数κ_m可比拟的旋转磁光光纤，这里的可比拟具体为α的大小与κ_b、κ_m的差异不超过10¹倍。在线双折射、光纤旋转和磁光效应的共同作用下，偏振光的椭圆率和方位角都会发生改变。当输入光为主轴线偏光时，合理设置旋转磁光光纤的长度、旋转率等参数，可以在一定范围内实现输出偏振光椭圆率的线性磁可调，如图1所示。与此同时，输出偏振光的方位角也随外磁场呈现近似线性的变化关系，如图2所示。

需要说明的是：高速旋转磁光光纤和低速旋转磁光光纤中的“高速”和“低速”对于本领域的普通技术人员来说，其含义是清楚的，之所以做上述说明为了更好的理解本发明。

本发明提供的偏振控制器包括五部分，分别是光导入装置，偏振器，光导出装置，旋转磁光光纤结构和磁控装置，具体如图3所示。

(1)光导入装置，用于将入射光导入到所述的偏振器。根据实际需求不同，光导入装置可以选用普通的单模光纤或者选用保偏光纤。

(2)偏振器，用于将导入的入射光转化为主轴偏振光。偏振器可以是线偏振器，也可以根据实际情况选用其它类型的光偏振器。为便于与光导入装置的耦合，可以采用光纤型光偏振器。

(3)旋转磁光光纤结构，包括至少一个低速旋转磁光光纤和至少一个高速旋转磁光光纤，该结构可以由至少一个低速旋转磁光光纤与至少一个高速旋转磁光光纤拼接而成，也可以由一个光纤拉制而成。

其中低速旋转磁光光纤用来实现偏振光椭圆率的磁可调。在主轴线偏光入射的情形下，为使偏振光椭圆率实现-1～+1范围内的连续调节，低速旋转光纤的长度应满足

其中，κ_b为旋转光纤的线双折射耦合系数。低速旋转光纤部分的旋转率α用来设置磁控偏振的工作点，在(α-κ_b)：(α+κ_b)的范围内偏振光椭圆率随外磁场大小近似线性变化。

高速旋转磁光光纤用来实现偏振光方位角的磁可调。方位角变化其中V为磁光材料的费尔德常数，B为磁感应强度，L为磁场中高速旋转磁光光纤的长度。所要实现的功能不同，L的取值也不相同。

将若干段低速旋转磁光光纤和高速旋转磁光光纤任意组合，构成的旋转磁光光纤结构可以实现各种偏振控制功能。例如，对于任意方位角的线偏振光，可以采用高速-低速-高速的组合方式，第一段高速旋转磁光光纤将任意线偏光转化为主轴线偏光，低速旋转磁光光纤将主轴线偏光转化为特定椭圆率的偏振光，第二段高速旋转磁光光纤用来控制输出椭圆偏振光的方位角。根据所需偏振控制功能的不同，可以采用不同的组合方式，而对于同一种组合方式，磁场加载方式不同，也会有偏振控制功能上的差异。

作为一个较佳的方式，旋转磁光光纤结构由一个低速旋转磁光光纤和一个高速旋转磁光光纤组成，该结构可以由一个低速旋转磁光光纤与一个高速旋转磁光光纤拼接而成，也可以由一个光纤拉制而成，具体在拉制过程中先低速旋转后高速旋转制成的一整段旋转磁光光纤，其旋转率分布如图4所示。

(4)光导出装置，用于导出所述的旋转磁光光纤结构的出射光。为降低对输出光偏振态的影响，光导出装置可以采用低双折射光纤或者各项同性光纤。

(5)磁控装置，用于在所述的旋转磁光光纤结构的轴线方向产生可调的外磁场。磁场的产生方式多种多样，由于本发明为全光纤结构，因此该装置选用通电螺线管产生磁场较为方便。旋转磁光光纤结构分为低速部分和高速部分，两部分均由磁控装置产生的磁场进行调节，根据实现功能的不同，磁控装置可以采用单控或多控两种工作方式。单控工作方式是指整个旋转磁光光纤结构使用一个统一的电流源控制磁场大小，而多控工作方式是指旋转磁光光纤结构的高速旋转光纤部分和低速旋转光纤部分分别由不同的电流源控制磁场大小，后者对磁场的控制更为灵活。

本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点：(1)采用电磁控制方式实现偏振控制，响应速度快、控制精度高。(2)采用旋转磁光光纤实现偏振光椭圆率和方位角的转化，不包含波片结构，对波长不敏感。(3)采用全光纤结构，易于同光纤系统耦合。

下面通过实施例一和实施例二进行具体说明。在实施例一和实施例二中，光导入装置和光导出装置分别为输入光纤和输出光纤。

实施例一，如图5所示，偏振控制器包括输入光纤、偏振器、旋转磁光光纤结构、输出光纤以及对应的磁控装置。该实施例中的磁控装置采用单控工作方式。该装置由两段通电螺线管组成，其中一段与旋转磁光光纤结构中的低速旋转部分等长，另一段则与高速旋转部分对应，两段通电螺线管使用同一电流源产生磁场，但是产生的磁场方向相反。具体工作过程如下：

(1)输入光经输入光纤导入偏振控制器，入射到偏振器上。

(2)入射光通过偏振器后变成主轴线偏光。

(3)两段通电螺线管使用同一电流源产生磁场，但是由于线圈绕向的不同，产生的磁场方向相反。

(4)主轴线偏光入射到旋转磁光光纤结构中，通过低速旋转光纤部分时，在螺线管1产生的外磁场作用下，其椭圆率和方位角都发生了改变，变成椭圆偏振光。

(5)椭圆偏振光通过高速旋转光纤部分，在螺线管2产生的反向磁场作用下，方位角的变化得到补偿。合理设置光纤长度及通电螺线管2的参数，可以实现方位角变化的完全补偿。即输出光椭圆率任意改变，但方位角同入射主轴线偏光保持一致。

(6)输出偏振光经输出光纤导出偏振控制器。

实施例二，如图6所示，偏振控制器包括输入光纤、偏振器、旋转磁光光纤结构、输出光纤以及对应的磁控装置。该实施例中的磁控装置采用并联磁控的工作方式，即双控方式。该装置由两段通电螺线管组成，其中一段与旋转磁光光纤结构中的低速旋转光纤等长，另一段则与高速旋转光纤对应，两段通电螺线管分别由对应的电流源产生磁场。具体工作过程如下：

(1)输入光经输入光纤导入偏振控制器，入射到偏振器上。

(2)入射光通过光偏振器后变成主轴线偏光。

(3)两段通电螺线管分别由对应的电流源产生磁场，两个磁场的大小、方向没有特定关系，控制更加方便灵活。

(4)主轴线偏光入射到旋转磁光光纤结构中，通过低速旋转光纤部分时，在螺线管1产生的外磁场作用下，其椭圆率和方位角都发生了改变，变成椭圆偏振光。

(5)椭圆偏振光通过到高速旋转光纤部分时，在螺线管2产生的磁场作用下，偏振光的方位角发生改变。通过调节螺线管1、2中的电流大小，可以实现主轴线偏光到任意偏振光的转换。

(6)输出偏振光经输出光纤导出偏振控制器。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种偏振控制器，包括：光导入装置，偏振器和光导出装置，其特征在于，还包括旋转磁光光纤结构和磁控装置，其中，

光导入装置，用于将入射光导入到所述的偏振器；

偏振器，用于将导入的入射光转化为主轴偏振光；

旋转磁光光纤结构，包括至少一个低速旋转磁光光纤和至少一个高速旋转磁光光纤，其中，所述的低速旋转磁光光纤用于实现偏振光的椭圆率的磁可调，使之转化为椭圆偏振光，所述的高速旋转磁光光纤用于实现椭圆偏振光的方位角的磁可调；所述的高速旋转磁光光纤具体指旋转率α远大于线双折射耦合系数k_b和磁光耦合系数κ_m的旋转磁光光纤，其中，α的大小至少是k_b、κ_m的10²倍；所述的低速旋转磁光光纤指旋转率α与线双折射耦合系数k_b和磁光耦合系数κ_m可比拟的旋转磁光光纤，其中，可比拟具体为α的大小与k_b、κ_m的差异不超过10¹倍；

磁控装置，用于在所述的旋转磁光光纤结构的轴线方向产生可调的外磁场；

光导出装置，用于导出所述的旋转磁光光纤结构的出射光。

2.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述磁控装置采用单控或多控两种工作方式，所述单控工作方式具体为：所述旋转磁光光纤结构使用一个统一的电流源控制磁场大小；所述多控工作方式具体为：所述旋转磁光光纤结构的高速旋转光纤部分和低速旋转光纤部分分别由不同的电流源控制磁场大小。

3.根据权利要求1或2所述的偏振控制器，其特征在于，所述的低速旋转光纤的长度 $L=\mathrm{\π}/\left({\mathrm{\κ}}_b\sqrt{2}\right).$

4.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述的旋转磁光光纤结构由一个低速旋转磁光光纤和一个高速旋转磁光光纤组成。

5.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述的光导入装置为单模光纤或保偏光纤。

6.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述的偏振器为光纤型光偏振器。

7.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述的光导出装置为低双折射光纤或各项同性光纤。

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