CN104317072A - 一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种消除法拉第旋转器旋转角与波长和温度相关的法拉第旋转镜。它是将被法拉第旋转器作用后的旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量除去，使各波长剩余的光都处于相同的单一方向的线偏振态，从而消除由法拉第旋转器的波长温度相关而引起的法拉第旋转镜的光的旋转角度变化，使法拉第旋转镜的输出光的偏振态与波长温度无关。本发明的优点是能够消除任何种类旋光晶体导致的法拉第旋转器旋转角度色散及温度相关的影响，它适用于任何使用法拉第旋光晶体的场合。

Description

一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜
技术领域
本发明属于光纤传感和光纤通讯领域，更具体地涉及一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的法拉第旋转镜。
背景技术
光信号解调为了达到高分辨力，一般都使用干涉式解调方法，光纤干涉仪的研制是一项关键技术。保偏光纤价格高昂，且保偏耦合器在有些关键技术上还不是很完善，限制了其应用。普通单模光纤由于双折射效应，干涉仪两臂的偏振态会随机变化，导致输出干涉信号的可见度随之变化，此即为偏振诱导信号衰落效应。
光信号进行干涉式解调时，干涉条纹可见度的波动将直接影响解调结果的稳定性，因此，光纤干涉仪的偏振控制已成为影响光信号解调器件的一个关键问题。国内外已提出多种消除偏振诱导信号衰落的方法，其中利用法拉第旋转镜进行双折射补偿的方法可得到良好的消偏效果。然而由于法拉第旋转晶体材料固有的旋转角度色散和温度相关特性，使得上述补偿方法无法对宽带波长和大温度范围同时有效。专利号为CN102906629A和CN103885195A的发明专利利用透镜、双折射元件等成功地克服了法拉第旋转晶体的波长温度特性带来的不良影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，将法拉第旋转器作用后的旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量消除，使剩下的各波长的光都具有相同的线偏振态，从而消除由法拉第旋转器旋转角度与波长、温度相关引起的法拉第旋转镜对光的旋转角度随波长变化以及温度引起的旋转角度随温度变化的影响，使法拉第旋转镜与波长无关、与温度无关。
本发明的技术方案是：光束交汇器将偏振分光器出射的两束光在反射镜处光路交换，光束各自沿对方光路反向传输，偏振分光器将法拉第旋光晶体两次同向旋转后的偏振光重新合并到入射主光路，同时使其中旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量偏离主传输光路，从而消除法拉第旋转器与波长温度相关的旋转角度的影响，使法拉第旋转镜与波长和温度无关。
本发明较好的技术方案是：光路经过光输入耦合元件、偏振分光器、双折射晶体偏振光束交汇器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、双折射晶体偏振光束交汇器、偏振分光器至光输入耦合元件。被偏振分光器分出的两光束经过双折射晶体偏振光束交汇器后两束光沿对方的路经反向传输，两次经过法拉第旋转器后两束光的电场振动面旋转接近90度，反向进入偏振分光器后两束光被在空间重新合并，而两束光旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量光则被在空间拉大传输角度和距离，无法沿主光路传输，消除了旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量对主光路光偏振态的影响，实现了各种波长都具有相同的偏振态输出。
本发明更好的技术方案是：上述技术方案中所述的偏振分光器是偏振分光光学干涉薄膜元件、或是双折射晶体元件、或是双折射晶体复合元件的同时,双折射晶体偏振光束交汇器也是双折射晶体元件、或双折射晶体复合元件；或者，上述技术方案中所述的偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器二者的复合元件是复合双折射晶体元件。做为偏振分光器的偏振分光光学干涉薄膜元件或双折射晶体元件或双折射晶体复合元件包括但不限于沃拉斯顿(Wollaston)棱镜偏振器，偏振光束偏移器(PBD Polarization Beam Displacer)，洛匈(Rochon)棱镜,尼科尔(Nicol)棱镜，双折射楔角片(BirefringentCrystal Wedge)，塞拿蒙棱镜(Senarmont Prism)或诺马斯基棱镜(Nomarski Prism)；做为双折射晶体偏振光束交汇器的双折射晶体元件或双折射晶体复合元件包括但不限于沃拉斯顿(Wollaston)棱镜偏振器，偏振光束偏移器(PBD Polarization Beam Displacer)，洛匈(Rochon)棱镜,尼科尔(Nicol)棱镜，双折射楔角片(Birefringent Crystal Wedge)，塞拿蒙棱镜(Senarmont Prism)或诺马斯基棱镜(Nomarski Prism)；做为偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器二者的复合元件的复合双折射晶体元件包括但不限于诺马斯基棱镜(Nomarski Prism)。
由于双折射晶体偏振光束交汇器的双折射晶体元件或双折射晶体复合元件仅对不同的偏振态产生不同的偏折作用，因此这种对不同偏振态的偏折作用与不同偏振态光束在空间的能量分布无关。
诺马斯基棱镜是由两块双折射晶体楔角组成的复合晶体,多应用于微分干涉相衬显微镜。诺马斯基棱镜对两束偏振光的交汇作用仅依赖于所偏折光的偏振方向，与两束偏振光的高斯光束能量空间分布无关，即便是这两束光的能量空间有重合，它依旧可获得很高的偏振消光比，诺马斯基棱镜的偏振消光比仅取决于双折射晶体本身的消光比,诺马斯基棱镜构成的法拉第旋转镜的消光比不受寻常光和非寻常光高斯光束能量空间分布限制。而透镜或菲涅耳双棱镜做为光束交汇器构成的法拉第旋转镜消光比则依赖于光能量的空间分布，透镜或菲涅耳双棱镜的光束交汇器则要求已分开的两束正交偏振光相距足够的空间位移量，比如需要超过高斯分布的模场直径两倍以上，才能获得较高的消光比。法拉第旋转镜的消光比受制于两束正交偏振光的空间位移量大小，使用较大尺寸的双折射材料才能获得较大的正交偏振光的位移量。
为实现上述方法，本发明采用下述法拉第旋转镜实现。
本发明一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、双折射晶体偏振光束交汇器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、双折射晶体偏振光束交汇器、偏振分光器、由光输入耦合元件原路反向输出。
本发明另一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的复合元件、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的复合元件、由光输入耦合元件原路反向输出。
本发明中提到的法拉第旋转器:是利用磁光效应将光的偏振方向旋转的光学器件。法拉第旋转器通常包含非互易性磁光晶体和为晶体提供饱和磁场的永久磁体。
本发明能够完全消除法拉第非互易旋光晶体的旋转角度色散以及旋转角度与温度相关对法拉第旋转镜旋转角的影响。本发明的第一个优点是能够消除任何种类法拉第旋光晶体的旋转器旋转角度色散及温度相关的影响，第二个优点是可以适用于任何使用法拉第旋光晶体的场合，第三个优点是消除法拉第旋转器旋转角度色散及温度相关的能力只取决于偏振分光器本身，与其它元件无关。
附图说明
图1为法拉第晶体的角度色散曲线图
图2为法拉第晶体的角度温度相关曲线图
图3为诺马斯基棱镜的结构示意图
图4为寻常光和非寻常光的光强度高斯分布示意图
图5为本发明的实施例1的结构示意及光路图
图6为本发明实施例1的传输光束的偏振状态图之一
图7为本发明实施例1的传输光束的偏振状态图之二
图8为本发明实施例1的传输光束的偏振状态图之三
图9为本发明的实施例2的结构示意及光路图
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做详细描述：
图1是非互易性法拉第磁光晶体在饱和磁场作用下，其对线偏振光的旋转角和波长的色散关系，一定温度下，波长越长，旋转角越小。
图2是非互易性法拉第磁光晶体在饱和磁场作用下，其对线偏振光的旋转角和温度的关系，对一定波长，温度越高，旋转角越小。
图3是诺马斯基棱镜的结构示意图，由两块双折射晶体楔角组成的复合双折射晶体，图中的箭头分别示意了两块双折射晶体楔角的光轴方向，一个平行纸面，另一个垂直纸面。
图4是寻常光和非寻常光的光强度高斯分布示意图，示意了寻常光和非寻常光在光路中一定距离上的光能量部分重叠情况。
[实施例1]
图5中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器11，一个诺马斯基棱镜12，其光轴X1与x轴一致,其光轴X2处于y-z平面内，一个法拉第旋转器13，一个介质光学薄膜平面反射镜14。
图5中从单模单光纤准直器11出射的光线100，沿直角坐标系z轴传输，射到诺马斯基棱镜12上先是分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光寻常光111和非寻常光121，经过棱镜的两块楔角界面时又汇聚，经由法拉第旋转器13，振动面均旋转约45度，成为束光112和122，并相交于平面反射镜14，光束112和122分别地成为反射光113和123，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光113和123第二次通过法拉第旋转器13，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为114和124，进入诺马斯基棱镜12后，光束124被诺马斯基棱镜12分为非寻常光125和寻常光126，光束125来自光束124中的y-z面内的偏振分量，光束114被诺马斯基棱镜12分为寻常光115和非寻常光116，光束115来自光束114中的x轴方向的偏振分量，光束116和126在空间上被合并，离开诺马斯基棱镜12后成为光束200，而光束115和125则在空间上分开了距离，偏离了主光束200，最后光束200耦合到单模单光纤准直器11。
本实施例中的诺马斯基棱镜12同时起到了偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的作用。
图5中光线的传输过程位置(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)横截面处所对应的偏振态依次在图6、图7、图8中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。
[实施例2]
图9中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器21，一个偏振光束偏移器22，其光轴X3处于y-z平面内，一个沃拉斯顿棱镜23，其光轴X4平行x轴，光轴X5处于y-z平面内，其棱边平行于x轴，一个法拉第旋转器24，一个介质光学薄膜平面反射镜25。
图4中从单模单光纤准直器21出射的光线300，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器22上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光311和寻常光321，通过沃拉斯顿棱镜23后汇聚，经由法拉第旋转器24，振动面均旋转约45度，成为汇聚的两束光312和322，并相交于平面反射镜25，光束312和322分别地成为反射光313和323，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光313和323第二次通过法拉第旋转器24，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为314和324，通过沃拉斯顿棱镜23后，光束324被偏振光束偏移器22分为寻常光325和非寻常光326，光束325来自光束324中的x轴方向的偏振分量，光束314被偏振光束偏移器22分为非寻常光315和寻常光316，光束315来自光束314中的y-z面内的偏振分量，光束316和326在空间上被合并，离开偏振光束偏移器22后成为光束400，而光束315和325则在空间上分开了距离，偏离了主光束400，最后光束400耦合到单模单光纤准直器21。
沃拉斯顿棱镜23起到了双折射晶体偏振光束交汇器的作用。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。

Claims (6)

1.一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、双折射晶体偏振光束交汇器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、双折射晶体偏振光束交汇器、偏振分光器，由光输入耦合元件原路反向输出。
2.根据权利要求1所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是：所述的双折射晶体偏振光束交汇器是双折射晶体元件或双折射晶体复合元件。
3.根据权利要求2所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是：所述的双折射晶体元件或双折射晶体复合元件是沃拉斯顿棱镜偏振器，偏振光束偏移器，洛匈棱镜,尼科尔棱镜，双折射楔角片，塞拿蒙棱镜或诺马斯基棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是：所述的偏振分光器是偏振分光光学干涉薄膜元件、双折射晶体元件或双折射晶体复合元件。
5.一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的复合元件、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的复合元件，由光输入耦合元件原路反向输出。
6.根据权利要求5所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是：所述的偏振分光器和双折射晶体偏振光束交汇器的复合元件是是诺马斯基棱镜。
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