CN1044041C - 用作无源光纤偏振态控制器和变换器的光纤器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本专利申请将揭示所发明的无源特种光纤器件，它既具有控制无规线偏振态的功能，亦具有变换偏振态之功能。后一功能类似于传统块状光学中的波片，但又与块状波片有基本的不同，特别是其宽频带特性。此种光纤器件其一端为准各向同性，另一端为双折射性，两端间为缓变过渡。在本专利申请中，还将揭示制造所发明器件的工艺方法。

Description

用作无源光纤偏振态控制器和变换器的光纤器件及其制造方法

本发明涉及一种用作无源光纤偏振态控制器和变换器的光纤器件及其制造方法。

所谓常规“单模”光纤，实际上是双模光纤，因为沿光纤可传输空间正交的两个几乎简并的模。在这两个模之间，由于环境因素如温度和微弯等影响，很容易发生耦合，或功率转换，给光纤传输带来麻烦，造成传输性能的不稳定。用偏振态的语言描述，传输模的不稳定也就是偏振态的不稳定。

所谓“保偏”光纤，通常是指保持线偏振态的光纤，其保偏特性要求所传输的线偏振光始终工作在光纤的一个主轴上。若线偏振光不是在主轴上传输，则所谓“保偏”光纤并不起保偏作用，其偏振态即使在理想的不受外界干扰的条件下也沿光纤长度不断变化。从七十年代末以来，文献中已提出过，用扭力旋转光纤的方法可制出保持圆偏振态或“保圆”光纤，但由于光纤的强度远远不够，在未达到所需扭率之前光纤即已被扭断，因而此种“保圆”光纤迄今未能实现。

光纤偏振态对环境因素的敏感性既给光纤传输带来麻烦，但也为利用光纤制成各种传感器(包括陀螺)提供了条件。在通信和非通信(包括各种传感器、法拉第旋转器和陀螺等等)光纤系统中，经常要求对光的偏振态加以控制，或将某一偏振态变换为另一偏振态。在实用的光纤系统中，简单而又无需人工调整的偏振态控制器和变换器具有特别的优越性。然而，直到本发明被公开以前，已知的各种偏振态控制和变换方法与器件(绝大多数是有源的)都不能完全作到既简单而又不用人工调谐的要求。中国专利申请书公开号CN1042242A和美国专利4,943,132公开了本发明器件在控制无规线偏振态方面的功能。

本发明的目的在于提供一种在变换偏振态方面具有多种功能的光纤器件。

本发明的另一目的在于提供该光纤器件的制造方法

本发明所述的光纤器件包含有一段或多段结构作缓慢变化的光纤，其中每段缓变光纤的一端为准各向同性，另一端为双折射性。

本发明所述的方法以可变转速旋扭双折射光纤，使其快速旋扭部分成为准各向同性，而不旋扭部分为双折射性，快速旋扭的旋距与不旋扭状态下双折射光纤拍波长之比等于或小于0.1，且光纤器件中的主体部分，即不包括延长线在内的缓变扭转光纤，其每段的长度与光纤拍波长之比是在10²的量级。

图1示本发明器件控制无规线偏振光的功能。

图2示本发明器件将特定方向角的线偏振光变换为圆偏振光的功能。此功能为将不同方向角的线偏振光变换为不同椭度的椭偏振光的一个特例。

图3示本发明器件将圆偏振光变换为工作在主轴上的线偏振光的功能。

图4示本发明器件的二单元特定组合可在组合器件的两端完成保持圆偏振态的功能，或“保圆”的功能。

图5示本发明器件的二单元特定组合可在组合器件的两端完成保持二线偏振态间夹角的功能，或“保角”的功能。

下面，参照附图说明本发明的实施例。

本发明器件系一种特殊的变参量光纤结构，描述其传输特性的变系数微分方程组很难用纯粹的解析方法求得其解析的表达式。恰巧在极限情况下，可导出既简单而又有用的渐近解析解。根据中国专利申请书公开号CN1042242A和美国专利4,943,132中的(10)和(11)式，输入线偏振光不管它的方向角θ为何，在通过所发明的特殊光纤后，输出光的两个正交分量A_x(L)和A_y(L)的功率都将近似等分，而与输入线偏振光的方向角无关。A_x(L)和A_y(L)的振幅(或功率)和两者间相位差Ω的渐近式可表为：

        |A_x(L)|²|A_y(L)|²≌0.5         (1) $\mathrm{\Ω}\≅\±2\mathrm{\θ}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\ρ}---\left(2\right)$ 式中结构参量

  ρ=∫^L _υπ(1+4Q²)^1/2dZ,Q=τL_b/(2π)=L_b/L_s,τ和L_b分别为光纤的旋扭角速度和光纤在不旋扭状态下的拍波长，L_s是旋距，L是光纤全长，Z是光纤轴向座标。(2)式右边前两项的上符号(-,+)和下符号(+,-)分别指光纤旋扭方向为顺时针和逆时针。

渐近式(1)中既不含θ，又不含ρ(L_a,L_b,L)，这是一个极为巧妙而又非常有用的解析结果，它意味着所发明的特殊光纤器件可控制一不可预知的无规线偏振态而不管其方向角为何；同时此种控制功能在渐近条件下又不依于光纤结构的任何参量，意味着所发明的器件是一种既简单而又现实的器件。图1是本发明器件控制无规线偏振态的示意图。图中所标数字：4代表一段变旋距光纤，1是光纤截面，2是纤芯，3是应力作用区。图中所示为分离型应力区，但其它型式的双折射光纤均可使用。

但方向角θ和结构参量ρ(L_s,L_b,L)却出现在相位差Ω的渐近表示式中。这就揭示出：当输入线偏振光取不同方向角时，输出光成为任何偏振态都是可能的，因为输出光的两个空间正交分量之间的相位差Ω可能取任何值。对于一给定的光纤器件，结构参量ρ(L_s,L_b,L)是常量，故根据渐近式(2),Ω仅随2θ变化。这就揭示出所发明器件除作为偏振态控制器外的另一方面即作为偏振态变换器的应用。

应用实施例之一是，调变输入线偏振光的方向角，可获得具有不同椭圆度的椭圆偏振光，此输出光的所有振动椭圆均限括在边长和局部坐标轴(x,y)相平行的单位正方形内；椭圆的长轴和短轴分别位于此正方形的两个对角线上。输出光的振动椭圆中包含线偏振态和圆偏振态为其两个极限特例。

设输入线偏振光的方向角为ξ时，输出光恰好亦是在线偏振态，则在ξ变为ξ+Δξ时，设输出光的椭圆半长轴和半短轴分别为a和b，则有下列关系式： $\frac{b}{a}=\{\frac{1-\cos \[4\left(\mathrm{\Δ\ξ}\right)\]}{1+\cos \[4\left(\mathrm{\Δ\ξ}\right)\]}{\}}^{1/2}---\left(3\right)$ 输出光为线偏振态的特殊情况是(b/a)=o,Δξ=±0.5nπ,n=0,1,2…；输出光为圆偏振态的另一特殊情况为(b/a)=1,Δξ=22.5±0.5nπ,n=0,1,2…。输入端Δξ在0°和22.5°之间的变化范围覆盖了输出端限括在单位正方形内的所有椭圆的范围。根据(3)式可获得一连续可调的偏转态变换器或偏振态发生器。

设欲得输出光的偏振态椭圆度为b/a，则所需的Δξ角为：

Δξ=0.25arc cos{〔1-(b/a)²〕/〔1+(b/a)²〕}    (4)

(1)-(4)式是从耦合模式理论得出的解析结果。从庞加勒球上看，本发明之特异光纤其作用是将球上的赤道圆经过一系列连续不断而逐渐倾斜的螺形大圆转换为球上的子午圆，因而，对于线偏振态的输入光，不管其偏振方向为何，经过本发明器件后都在输出端的x和y方向得到功率等分的两个分量或幅度相等的两个空间正交模式，亦即在x或y方向都可得到稳定的偏振光，其代价是3分贝的功率损失。另一方面，输出端两个分量间的相位角差则依赖于输入线偏振光的方向角，故输出光在一般情况下为椭圆偏振，包括线偏振和圆偏振这两种情况为其特例。图2示本发明器件将特定方向角的线偏振光变换为圆偏振光。图中所标数字的意义和图1中相同。

应用实施例之二，是将圆偏振态变换为主轴方向的线偏振光。设光纤旋扭方向为顺时针，则右旋圆偏振光变换为主轴x方向的线偏振光，其渐近解可表为： $A\left(O\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ j\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}---\left(5a\right)$ $A\left(L\right)\≅\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]e^{\mathrm{jp}},\mathrm{\ρ}=\underset{0}{{\∫}^L}\mathrm{\π}(1+{4Q}^2{)}^{1/2}\mathrm{dz}---\left(5b\right)$ 而左旋圆偏光则变换为主轴y方向的线偏光，其渐近解可表为： $A\left(O\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ -j\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}---\left(6a\right)$ $A\left(L\right)\≅\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]e^{-\mathrm{jp}}---\left(6b\right)$ 在(5a)和(6a)式中，右边的

是规一化因子。在(5b)和(6b)式中，右边的指数函数是相位因子，此因子与光纤结构参量有关，但不影响输出光为主轴方向线偏振光的基本特性。

若设光纤旋扭方向为逆时针，则右旋和左旋圆偏振光分别变换为主轴y方向和x方向的线偏振光。图3示本发明器件将圆偏振光变换为工作在主轴上的线偏振光。

本发明器件在相反方向运用，即以不旋扭光纤端为输入端，而以快速旋扭光纤端为输出端，则所表现的偏振态变换功能亦相反，即：

将功率等分于输入端局部二正交偏振模的光，在输出端变换为线偏振光，其方向角满足关系式(2)；

将主轴x或y方向的线偏振光变换为右旋或左旋圆偏振光；光纤旋扭方向的改变是使左右旋互换。

在上述偏振态变换的意义下，本发明器件是可逆的。但本发明器件在反方向运用，即在其输入端为不旋扭光纤而输出端为快速旋扭光纤的情况下，不具有控制无规线偏振态的功能，即不具有将无规线偏振态变换为功率等分于输出端局部二正交偏振模的功能。

两节或多节所发明器件串联而成的组合器件，具有多种基本的且有实用价值的偏振态变换。为描述明确起见，以无括弧的+,-符号分别代表正向运用(即以快速旋扭端为输入端)和负向运用(即以不旋扭端为输入端)的单元光纤器件，并以有括弧的(+),(-)符号分别代表光纤的变速旋扭是在顺时针方向和逆时针方向，则所发明的单元器件具有四种不同运用型式，分别标为+(+),+(-),-(+),-(-)。双节组合器件则共有4×4=16种运用型式。从实用的观点看，重要的是其中偏振态变换功能不受光纤结构参量影响的型式，尤其是其中在工艺上又可一次制成而无需熔接接头的组合器件。

例一：由正向运用单元+(+)与负向运用单元-(+)串联而成的组合器件。整个器件的变速旋扭(从快到慢，经过零，又从慢到快)始终是在顺时针方向。此种组合器件可一次连续地制成，而无需熔接接头。其偏振态变换功能为，

其一，将输入的右旋(或左旋)圆偏振态在组合器件的输出端仍恢复为右旋(或左旋)圆偏振态，即其渐近解可表示为： $A\left(O\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ \±j\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}---\left(7a\right)$ $A(L_1+L_2)=\left[\begin{array}{c}1\\ \±j\end{array}\right]\frac{1}{\sqrt{2}}{e}^{j({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2)}---\left(7b\right)$ 式中，L₁和L₂分别为前后二单元器件所含的光纤长度，且 ${\mathrm{\ρ}}_1={\∫}_0^{L_1}\mathrm{\π}(1+{4Q}_1^2{)}^{1/2}\mathrm{dz}---\left(8a\right)$ ${\mathrm{\ρ}}_2={\∫}_{L_1}^{L_2}\mathrm{\π}(1+{4Q}_2^2{)}^{1/2}\mathrm{dz}---\left(8b\right)$

(7a)和(7b)式揭示出，输出光与输入光差一与光纤结构有关的相位因子，但此因子并不影响光的圆偏振态性质，亦即整个组合器件在其输入与输出两端完成“保圆”的功能。圆4示本发明的组合器件的“保圆”功能。图中所示数字1,2,3,4均与图1中相应数字相同，数字5代表不旋扭光纤延长线。

其二，将输入线偏振态在输出端仍变换为线偏振态，其渐近解可表示为： $A\left(O\right)=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(9a\right)$ $A(L_1+L_2)=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ξ}\\ \sin \mathrm{\ξ}\end{array}\right]---\left(9b\right)$ 式中

          ζ=θ+ρ₁+ρ₂    (10)右边后两项由(8a)和(8b)式表示。设输入线偏振态的方向角从θ₀变为θ₀±Δθ，相应的输出线偏振态方向角从ζ变为ζ±Δζ，则根据(10)式，二方向角的变量相等，且同符号，即

          Δθ=Δζ        (11)此式揭示出，所发明的组合器件具有“保角”的功能，即在其输入与输出端保持二线偏振态间夹角的功能，且此功能与任一线偏振态的方向角无关，亦与光纤的结构参量无关。图5示本发明的组合器件的“保角”功能。在上述例一中，如将器件中光纤的旋扭方向由顺时针(+)改为逆时针(-)，即构成由单元+(-)和单元-(-)串联而成的无接头组合器件，此器件将具有上述的全部功能。

在本发明器件中，无论单元器件或组合器件中的每一单元器件，其两端均可有引线(或延长线)，此引线的结构特性沿传输方向不变且与有关纤端的局部特性相同。例如，在上述例一中，两端均可有一定长度的恒定快速旋扭的引线，而中间则有一定长度的不旋扭双折射光纤延长线。此种光纤引线或延长线不影响光纤器件的偏振态变换功能。

例二，将单元+(+)与单元-(-)相串联，或将单元+(-)与单元-(+)相串联而构成的无接头组合器件，具有以下的偏振态变换功能：

其一，将右旋(或左旋)圆偏振态变换为左旋(或右旋)圆偏振态，即完成“保圆”而反旋的功能；

其二，将线偏振态仍变换为线偏振态，但二者的方向角则不同，后一方向角与光纤的结构参量有关。若入射线偏振态转Δθ角，则出射线偏振态转-Δθ角，且此特性与光纤结构参量无关，故组合器件完成反“保角”的功能。

例三，将单元-(+)与+(+)相串联，或将单元-(-)与+(-)相串联而构成的无接头组合器件，可将主轴x或y方向的线偏振光仍分别恢复为主轴x或y方向的线偏振光，仅差一与结构参量有关的相位因子。

例四，将-(+)与+(-)或-(-)与+(+)相串联，可将水平(或垂直)主轴方向的线偏振光变换为垂直(或水平)主轴方向的线偏振光，即起着偏振模耦合的功能。此种组合器件在二单元串联处有一熔接点。

例五，用一个单元器件-(+)或-(-)完成上述的水平→垂直或垂直→水平偏振态变换，其方法是在输出端利用反射面将出射的右旋或左旋圆偏振态分别变为左旋或右旋圆偏振态，然后光朝相反传输方向返回输入端。此种利用终端反射的单元器件不含熔接点。

以上诸例揭示出，本发明的单元和组合光纤器件其偏振态变换特性与传统光学中的块状波片(

波片、半波片、全波片)的特性相似，但两者又非完全对应，特别是，块状波片是窄频带器件，而本发明器件则系宽频带器件。

将二条或多条本发明的特殊光纤(单元结构或组合结构)，在光纤之快速旋扭部分使之结合(例如，用局部熔融的方法)，可构成特殊的耦合结构，或耦合器，此种器件在其结合的快速旋扭部分发生处于圆偏振态的局部本征超模式之间的耦合，从而避免了用双折射光纤制做线偏振态耦合器的一个麻烦问题，即将光纤结合部分的主轴加以对准的问题。

制造本发明器件的工艺方法，根据器件所要求的结构特征，其主要程序是变速旋扭双折射光纤，使其快速旋扭端成为准各向同性，而不旋扭部分为双折射性，中间则为旋速缓变的过渡。此种被旋扭的光纤可用变速旋扭预制棒进行拉丝而制成，亦可对已拉成的双折射光纤沿其长度进行局部加热并加以变速旋扭而制成。在中国专利申请书公开号CN 1042242A和美国专利4,943,132中已公开了制造本发明器件的第一种工艺方法，即变速旋扭双折射预制棒的方法。本专利申请又揭示制造本发明器件的第二种工艺方法，其特点是无需预制棒而以双折射光纤为原材料，用一微加热器沿此光纤进行局部加热，同时变速旋扭光纤。上述中国专利申请书和美国专利中已公开的图1-6对两种工艺方法同样适用；图上凡代表第一种方法中直线拉丝速度的符号和数字，对第二种工艺方法则代表微加热器沿光纤的直线走速。这两种工艺方法，第一种工艺方法既适用于制造本发明的单元光纤器件，也适用于连续一次性制造含长延长线和多个单元器件的组合器件；而第二种工艺方法则特别适用于制造单元器件或全长不长的光纤器件。后一方法的优点是设备简单，制品成本低。

在本专利申请书中，揭示了发明思想，列举了所发明器件的若干型式及应用例；但本发明之应用则不限于所举之例。基于本发明的思想而可显而易见得出的推理，亦属本发明之权利要求范围。

Claims (13)

1．一种用作偏振态控制器和变换器的光纤器件，其特征是，上述器件包含有一段或多段结构作缓慢变化的光纤，其中每段缓变光纤的一端为准各向同性，另一端为双折射性。

2．按权利要求1所述的用作光纤偏振态控制器和变换器的光纤器件，其特征是，输入端是快速旋扭双折射光纤而形成的准各向同性光纤，逐渐缓慢过渡到输出端而成为不旋扭的双折射光纤。

3．按权利要求1所述的光纤器件，其特征是，输入端是不旋扭的双折射光纤，逐渐缓慢过渡为快速旋扭的光纤输出端。

4．按权利要求1所述的光纤器件，其特征是，输入端为快速旋扭端，旋扭转速沿传输方向逐渐缓慢降低到零，再经过一定长度的不旋扭双折射光纤延长线，然后将旋扭转速又从零逐渐缓慢上升到规定值。

5．按权利要求1所述的光纤器件，其特征是，输入端为快速旋扭端，旋扭转速沿传输方向逐渐缓慢降低到零，再经过一定长度的不旋扭双折射光纤延长线，然后作相反方向的旋扭，使转速从零逐渐缓慢提高到规定负值。

6．按权利要求1所述的光纤器件，其特征是，输入端是不旋扭的双折射光纤，沿光纤逐渐缓慢提高旋扭速度到规定值，再经过一定长度的恒速旋扭双折射光纤延长线，然后将旋扭转速从快速值逐渐缓慢下降到零。

7．按权利要求1所述的光纤器件，其特征在于，快速旋扭的旋距与不旋扭状态下双折射光纤拍波长之比等于或小于0.1，且光纤器件中的主体部分，即不包括延长线在内的缓变扭转光纤，其每段的长度与光纤拍波长之比是在10²的量级。

8．一种制造用作光纤偏振态控制器和变换器的光纤器件的工艺方法，其特征是，以可变转速旋扭双折射光纤，使其快速旋扭部分成为准各向同性，而不旋扭部分为双折射性，快速旋扭的旋距与不旋扭状态下双折射光纤拍波长之比等于或小于0.1，且光纤器件中的主体部分，即不包括延长线在内的缓变扭转光纤，其每段的长度与光纤拍波长之比是在10²的量级。

9．按权利要求8所述的工艺方法，其特征在于，在用双折射光纤预制棒进行拉丝的同时，以缓变转速旋扭拉丝中的光纤，使其快速旋扭部分成为准各向同性，而不旋扭部分为双折射性。

10．按权利要求8所述的工艺方法，其特征在于，以双折射光纤为原材料，用微加热器沿光纤作直线运动，同时变速旋扭被局部加热的光纤，使其快速旋扭部分成为准各向同性，而不旋扭部分为双折射性。

11．按权利要求3中所述的光纤器件，其特征在于，在其输出端以一反射镜面将输出光反射回输入端，其传输功能是将水平或垂直线偏振光变换为垂直或水平线偏振光，即起着耦合二正交偏振模的作用。

12．按权利要求2或3中所述的光纤器件，其特征在于，将从零到快速正旋扭的双折射光纤与从快速负旋扭逐渐缓变到不旋扭的双折射光纤在正负快速旋扭点串接所构成的光纤偏振态变换器。

13．根据权利要求1所述的光纤器件，其特征是由二条或多条变旋距光纤在其快速旋扭部分结合而成的耦合结构或耦合器。

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