CN116324549A - 包括偏振控制器的光学系统和操作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学系统，包括：(i)光源，(ii)至少一个偏振控制器，定位在光源下游，并且包括：光纤和围绕光纤的载体，该载体包括具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且接触通孔的至少一个坍缩区域，(iii)耦合至偏振控制器的至少一个光纤；以及(iv)定位在至少一个光纤下游的至少一个光学检测器。

Description

包括偏振控制器的光学系统和操作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119要求于2020年7月31日提交的美国临时序列第63/059604号的优先权的权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。

背景技术

本公开总体上涉及偏振控制器，并且更具体地涉及利用具有偏移通孔的载体和定位于其中的光纤的动态偏振控制器、包括此类控制器的光学系统及其操作方法。

当前的偏振控制器利用应力引起的(stressed-induced)双折射将初始偏振态(SOP)旋转至期望的输出SOP。然而，此类偏振控制器通常有损耗、不可靠，并且导致长期光纤疲劳和断裂。此外，此类偏振控制器要么(i)将外力直接施加到光纤上(例如，在旋转光纤之前直接挤压光纤)以引起双折射，这通常会对光纤造成相当大的损坏；或者(ii)涉及制造包括平面波导并利用电光技术旋转偏振的偏振控制器，从而增加功耗，并由于耦合和激活而产生损耗。

不承认本文所引用的任何参考构成现有技术。申请人明确保留质疑任何所引用文件的准确性和相关性的权利。

发明内容

本公开的一个实施例涉及光学系统，包括：

(i)光源，

(ii)至少一个偏振控制器，该至少一个偏振控制器定位在光源下游并且

包括；

(a)光纤，

(b)围绕光纤的载体，该载体包括具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且与通孔的该至少一个坍缩区域接触，

(iii)耦合至偏振控制器的至少一个光纤；以及

(iv)定位在至少一个光纤下游的至少一个光学检测器。

本公开的一个实施例涉及偏振控制器，该偏振控制器包括：

(i)光纤，

(ii)围绕光纤的载体，该载体包括具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且与通孔的该至少一个坍缩区域接触，并且坍缩区域对光纤施加压力。

根据至少一个实施例，载体被构造成使得当在坍缩区域的位置处向载体施加力时，光纤上的压力发生变化并且通过光纤传播的光信号经历偏振变化。

根据一些实施例，载体定位在塑料(例如，尼龙)管内。

根据至少一个实施例，通孔具有位于距载体中心距离D处的对称轴，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半宽度。

本公开的一个实施例涉及偏振控制器，该偏振控制器包括：

(i)光纤，

(ii)围绕光纤的载体，该载体包括玻璃和具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且至少与通孔的坍缩区域接触，并且至少一个坍缩区域对光纤施加压力。

根据一些实施例，载体包括玻璃和具有多个坍缩区域的偏心通孔。

根据一些实施例，载体具有圆形横截面，并且通孔的中心位于距载体中心距离D处，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半径。

根据一些实施例，载体是玻璃管。根据一些实施例，光纤是单模光纤、多模光纤或具有玻璃包层的偏振保持光纤；并且

载体是氟和/或硼掺杂玻璃管。根据一些实施例，玻璃管涂覆有钛。

根据一些实施例，载体是氟和/或硼掺杂玻璃管，通孔具有0.5μm至275μm的横截面和位于距载体中心距离D处的对称轴，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半宽度。

根据一些实施例，载体具有圆形横截面，并且通孔的中心位于距载体中心距离D处，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半径。优选地，0.65<D/R<0.85。根据一些实施例，0.7<D/R<0.8。

根据一些实施例，坍缩区域与光纤接触。根据一些实施例，定位在通孔内的光纤的至少一部分包含熔接至通孔的坍缩区域的外玻璃表面。根据一些实施例，坍缩区域与光纤包层接触，并且熔接至该包层。

根据一些实施例，载体是塑料。根据一些实施例，载体是塑料(即，聚合物)管。根据一些实施例，载体是氟或硼掺杂的塑料管，载体的通孔具有0.5μm<d_孔–d_光纤<400μm(并且优选地，0.5μm至275μm)的横截面和位于距载体中心距离D处的对称轴，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半宽度。更优选地，5μm<d_孔–d_光纤<275μm。

根据一些实施例，坍缩区域与光纤接触。根据一些实施例，定位在通孔内的光纤的至少一部分包含熔接至塑料载体的通孔的坍缩区域的塑料包层。

本公开的一个实施例涉及偏振控制器，该偏振控制器包括：

(i)至少两个光纤；以及

(ii)围绕光纤的载体，该载体包括玻璃和具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且与通孔的至少一个坍缩区域接触，并且

至少一个坍缩区域对光纤施加压力。

本公开的一个实施例涉及偏振控制器，该偏振控制器包括：

(i)光纤，以及

(ii)围绕光纤的载体，该载体包括具有多个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且至少与通孔的坍缩区域接触，并且多个坍缩区域对光纤施加压力。

本公开的附加实施例涉及一种制作偏振控制器的方法，该方法包括：

(i)支撑偏振载体，该偏振载体包括偏心地定位的通孔，该通孔具有在至少一个位置处围绕光纤的至少一个坍缩区域，以及

(ii)对载体施加力。

根据一些实施例，坍缩区域是弯曲的。

本公开的附加实施例涉及一种制作偏振控制器的方法，该方法包括：

(i)提供具有偏移孔的载体；(ii)通过孔插入光纤；以及(iii)在至少一个区域中使该载体坍缩以在光纤周围形成坍缩区域，并且在该坍缩区域处将光纤的接口熔接至载体。

根据一个实施例，方法包括在多个区域中使载体坍缩以在光纤周围形成多个坍缩区域，并在多个坍陷区域处将光纤的接口熔接至载体。根据一些实施例，坍缩区域的长度为至少0.5cm，并且优选地至少1cm。例如，(多个)坍缩区域的长度可以是2cm至15cm，或者可以是2cm至6cm长。

根据一些实施例，使载体坍缩以在光纤周围形成坍缩区域的步骤包括将载体的至少一部分加热至1000℃以上。根据一些实施例，在至少一个区域中使载体坍缩以在光纤周围形成坍缩区域的步骤包括对载体的通孔施加真空。

根据一些实施例，在至少一个区域中使载体坍缩以在光纤周围形成坍缩区域的步骤包括将载体放置到加热器中，使得载体在加热器内的定位不对称。

根据一些实施例，载体最靠近通孔的侧面比载体远离通孔定位的侧面更靠近火焰。

根据一些实施例，一种控制通过光纤传播的光的偏振的方法包括：(i)用偏心通孔支撑偏振控制器，该偏心通孔具有在至少一个位置处围绕光纤的至少一个部分坍缩区域，以及(ii)在另一位置处对偏振控制器施加力；所述另一位置对应于部分坍缩区域。

根据一些实施例，一种控制通过光纤传播的光的偏振的方法包括：

(i)用偏心通孔支撑偏振控制器，该偏心通孔具有在至少一个位置处围绕光纤的至少一个部分坍缩区域，以及(ii)在另一位置处对偏振控制器施加力；所述另一位置对应于部分坍缩区域。

本文描述的偏振控制器有利地提供高精度偏振控制、可靠性，并且同时提供低损耗。该偏振控制器可以相对廉价地操作，并且可以用于经典和量子光学应用两者。光纤相对于载体中心的偏移位置导致光纤内应力引起的双折射的增加，并且有利地旋转通过光纤传播的光信号的偏振。

光纤在载体内的偏移位置允许更大的偏振控制灵敏度，并且利用具有相对于载体中心处于偏移位置的光纤的载体的偏振控制器提供以下优点：

1.)更低的功耗，

2.)更高的精度，

3.)由于最小化的光纤损坏的高可靠性，

4.)与利用基于平面的电光系统的偏振控制器相比的低光损耗。

将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。

应当理解的是，前述的大体描述和以下的详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概述或框架。

各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。

附图说明

图1是量子密钥分发系统的一个实施例的示意图；

图2是包括围绕经剥离光纤的多个坍缩区域的偏振控制器的一个实施例的侧视图；

图3描绘了示例性偏振控制器如何将示出为标记M1的任意输入偏振态(SOP)旋转到用于输出的另一偏振态M2；

图4是载体、钻孔和火焰几何形状的横截面视图；

图5是根据一个示例性实施例的偏振控制器的横截面视图；

图6是施加外力时沿玻璃杆的模拟压缩/张力的横截面图像。

图7示出了当偏振控制器的两端被固定时沿偏振控制器的长度的所施加的力的模拟；

图8示出了当以一个端部支撑偏振控制器时偏振控制器经受的所施加的力和应力的模拟；

图9A和图9B示出了当偏振控制器处于0-100gF的所施加的外力之下时，偏振控制器的两个实施例的偏振旋转。

图10示出了被测试时偏振控制器的良好可重复性；

图11示出了后向散射的OTDR测量提供的偏振控制器的所测量的损耗；

图12示出了对于偏振控制器的一个实施例，其中对于钻孔中心的最优定位是当D/R＝0.7072时。

具体实施方式

本公开的一个实施例涉及偏振控制器100，该偏振控制器100包括：

(i)光纤120，

(ii)围绕光纤120的载体150，该载体150包括具有至少一个坍缩区域170的偏心通孔160，使得光纤120定位在通孔内并且与通孔的该至少坍缩区域170接触，并且坍缩区域170对光纤120施加压力。

根据至少一个实施例，载体150被构造成使得当在坍缩区域170的位置处向载体150施加力时，光纤120上的压力发生变化并且通过光纤120传播的光信号经历偏振变化(即，偏振状态的变化)。

根据一些实施例，一种光学系统，包括：

(i)光源，

(ii)至少一个偏振控制器100，该偏振控制器100包括；

围绕光纤的载体150，该载体包括具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得光纤定位在通孔内并且与通孔的该至少一个坍缩区域接触，

耦合至偏振控制器的至少一个光纤；

(iii)以及定位在至少一个光纤下游的至少一个光学检测器。

根据一些实施例，偏振控制器是偏振状态发生器。

根据一些实施例，光学系统是量子密钥分发(QKD)系统，其中量子密钥分发(QKD)系统包括至少两个偏振控制器、包括位于两个偏振控制器处的光纤的量子信道和至少两个光学检测器。

图1示意性地示出了利用偏振控制器100的示例性光学系统。在该实施例中，光学系统是利用偏振控制器100作为偏振状态发生器的量子密钥分发(QKD)系统10。在该实施例中，发送方(爱丽丝)向接收方(鲍勃)发送信号。偏振状态发生器(例如，偏振控制器100)将从信号源接收的光学信号的偏振改变为可以线性地(平行或垂直)或圆形地(左或右)偏振的特定状态。在(由鲍勃使用的)接收端处，偏振控制器100再次将所接收的信号的偏振状态移动或转换为指定状态(例如，线性或圆形)。

更具体地，图1示出，示例性量子密钥分发系统10包括：耦合至偏振状态发生器PGS(30)(在该实施例中，也是偏振控制器100)的光学信号源20，耦合至偏振控制器100的用于量子通信的量子信道40，耦合至量子信道40并从量子信道40接收信号的第二偏振控制器100(PSC)，以及耦合至量子信道40并从量子信道40接收信号的偏振分束器50(PBS)，以及被构造和定位成接收由偏振分束器50提供的光学信号的两个检测器(D1、D2)60。在该实施例中，分束器40是偏振分束器，并且将光学信号分成不同偏振的两个分量。量子信道40包括光纤40A，光纤40A从第一偏振控制器100(例如，PGS 30)接收(多个)光学信号并将(多个)光学信号提供给第二偏振控制器。第一偏振控制器改变从光学信号源20接收的光学信号的偏振状态，并将该光学信号的偏振状态提供给量子信道40。两个检测器60启用对两个光学偏振的检测，并且使一者能够获得量子密钥。优选地，量子密钥分发系统10利用的偏振控制器100包括两个并且优选地三个坍缩区域170。术语“通信”、“连接”和“耦合”可以指支持组件之间的信号流的组件之间的关系。

根据本文描述的示例性实施例中的一些示例性实施例，偏振控制器100包括：

(i)光纤120，以及

(ii)围绕光纤120的载体150，该载体150包括具有多个坍缩区域170的偏心通孔160，使得光纤120定位在通孔160内并且与通孔160的坍缩区域170中的至少一些坍缩区域接触。

将通过以下示例进一步阐述各种实施例。

根据一个实施例，偏振控制器100包括载体150(例如，杖150’)，该载体150包括具有偏移中心的部分坍缩的通孔160’，以及定位在偏心通孔160’中的光纤120的经剥离部分(即，没有涂层的光纤部分)。因为光纤定位在载体内部，所以没有外部形式直接施加到光纤。光纤不被直接挤压，并且施加到载体150的(多个)外力沿着光纤的长度引起应力。光纤120在载体150中的偏移位置有利地提供了光纤对偏振旋转的高灵敏度。(孔中心离载体的中心线径向定位越远，载体上对于给定的力或弯曲所产生的应力就越大，因此纤芯表现出的双折射就越大。)

光纤120可以是例如经剥离的单模光纤。根据一些实施例，光纤120的一个端部可以从其涂层剥离(即，裸露)，并且经剥离的端部可以插入通孔160中。然后，通孔160围绕光纤的经剥离部分(例如，围绕玻璃包层)坍缩，并被熔接至裸露光纤(即，至光纤包层)。然后，光纤120的退出通孔的经剥离部分可以耦合(例如，熔接)至另一光纤(例如，尾纤)。

在另一实施例中，光纤120的部分被剥离其涂层121，使得光纤的经剥离部分定位在光纤的经涂覆节段之间。然后，光纤120的经涂覆节段121A被插入通孔160中，并且光纤120穿过通孔160，使得光纤的经涂覆节段退出通孔，并且光纤120的经剥离节段定位在通孔内。然后，通孔160围绕光纤120的经剥离部分120’坍缩(例如，围绕包层坍缩)，并被熔接至光纤包层，从而形成偏振控制器100。

杖150’可由玻璃组成，例如纯石英玻璃、掺杂玻璃、经涂覆玻璃和/或经涂覆掺杂玻璃。在该实施例中，光纤120具有玻璃包层。通孔160可以是例如偏心钻孔。光纤120定位在相对于载体150(例如，杖150’)的中心的偏移位置中。载体150(例如，杖150’)在高温(例如，对于玻璃杖，1000℃-2000℃)下围绕光纤坍缩，如下所述。坍缩区域170可以是任何长度，但坍缩区域越长，传播的光遇到的所引起的双折射就越多，并且偏振旋转就越大。根据一些实施例，光纤120具有带有经剥离涂层的部分和对应于玻璃包层的表面的玻璃外表面122。坍缩区域170可以完全或部分地围绕光纤120的经剥离部分。如上所述，坍缩区域170围绕光纤并熔接至光纤。在这些实施例中，光纤120与坍缩区域处的载体之间的接口是熔接接口。

根据另一示例性实施例，光纤120具有塑料包层，并且载体150是塑料。载体150的通孔160围绕光纤的经剥离部分(在该实施例中围绕光纤的塑料包层的部分)坍缩，并且载体的塑料材料熔接至光纤包层的塑料材料。在该实施例中，载体150(例如，杖150’)在较低温度(例如，对于塑料杖，200℃-750℃)下围绕光纤坍缩，并且被熔接至光纤的包层，以形成偏振控制器100。

偏振控制器100包括围绕光纤120的一个或多个坍缩区域170。例如，如图2中示意性所示，偏振控制器100可以包括围绕光纤120的三(3)个坍缩区域170。

偏振控制器100优选地定位在软塑料(尼龙)管150A(未示出)中，并由一个或多个支架H支撑或固持。(多个)支撑件可以与偏振控制器的每一个端部相邻地定位，使得载体150可沿其中心轴或在垂直于中心轴的方向(例如，在X、Y和Z方向)上轻微移动(滑动)。这使光纤120的可能的断裂或破裂最小化，并且还使由偏振控制器引起的总损耗最小化。例如，V形夹具(未示出)可以被夹到支撑偏振控制器(未示出)的塑料管150A上，使得载体可以在塑料管内沿其中心轴或在垂直于中心轴的方向上轻微移动(滑动)。塑料管150A还保护载体不被刮擦或其他损坏。然后将力F施加到(多个)区域170(例如如箭头所示)以在光纤120的芯内引起双折射。例如，通过(单独地)轻微弯曲偏振控制器100的每个区域170，可以将通过光纤120传播的光的任意输入偏振状态转换为任何期望的输出偏振状态。可以使用例如机电方法来施加这种弯曲。外力可以单独施加到每个区域170，直接施加到载体150，或者优选地通过支撑载体的塑料管150A施加。例如，每个区域170可以被单独地弯曲，从而允许向鲍英卡勒(Poincare)球上的任何位置的完全偏振状态移动。在一些实施例中，偏振控制器100(或载体150)优选地由一个或多个刚性支撑件固持，例如使用高模量环氧树脂固定就位。在一些实施例中，载体150由夹具固持或支撑，优选地通过围绕载体的塑料管固定或支撑。

图3示出，偏振控制器100可以将示出为标记M1的任意输入偏振态(SOP)旋转到示出为标记M2的期望的任意输出偏振态。在该实施例中，所选择的期望偏振态输出是线性的。

当施加外力以旋转到任意偏振时，偏振控制器100利用应力引起的双折射现象。由于光纤120在偏振控制器100内的偏移位置，耦合至光纤120的光的初始光输入偏振可以很容易地旋转，这是由于与定位在中心钻孔内的载体中的相同光纤所产生的应力分布相比，在坍缩区域170处在光纤120内经历反对称和更强的应力分布。应力分布引起了纤芯内的折射率变化，从而将通过纤芯传播的光的初始任意偏振旋转/转换为期望的(任意)输出偏振。

如上所述，偏振控制器100利用应力引起的双折射来改变通过光纤120的芯传播的光的偏振。双折射是偏振光遇到材料的两种不同折射率的现象，这取决于偏振与双折射轴如何对齐。(多个)坍缩区域170向定位在这些区域内的纤芯引入应力，从而在纤芯的材料(例如玻璃)中引起双折射。

(多个)坍缩区域170的长度l有助于偏振旋转量。(多个)坍缩区域170的长度l越长，偏振旋转就越大。更具体地，坍缩区域越长，由于应力引起的双折射而在两个正交偏振状态之间累积的阻滞(光的正交偏振状态的速度之间的差异)就越多，从而更好地控制偏振旋转。对于在定位在坍缩区域内的纤芯内传播的光，平行于应力方向偏振的光的玻璃折射率不同于垂直于应力方向偏振的光的折射率。因此，当光通过具有应力引起的双折射的段时，在两个光偏振分量之间产生相位差。在光纤的输出处，由于累积的相位差，净偏振状态发生变化。

其中，K表示两种不同信号偏振(平行和垂直，即，K_∥和K_⊥)的传播常数。

平行和垂直(/>

和/>

)表示在这两种不同偏振中传播的光的相位，l是围绕光纤的坍缩区域170的长度，并且n平行和n垂直(n_∥和n_⊥)是对应于这两种不同偏振的纤芯的折射率。

通孔区域优选地绝热坍缩，以减少坍缩过程期间产生的微弯曲光纤损耗。过渡区域(本文中也称为锥形区域)的长度l_t(过渡长度)例如可以是2000μm至1cm。形成坍缩区域之前，与进入孔的光纤部分的直径相比，通孔160(例如，钻孔160’)的直径d_孔被形成为使得0.5μm<d_孔–d_光纤<400μm，其中d_光纤是穿过孔160的光纤120的最大外直径。例如，在一些实施例中，0.5μm<d_孔–d_光纤<300μm，或0.5μm<d_孔–d_光纤<250μm，并且优选地，10μm<d_孔–d_光纤<250μm。更优选地，如果仅单个光纤定位在孔内，则5μm<d_孔–d_光纤<60μm，或5μm<d_孔–d_光纤<30μm，或10μm<d_孔–d_光纤<30μm。最优选地，如果仅单个光纤定位在孔160内，则为了(在坍缩步骤之前)实现低损耗，5μm<d_孔–d_光纤<15μm，或甚至5μm<d_孔–d_光纤<10μm。当5μm<d_孔–d_光纤<15μm，或甚至5μm<d_孔–d_光纤<10μm时，在1250nm和1660nm之间的波长下的宏弯曲损耗最小化。直径d_光纤是经涂覆光纤或未涂覆光纤(裸光纤)的直径，这取决于是经涂覆光纤还是未涂覆光纤的节段首先穿过通孔160。

例如，如果典型的光纤包层直径为约125微米，且经涂覆光纤直径为250μm，则需要确定通孔160的直径大小，使得在形成(多个)坍缩区域170之前，可以穿过光纤120的经涂覆节段。在该示例性实施例中，d_光纤是已穿过通孔160的经涂覆光纤的直径。

例如，在一个实施例中，孔160大于250μm，使得在光纤的(多个)未涂覆部分周围创建(多个)坍缩区域170之前，经涂覆光纤120(其外涂层直径为250μm)将能够穿过通孔160。在光纤120的经涂覆部分插入通孔160的实施例中，孔直径d_孔可以例如比经涂覆光纤直径大0.5μm至300μm。优选地，为了使损耗最小化，孔直径d_孔可以比经涂覆光纤直径大5μm至300μm，更优选地比经涂覆光纤直径大5μm至50μm，甚至更优选地，比经涂覆光纤直径大5μm至30μm，并且最优选地，比经涂覆光纤的直径大5μm至15μm。因此，在此类示例性实施例中，如果经涂覆光纤直径为250μm，并且仅一个光纤穿过孔160，则孔160的直径可以是255μm至280μm，或255μm至275μm(例如，260μm或270μm)。因此，根据一些实施例，如果通孔160的直径需要容纳经涂覆光纤(在载体坍缩到未涂覆的光纤节段上之前)，则通孔160的直径d_孔优选地比经涂覆光纤的直径d_光纤大5μm-30μm(例如，5μm-15μm或5μm-10μm)。

在仅光纤的经剥离部分穿过通孔160并且光纤包层的直径为约125μm的实施例中，孔160的直径比经剥离(即，裸)光纤的直径大0.5μm至300μm，并且优选地比经剥离光纤的直径大5-50μm(即，比包层的直径大5-50μm)。当光纤穿过通孔时，孔直径仅比被穿过的未涂覆光纤的直径大0.5至5μm的通孔160可引起急剧弯曲，这可导致光纤中的微弯曲损耗，或者甚至会形成微裂纹，并降低设备寿命。如果孔直径d_孔显著大于光纤直径(例如，大于400μm)，则孔160内围绕未坍缩的通孔的(多个)部分中光纤的气隙也可以通过在通孔160内引起尖锐的光纤弯曲或扭曲而产生信号损耗。优选地，为了最小化偏振控制器产生的损耗，在仅光纤的经剥离部分穿过通孔160的实施例中，通孔直径比未涂覆(即，经剥离)光纤的直径大5μm至60μm，例如比未涂覆光纤的直径大5μm至50μm，并且更优选比未涂覆光纤的直径大5μm至30μm或5μm至20μm。在这样的实施例中，未涂覆(经剥离)的光纤直径是光纤包层的外直径。因此，如果经剥离光纤直径为125μm，则孔160的直径可以为135μm至185μm、135μm至175μm、135um至160μm或135μm至155μm。

优选地，为了使偏振控制器100的性能最大化，并且为了在使载体坍缩并形成坍缩区域170之前使微弯曲损耗最小化，通孔直径和已穿过孔的光纤直径之间的差值Δ(Δ＝d_孔–d_光纤)为10μm至60μm。例如，d_孔–d_光纤可以是5μm、6μm、8μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、35μm、40μm、50μm、55μm、60μm或在这之间。如果孔太小，则光纤120将被卡住，并且将不能一直穿过。如果它太大，则可导致宏弯曲损耗、微弯曲损耗以及限制偏振控制能力的扭曲。

更优选地，d_孔–d_光纤为5μm至50μm，例如5μm至15μm。在一些实施例中，Δ＝d_孔–d_光纤为20μm至60μm，或20μm至55μm，或20μm至50μm。最优选地，d_孔–d_光纤为5μm至20μm，例如5μm至15μm，或5μm至10μm。据信，坍缩锥形损耗(宏弯曲引起的损耗)是偏振控制器100中的信号损耗的主要因素。孔150越小，宏弯曲损耗就越低。因此，为了使宏弯曲损耗最小化，优选地，d_孔–d_光纤为5μm至30μm，或10μm至20μm，或5μm至15μm，或甚至5μm至10μm。在一些实施例中，d_孔–d_光纤为10μm至20μm。

通孔150的锥形(或弧形)区域175是通孔150的定位在通孔的完全开放区域172和坍缩区域170之间的过渡区域。锥形区域大小和几何形状也可用于使弯曲引起的损耗最小化。锥形区域越长(即，锥形l_t的长度越长)，使弯曲损耗最小化。如果锥形太陡(即，如果锥形的长度l_t短)，则锥形区域将导致(多个)宏弯曲损耗。在一些实施例中，l_t＞2mm，例如为2mm至6mm。当在坍缩步骤期间移动载体50通过加热区时，可以实现更长的锥形(例如，弧形)区域。光纤120可由于通孔150的坍缩内壁的约束而弯曲，因为坍缩内壁熔接至光纤。锥形孔区域的长度l_t是允许光纤120被支撑在通孔150内的长度，使得当光纤120由于坍缩内壁的约束而弯曲时，当光纤120的斜率或半径时，区域175不会导致在1550nm下大于0.2dB的(多个)宏弯曲损耗，并且优选地在1550nm下不大于0.1dB。

如上所述，为了使微弯曲损耗最小化，可以利用比裸(经剥离)光纤直径稍大(例如，10μm-30μm或10μm-15μm)的通孔160，从而能够将经剥离光纤插入通孔160。然后可以在光纤120的插入之后，在形成坍缩载体区域170的坍缩步骤之前或之后，将尾纤或另一光纤122(未示出)拼接至光纤120。该方法将允许最小的宏弯曲引起的损耗。此外，光纤120与另一光纤122的拼接(例如与诸如

SMF/>

之类的单模光纤的拼接)可以使用熔接拼接器进行，从而产生低耦合损耗((例如0.01至1dB)(通过OTDR在1550nm波长下测量))。

由于平面芯片到单模光纤的耦合，量子系统中使用的基于平面电光(例如，铌酸锂)芯片的偏振控制器通常遭受高耦合损耗(～3dB)。相反，本文描述的偏振控制器100是利用光纤到光纤耦合的全光学器件。两个光纤之间的耦合损耗可以是例如0.01dB至0.7dB。

最小化微弯曲损耗的另一种方法是利用一个或多个“虚设”光纤填充通孔160中的多余空间，如果其显著大于经剥离光纤直径d_光纤的话。例如，如果偏振控制器100利用具有125μm包层直径的典型单模光纤120和具有250μm或更大的通孔直径d_孔的偏移通孔160，则可以将至少一个附加光纤(“虚设光纤”)插入通孔160中，以使光纤120的微弯曲最小化，同时在坍缩过程期间产生坍缩载体区域170。“虚设”光纤是未涂覆(经剥离)光纤，它不传播信号光，也不会对光学损耗产生显著影响。在这样的实施例中，d_孔可以是例如约200-550μm，并且两个光纤120、122之间的耦合损耗为≤1dB，例如为0.01dB至0.7dB。

优选地，为了提高偏振控制器的灵敏度，0<(D/R)<1，其中D是从载体150的中心到通孔160的中心的距离，并且R是载体150的外半径(或载体150的平均半宽度，如果载体没有圆形横截面)。优选地，通孔160(例如，钻孔)具有对称轴，该对称轴被定位成使得0.25<D/R<0.9，并且优选地0.4<D/R<0.85。在至少一些实施例中，通孔160具有0.5μm至275μm宽度的横截面和位于距载体的中心距离D处的对称轴，使得0.5<D/R<0.8。更优选地，0.6<D/R<0.8，并且再更优选地，0.65<D/R<0.8。在一些实施例中，0.7≤D/R≤0.75。在一个实施例中，如图5中所示，钻孔和定位于其中的光纤偏离中心定位，使得它们位于距杖的中心半径R的3/4处(即，D/R＝3/4)。在该实施例中，该定位通过模拟示出为经历弯曲中最强量的应力，如图6中所示。图12图示出在一个实施例中，通孔的优化定位对应于比值D/R＝0.7072。

通孔160可以以任何几何形状或设计形成，例如沿着载体150的长度的螺旋形状。它也可以是圆形、椭圆形、三角形、菱形或任何其他形状。坍缩区域可以是任何长度，但实验表明，更长的长度更好，并且在一个示例性实施例中，坍缩区域为6cm长。偏振控制器100可以包括一个或多个坍缩区域，例如具有不同坍缩长度l的多个区域。在一些实施例中，1cm≤l≤15cm，2cm≤l≤15cm，2cm≤l≤10cm，或2cm≤l≤8cm，或2至7cm，并且优选地，或2cm至6.5cm(以减小载体的大小)。

偏振旋转由跨设备偏振控制器100的横向和纵向方向所引起的双折射的总和引起。这种引起的双折射现象源于载体150在受到外力场时所经历的应力。力F可以在两个固定端部的配置中使用，并且力F可以如图7中所示，例如施加到坍缩区域。然而，力场也可以在这样的配置下被施加：偏振控制器100的一部分(例如，一端)由固持器H固定，如图8中所示。偏振控制器100可以使用一系列安装件固定，并且可以具有一系列多个坍缩区域170。在一些实施例中，偏振控制器100包括两个坍缩区域170。在一些实施例中，偏振控制器100包括三个或更多个坍缩区域170。优选地，偏振控制器100包括2至5个坍缩区域170。

相应地，一种控制通过光纤120传播的光的偏振的方法包括：

(i)支撑偏振控制器100，该偏振控制器100包括具有偏心通孔160的载体150，该偏心通孔160具有在至少一个位置处围绕光纤120的至少一个部分坍缩区域170，以及

(ii)在另一位置处向载体150施加力；其中该另一位置对应于至少部分坍缩区域170。

一种控制通过光纤120传播的光的偏振的方法包括：

(i)支撑偏振控制器100，该偏振控制器100包括具有偏心通孔160的载体150，该偏心通孔160具有在至少一个位置处围绕光纤120的至少一个部分坍缩区域170，以及

(ii)弯曲或扭曲载体150。

该偏振控制器100的其他配置可以包括例如螺旋孔160、作为应力集中器的坍缩孔160，该坍缩孔160已经定型为锥形以及凹口、马蹄形或任何其他几何形状。通孔160可以以任何几何形状或设计形成，例如沿着载体150的长度的螺旋形状。它也可以是圆形(该实施例)、椭圆形、三角形、菱形或任何其他横截面形状。其他类型的应力集中器是具有应力杆的光纤(例如，熊猫型偏振保持光纤)、包含气孔的光纤(例如，光子晶体光纤)。其他替代性方法可以通过上述实施例的任何组合来实现。所施加的力以一维、二维和/或三维施加，以更好地控制偏振旋转。例如，载体上的力可以在X-Y平面上施加(径向地，朝向光纤，而不仅仅沿着光纤的轴线)。

如图9A和图9B中所示，通过所施加的外力的偏振旋转是由应力引起的双折射引起的。根据一些实施例，对于3mm或更小的载体直径，在每个位置处施加的力的量大于0gF，并且不大于200gF(200克力)，优选地不大于100gF。根据一些实施例，在每个位置处施加的力的量大于1gF，并且不大于100gF，例如1gF至50gF，优选地1gF至20gF，并且更优选地1gF至10gF。10gF或更小的低的力可产生大半径的弯曲，从而通过避免扭转力而使对光纤的任何严重损坏最小化。例如，在一个实施例中，可以利用7克的力将1cm的坍缩节段(L＝1cm)移动到0.5米的弯曲半径。在另一实施例中，2gF(2g力)被利用，例如通过(i)使用将手指抵靠在载体上的线性平台；或(ii)由电机驱动的凸轮。

沿横向和纵向方向的总累积双折射允许在至少一个方向上的大于360度的旋转。图10示出了当施加和移除压力时偏振控制器100的可重复性。作为弯曲函数的偏振旋转可以使用已知算法进行数学描述。对于该实施例，电压涉及弯曲而不是电光效应。如图11中所示，在一个实施例中，跨偏振控制器100的测量损耗为约0.7db。

力以一维、二维和/或三维方式施加，以更好地控制偏振旋转。如图9A和图9B中所示，偏振旋转是由应力引起的双折射引起的所施加外力引起的。在坍缩区域的长度上累积的双折射引起的光学阻滞已使得鲍英卡勒球能够在至少一个方向上旋转大于360度。图9A示出了实施例的偏振旋转结果，其中设备的输入由在多个纵向模式下操作的法布里-珀罗半导体激光器激发，并且其中坍缩区域的一个端部由夹具牢固地固持就位，同时在坍缩区域的相对端部在垂直于玻璃杖的方向上施加不同大小的力。坍缩区域的长度为6cm，并且光纤波导为SMF-28。图9B示出了另一实施例的偏振旋转结果，其中坍缩区域的长度为2cm，并且光纤波导是偏振保持熊猫光纤。该示例中的设备的输入由在1550nm下操作的单频半导体激光器激发，设备的传输损耗为0.6dB，并且在偏振旋转测量期间的偏振度为92％。

图10示出了当在小步骤中施加和移除力时偏振控制器100的可重复性。在实验范围内力的增加和减少的多个周期期间，看到鲍英卡勒球上的偏振遵循相同路径。作为弯曲函数的偏振旋转可以使用被描述和建模。对于该情况，电压涉及弯曲而不是电光效应。跨偏振控制器100的测量损耗已被示出为小于2dB或甚至小于1dB。在一些实施例中，跨偏振控制器100的损耗为0.3dB至1dB。在一些实施例中，跨偏振控制器100的损耗为0.1dB至1dB，例如0.12dB、0.15dB、0.2dB、0.3dB、0.6dB、0.7dB、0.8dB或在其之间。如图11中所示，在一个实施例中，偏振控制器100的测量的损耗为约0.7db。

示例1.

具有偏移钻孔的载体

在该示例性实施例中，载体150’的偏移钻孔160’的中心位于距载体中心相对3/4的距离处，以获得最优应力分布。在该特定实施例中，载体150’是圆柱形的。也就是说，在该实施例中，D/R＝3/4，其中R是载体的横截面的半径。因此，光纤120距玻璃杖中心的位置与杖的径向中心偏移3/4R。在该实施例中，载体150(杖150’)的外直径为约2mm。因此，R＝1mm并且钻孔在坍缩步骤之前的直径为约175μm。

经剥离光纤120(即，去除了涂层的至少一部分的光纤，暴露出包层的外表面)被馈送通过钻孔160’。光纤120可以是单模光纤、偏振保持光纤、多模光纤、少模光纤、多芯光纤或任何其他类型的光纤。在该实施例中，光纤120是具有玻璃芯和玻璃包层的单模光纤(例如，可从纽约市康宁州康宁公司获得的

SMF/>

光纤，THORLABS PM光纤(“熊猫”或“蝴蝶结”型)或康宁PM熊猫光纤)。在该实施例中，光纤包层直径为125μm。

当这种光纤与玻璃载体150结合使用时，偏振控制器100包括偏振保持光纤(PM光纤)120可以是有利的。当玻璃载体150冷却到室温时，将玻璃载体150坍缩到玻璃光纤上的力导致粘性力在玻璃载体150内冻结。这些应力可以随着长度显著变化，并且可导致偏振控制器100的操作问题。当随着光通过定位在载体内的光纤传播，偏振模式保持在该模式时，偏振控制器100的性能得到改善。这可以通过使用偏振保持光纤作为光纤120而有利地实现。然后，当载体150弯曲时，随着光在载体内传播通过光纤长度，一种偏振模式以不同于另一偏振模式的连续方式作用。如果由于应力随光纤长度的变化而存在偏振模式耦合，则弯曲力可因变于长度的变化存在不期望的补偿。使用偏振保持光纤(例如，可从纽约州康宁获得的康宁PM15-U25D 1550nm型光纤)防止了这种情况的发生，并使两种传播偏振模式在弯曲内的长度能够连续且平滑地分离。

注意到，对熔接至光纤120的载体进行退火使坍缩区域中不期望的应力引起的变化最小化，并且还使得偏振控制器100的性能更好。然而，通过退火可能难以完全消除这些应力。

优选地，偏振保持光纤120的拍长不大于2cm，并且在操作波长(例如，1550nm)下大于1mm。偏振保持光纤的拍长在操作波长下优选地小于1cm。在一些实施例中，申请人利用了拍长为2mm至5mm的偏振保持(PM)光纤120。

钻孔160’在期望位置处坍缩，从而将裸光纤的接口熔接至载体，以形成偏振控制器100。所得坍缩区域170可以是任何长度l，但在该示例性实施例中，l＝6cm。载体150可以具有以任何任意长度间隔开的一个或多个坍缩区域170，但在该实施例中，载体150包含定位并熔接在光纤包层周围的一个坍缩区域170。在该示例性实施例中，过渡区域(本文中也称为锥形区域)具有2600微米的长度l_t(过渡长度)。

然后，载体150受到外力，该外力导致弯曲和/或从中间位置偏离，例如经由机械、热和/或压电方法。

在该实施例中，杖150’由涂覆有钛的氟掺杂SiO₂玻璃组成，并且包括偏心钻孔160(即，钻孔的中心偏离载体的中心)。在该实施例中，载体150是包括掺杂有1.2wt％氟的二氧化硅的玻璃载体。

玻璃载体150还可以掺杂有硼或任何其他类型的掺杂剂，以降低坍缩钻孔所需的热温度，而不会导致锗从芯中扩散，从而使模场的扩展最小化。这有助于保持低损耗(<0.7db)。在一些实施例中，载体是二氧化硅掺杂玻璃，并且硼和/或氟的量在1wt％和8wt％之间。在该实施例中，单模光纤(例如，

SMF/>

光纤)在钻孔160’围绕光纤坍缩之前被馈送通过钻孔160’。

尽管在其他实施例中，偏振控制器100包括多个坍缩区域，但在该实施例中偏振控制器100具有单个坍缩区域170。在该实施例中，为了使载体在所期望的区域坍缩，来自加热器(燃烧器)200的燃烧火焰被引入杖150’周围。对于基于SiO₂的杖，使钻孔坍缩所需的温度在1000℃至2000℃之间，例如1600-1800℃或1700-1800℃。所需的热量也可以由红外(IR)激光器来施加。

在该实施例中，燃烧器200内的温度为1723℃。通过改变甲烷(CH₄)和氧气(O₂)的比率来实现期望的温度。

根据一些实施例，使用2比1的比率(CH₄＝0.5O₂＝)来产生基于SiO₂的载体150熔化或软化载体玻璃所需的至少1700℃的期望温度。如果如在该实施例中，载体150包括掺杂有氟或硼的二氧化硅，则载体玻璃的熔化温度降至低于纯二氧化硅的熔化温度，并且CH₄＝0.5O₂＝0.8。使用B型热电偶(范围：810℃至1700℃)和K型热电偶(范围：293℃至1260℃)测量温度。热电偶被固定在实际杖将被置于燃烧器的同一位置处。在该实施例中，燃烧器沿着载体移动以确保载体已被加热至期望温度的速度为0.5mm/秒。

如图4中所示，杖150’不对称地定位在燃烧器火焰内部。偏心钻孔定位在最靠近火焰200A的一侧。在钻孔周围引入这样的高温伴随着钻孔内压力的增加。为了发生坍缩，高压空气必须至少部分排空。在坍缩步骤期间利用真空泵，使得杖围绕光纤包层坍缩。在该实施例中，压力为-17psi。燃烧器200(或来自IR激光器的激光束)沿着杖的长度移动，以产生期望的坍缩区域长度。围绕光纤加热和坍缩(多个)杖区域的过程也使光纤在坍缩区域处熔接至杖的内表面。

重要的是，从载体的完全非坍缩区域到完全坍缩区域的过渡是平滑的(即，不是陡峭或突变的)，使得不会引起微弯曲或宏弯曲扰动，微弯曲或宏弯曲扰动将导致光从坍缩区域内的第一模式耦合到更高阶包层模式。

在该示例性实施例中，钻孔和光纤120之间的熔接接口绝热地坍缩，以减少坍缩过程期间发生的微弯曲损耗，并且过渡区的长度为2600微米。

与光纤大小相比，钻孔直径为0.5μm<d_孔–d_光纤<250μm，其中d_光纤是光纤包层的直径。在该实施例中，d_光纤是(多个)涂覆层被剥离后光纤的外玻璃直径。在该示例性实施例中，d_孔–d_光纤约为50μm。钻孔/光纤的偏心位置定位在距杖的中心距离的3/4处，如图5中所示，该距离为距杖150’的中心半径的3/4。该定位通过模拟示出为经历弯曲中最强量的应力，如图6中所示。然而，尽管效率较低，但钻孔可以定位在0<D/R<1的任何位置处。例如，载体可以是氟和/或硼掺杂玻璃管，通孔的横截面可以为0.5μm至275μm，并且其对称轴位于距载体中心的距离D处，使得0.25<D/R<0.4，其中R是载体横截面的半宽度。

坍缩区域170可以是任何长度，但实验表明，更长的长度(>0.5cm)更好，并且在该实施例中，l＝6cm。然而，偏振控制器100可以包括多于一个的具有变化坍缩长度的坍缩区域。

偏振旋转由跨设备偏振控制器100的横向和纵向方向总双折射引起。这种双折射现象源于载体150在受到外力场时所经历的应力。力F可以在两个固定载体端部的配置中使用，并且如图7中所示施加到坍缩区域。然而，如图8中所示，也可以在仅偏振控制器100的一个端部固定的配置中施加力F。偏振控制器100可以使用一系列安装件来固持，并且可以包括围绕一个或多个光纤的一系列多个坍缩区域。

典型商用光纤偏振控制器利用直接施加在光纤上的夹-扭运动来引起应力双折射。然而，本文描述的偏振控制器100不使用光纤120的任何直接扭曲或夹持。替代地，力被施加到载体150上。光纤120不经历直接损坏，因此不会随着时间而退化，从而使其更稳定和可靠。

偏振控制器100能够进行高精度偏振控制。更具体地，由于所引起的双折射的总和，(多个)坍缩区域170的(多个)长度l允许用户在更宽的角度范围内旋转偏振。偏振控制器100可以包括多于一个坍缩区域(例如：三个)，其允许对鲍英卡勒球上的偏振运动进行完全控制。

偏振控制器100可以有利地以低功耗使用。因为本文描述的偏振控制器100包括载体和定位在相对于载体中心的偏移位置中的一个或多个光纤，所以这种配置允许非对称应力诱导，并且允许光纤对外部施加的力更敏感。因此，当利用偏振控制器100时，需要非常小的外力来旋转偏振。除非另外明确地指出，本文所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行。因此，在方法权利要求实际上未叙述要遵循其步骤的顺序、或者在权利要求或说明书中未以其他方式特别陈述这些步骤限于特定顺序的情况下，不打算推断出任何特定顺序。

对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况下可以作出各种修改和变化。由于所属技术领域的技术人员可以想到包括本发明的精神和实质的所公开的各实施例的修改、组合、子组合和变体，因此，本发明应当被理解为包括所附权利要求书以及它们的等效内容的范围的一切。

Claims (11)

1.一种光学系统，包括：

(i)光源，

(ii)至少一个偏振控制器，所述至少一个偏振控制器定位在所述光源下游并且包括；

光纤

(iii)围绕所述光纤的载体，所述载体包括具有至少一个坍缩区域的偏心通孔，使得所述光纤定位在所述通孔内并且与所述通孔的所述至少一个坍缩区域接触，耦合至所述偏振控制器的至少一个光纤；以及

(iv)定位在所述至少一个光纤下游的至少一个光学检测器。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述偏振控制器是偏振状态发生器。

3.如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述光学系统是量子密钥分发(QKD)系统，其中所述量子密钥分发(QKD)系统包括至少两个偏振控制器、包括定位在所述两个偏振控制器处的光纤的量子信道和至少两个光学检测器。

4.如权利要求1、2或3所述的光学系统，其中，所述坍缩区域对所述光纤施加压力。

5.如权利要求1、2或3所述的光学系统，其中：所述载体是氟和/或硼掺杂玻璃管，所述通孔具有0.5μm至275μm的横截面和位于距所述载体的所述中心距离D处的对称轴，使得0.25<D/R<0.95，其中R是载体横截面的半宽度。

6.如前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中：定位在所述通孔内部的所述光纤的至少一部分包含熔接至所述通孔的所述坍缩区域的外玻璃表面。

7.一种控制通过光纤传播的光的偏振的方法，所述方法包括：

(i)支撑偏振载体，所述偏振载体包括偏心地定位的通孔，所述通孔具有在至少一个位置处围绕所述光纤的至少一个坍缩区域，以及

(ii)对所述载体施加力。

8.如权利要求7所述的控制通过光纤传播的光的偏振的方法，其中，所述坍缩区域是弯曲的。

9.如权利要求7所述的控制通过光纤传播的光的偏振的方法，其中，所述力是0gF至200gF。

10.如权利要求7所述的控制通过光纤传播的光的偏振的方法，其中，所述力是1gF至10gF。

11.如权利要求7、8或8所述的方法，其中，所述载体定位在塑料管内。

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