CN1170185C - 光纤偏振扰码器及用于其的操作参数输入方法 - Google Patents

光纤偏振扰码器及用于其的操作参数输入方法 Download PDF

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Abstract

使用至少两光纤双折射调制器(10，11)有效地降低光的偏振度(DOP)的一种光纤偏振扰码器和用于其的操作参数输入方法。双折射调制器由空心圆柱形压电装置(10，11)和一股连续地缠绕在这些压电装置的外壁上的光纤(30)构成。构成该光纤偏振扰码器的双折射调制器之间的角度被构成以对圆双折射的影响进行补偿。一种用于精确地构成双折射频率和双折射幅度以实现用于该光纤偏振扰码器的有效偏振扰码的方法也被提供。

Description

光纤偏振扰码器及用于其的操作参数输入方法
技术领域
本发明涉及一种偏振扰码器，且更具体地，涉及一种使用至少两光纤双折射调制器有效地降低输出光的偏振程度的光纤偏振扰码器。
本发明还涉及一种光纤偏振扰码器的操作参数输入方法，且更具体地涉及一种用于输入通过实验建立的例如调制频率和调制幅度的参数的一预定值以有效地操作该光纤偏振扰码器的方法。
背景技术
偏振扰码器是通过调制偏振的状态(“SOP”)而将高度偏振的光转换成带有一扰码的偏振的光的装置。偏振的程度(“DOP”)代表偏振的光对总体光的比例。例如，较佳地偏振的光的DOP是100％，而完全未被偏振的光的DOP是0％。偏振扰码器的功能是减少时间平均值中的DOP。一理想的偏振扰码器将100％DOP的输入光强制到0％DOP的输出光。
当光通过具有与偏振相关的损耗的一光学元件时，输出功率依据于光的输入SOP。在此情况下，通过在该光学元件的前面插入一偏振扰码器而可不管输入SOP地获得恒定的时间平均的输出功率。在光纤传感器、光学测量系统和长途光传输系统中使用偏振扰码器还可获得加强的信噪比。
当偏振输入光沿光纤传播时，输出SOP通过一双折射介质而被得出，特别是双折射量和双折射轴的角度。然而，对于沿一长光纤被传送过几米的光，由于光纤的双折射容易受到例如温度和压力的小的环境干扰的影响，输出SOP往往会改变。这导致通过具有一定的与偏振相关的损耗的一光学装置的光的输出功率波动。然而，如果通过偏振调制降低输出光的DOP而使其在时间上被平均，输出光的波动可被防止。
如果输入光的偏振方向与双折射调制器的双折射轴的方向一致，即使有双折射的任何变化，输出SOP将不会改变。因此，为了使用双折射幅度调制不管输入SOP地感应输出光的偏振调制，至少两个其双折射轴形成45°的角度的偏振调制器必须被使用。
在现有技术中，通过在一集成光路，例如铌酸锂(LiNbO3)光学波导中进行双折射调制而实现一偏振扰码器。然而，这种偏振扰码器具有：低效率，连接两个或更多个双折射调制器困难，和高插入损耗。
美国专利No.4,923,290公开了使用一光纤的偏振扰码器的基本概念。然而，由于直接将压力施加在该光纤上的方法被使用以实现该扰码器，该用于感应双折射的装置具有低效率，扰码频率低于几百Hz，是太低了。而且双折射轴易于被改变且输出SOP恶化。这反映出了实现具有良好性能的偏振扰码器是困难的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够有效地实现偏振调制并不管输入SOP地使时间平均的DOP为零的光纤偏振扰码器及用于其的操作参数输入方法。
本发明的另一目的是提供一种使用加强的光纤双折射调制器，不管输入SOP而具有很低的插入损耗和稳定的性能的光纤偏振扰码器及其操作参数输入方法，该加强的光纤双折射调制器的调制频率是数百kHz至MHz的数量级。
本发明的再一目的是提供一种光纤偏振扰码器，包括一股光纤，该光纤的结构可补偿由在相邻双折射调制器之间扭绞该光纤所导致的圆双折射的影响，同时提供用于该光纤偏振扰码器的最有效的操作参数输入方法。
为了实现上述目的，根据本发明的光纤偏振扰码器包括光纤双折射调制器和交流电压源。这些光纤双折射调制器包括至少两空心圆柱形压电装置和一缠绕在这些压电装置的外壁上的一连续的光纤。该交流电压源各自地将交流电压施加给各光纤双折射调制器以感应双折射调制。该连续的光纤被缠绕在这些压电装置上而没有在该光纤的轴向上的任何扭绞以防止感应圆双折射。但该光纤的连接相邻的双折射调制器的部分被扭绞以使通过前双折射调制器的输入光(其偏振面平行于该前双折射调制器的主轴)可被发射入后双折射调制器(其偏振面相对于该后双折射调制器的主轴成45±90n度的角度，其中n是一整数)。
根据本发明，该空心圆柱形压电装置可具有不同的壁厚度以使该光纤双折射调制器的各压电装置的厚度模式的谐振频率不同。
而且，该用于对由扭绞导致的圆双折射的效果进行补偿的装置对连接相邻双折射调制器的该光纤的部分施加进一步的扭绞是较佳的。附加的扭绞是对应于8％的(45±90n)度的角度及相邻双折射调制器的主轴之间的全角变为1.08×(45±90n)度，也意味着该连接光纤的全扭绞，其中n是一整数。
较佳地，该光纤是一单模光纤，其本征双折射是5×10-6或更小。
而且，较佳地，由该光纤在该压电装置的外壁上的张力缠绕和弯曲所感应的线性双折射被保持为该光纤的本征双折射的30倍或更大，且更较佳地，该缠绕的光纤被退火以消除杂散双折射。
而且，该光纤的截面是D形，且该光纤可被缠绕，其的平坦面邻靠这些压电装置的外壁以防止轴向上的该光纤的扭绞。
另一方面，根据本发明的光纤偏振扰码器可还包括用于测量该双折射调制器的温度的装置；和用于确定对应于由该测量温度的装置感测的温度的调制幅度的装置。
在根据本发明的另一种结构的光纤偏振扰码器中，该光纤偏振扰码器包括光纤双折射调制器，其包括至少两空心圆柱形压电装置和一缠绕在这些空心圆柱形压电装置的外壁上的光纤；及交流电压源，其向各光纤双折射调制器施加交流电压以感应双折射调制，其中偏振控制器被插入相邻双折射调制器之间。
还在该结构中，这些空心圆柱形压电装置可具有不同的壁厚度以使该光纤双折射调制器的各压电装置的厚度模式的谐振频率不同。
较佳地，该偏振控制器是一全纤偏振控制器。
而且，该结构可进一步包括用于测量该双折射调制器的温度的装置；用于确定对应于由该测量温度的装置感测的温度的调制幅度的装置；和用于保持双折射调制器的温度恒定的装置。
根据本发明的用于一种光纤偏振扰码器的操作参数输入方法如下，其中该光纤偏振扰码器包括光纤双折射调制器和交流电压源，这些光纤双折射调制器包括至少两空心圆柱形压电装置和一缠绕在这些压电装置的外壁上的一连续的光纤，该交流电压源将交流电压施加给各光纤双折射调制器以感应双折射调制，该连续的光纤被缠绕在这些压电装置上而没有在该光纤的轴向上的任何扭绞以防止感应圆双折射。
施加给双折射调制器的交流电压具有正弦波形，其频率差大于所要求的带宽，该交流电压的幅度被成形为一值，使从来自光源的光依次通过一输入偏振控制器、该光纤偏振扰码器、一输出偏振控制器和一偏振器后由一光学传感器感测的输出光信号所测量的DOP最小。
较佳地，对应于该压电装置的厚度模式的谐振频率被用作为双折射调制频率。
另一方面，可从第零级贝塞尔函数的解中选择各光纤双折射调制器的双折射调制幅度以操作该光纤偏振扰码器。
附图说明
参照附图，本领域的熟练技术人员将更加清楚地理解本发明的目的和优点。
图1示出了是构成根据本发明的偏振扰码器的要点装置的光纤双折射调制器的基本结构；
图2是示出作为在本发明的一实施例中使用的一空心圆柱形压电装置的频率的函数的阻抗的测量结果的图形；
图3示出了用于分析一单级偏振扰码器的特性的装置的结构；
图4是示出根据该单级偏振扰码器的操作频率所要求的电压的温度相关性的图形；
图5是示出作为用于该单级偏振扰码器的温度的函数的偏振度的变化的图形；
图6是示出对应于一不同大小的空心圆柱形压电装置的厚度模式的谐振频率附近的测量的阻抗的图形；
图7是示出作为一温度函数的对于在谐振频率和伴随的反谐振频率之间的很少频率，操作偏振扰码器所需的电压的测量结果的图形。
图8示出了由两双折射调制器组成的一双级偏振扰码器的基本结构；及
图9是示出不管输入SOP地操作偏振扰频器所需的双折射调制器之间的角度的图形。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明。然而，以下所述的实施例应被理解为说明性的而非限定性的。
图1示出的是构成根据本发明的偏振扰码器的要点装置的光纤双折射调制器的基本结构。参见图1，一单模光纤30被缠绕在例如压电传感器(“PZT”)的一圆柱形压电装置10的外壁上，在光纤30的轴向上没有任何扭绞以防止感应圆双折射。为了防止扭绞，一光纤30可具有D形的截面，该光纤30缠绕在压电装置10的外壁上，平坦面邻靠该压电装置10的外壁。当正弦波形的某一电压信号通过一交流电压源40被施加给压电装置10时，对于通过光纤30的光，不仅感应相位调制，而且感应双折射调制。平行于圆柱21的轴的方向和垂直于其的方向(是垂直于圆柱表面的方向22)变为双折射轴，其中双折射调制的幅度被表示为以下公式(1)
φm＝Vmαsin(ωmt)
其中Vm和ωm各对应于施加给压电装置的电压信号的幅度和角度频率，及α表示双折射调制系数。该系数不仅取决于护套材料和光纤长度，而且还取决于施加的电压信号的频率。
因为双折射调制系数特别地低以在低于100KHz的频率范围内被使用，上述装置仅被用作为相位调制器。然而，根据本发明的方法实现在对应于该圆柱形压电装置的壁厚度的谐振频率附近的双折射调制以加强该双折射调制器的施加的电压的效率。该谐振频率取决于压电装置的原料和壁厚度，但通常它被表示为公式(2)
f·T＝200[kHz·cm]
因此，当使用一壁厚度T为约1mm至5mm的空心圆柱压电装置时，400KHz至2MHz的一谐振频率可被用作为双折射调制频率。
另一方面，输入光必须被线性偏振，且偏振面必须被调节至相对于图1的双折射调制器的双折射轴21和22成45°以工作作为一偏振扰码器。对于带有相对于进行如公式(1)中的调制的双折射调制器的双折射轴被倾斜45度的偏振面的被线性偏振的输入光，公式(3)必须被满足以使在平均的时间(averaged in time)足够地长于调制周期时一输出光具有0的DOP。
J0(Vmα)＝0
其中，J0表示第一种的第零级贝塞尔函数。因此，双折射调制幅度Vmα必须是第零级贝塞尔函数的一解，例如2.405，5.520，…。也就是说，带有较大双折射调制系数的一频率被设置为该电压信号的频率且调制幅度被设置以使Vmα是一例如2.405，5.520或诸如此类的值。
另一方面，当一单模光纤被缠绕在压电装置上时，防止光纤扭绞以使在该光纤中仅感应线性双折射是重要的。为实现其，在本发明中，一旋制光纤被用作为该单模光纤，其具有很低的本征双折射。而且，该光纤被张力缠绕并在约100℃的温度下被退火以使线性双折射轴平行于压电装置的轴。
该张力缠绕是在这样的条件下被实现的：由当缠绕在该压电装置上时光纤中的张力和压电装置的曲率半径引起的光纤的弯曲所感应的线性双折射被保持是该光纤的本征双折射的30倍或更大。
图2是示出作为在本发明的一实施例中使用的一空心圆柱形压电装置(直径：1.8”，厚度：0.1”，长度：0.9”)的频率的函数的阻抗的测量结果的图形。参见图2，可看到该阻抗在约770MHz的谐振频率45的附近最低，且该阻抗在约875MHz的反谐振频率46的附近具有局部最大值。
一单级偏振扰码器被用具有图2的阻抗特性的压电装置构成且该旋制的光纤被缠绕在该压电装置上约40匝，具有30kpsi的张力。
图3示出了用于分析该单级偏振扰码器的特性的实验性设置。一光源51是发射波长为1.55μm的偏振光的激光二极管。一输入偏振控制器52是用于控制输入光的偏振状态以产生线性偏振光。如果平行于或垂直于双折射调制器的主轴的线性偏振的输入光被输入，将没有偏振调制的效果。为了使线性调制的效果最大，其偏振面被校准以形成相对于该主轴的45度的角度的线性偏振的光应被输入该双折射调制器。通过在将通过输出偏振控制器53和偏振器54的光转换成电信号且然后测量其DC分量后，使用一示波器来计算输出光的DOP。这里，DOP是改变输出偏振控制器53的同时DC分量的幅度的最大变化对平均值的比例。因此，通过调节施加给双折射调制器的正弦电压的幅度以使输出光的DOP最小，可确定一最优电压幅度。使用该方法，可获得该光纤偏振扰码器的最优操作参数。
接着，图4示出了在谐振频率(约770MHz)和反谐振频率(约875MHz)附近的几个频率：800.8，808.6，835.9，855.5，871.1和890.6KHz的要求的正弦电压幅度的温度相关性。参见图4，可看到当接近谐振频率时电压幅度变低，而当接近反谐振频率时电压幅度升高。应注意到在该频率范围外的双折射调制量太小而无用。而且，可看到当双折射调制器的环境温度升高时，电压信号的幅度应被降低。而且，应指出在谐振频率，温度稳定性被加强。
因此，从图4所示的结果看，当输入光纤偏振扰码器的操作参数时，可看到使用压电装置的厚度模式谐振频率作为双折射调制频率是较佳的。
图5示出作为相对于该单级偏振扰码器的温度的变化的偏振度的变化的图形。为了获得图5的结果，在调节在各频率的电压信号的幅度以使在室温下的偏振度最小后，改变双折射调制器的温度的同时测量偏振度。如图4中所见，当施加的电压是恒定的时，由于当温度升高时双折射调制量大于2.405，偏振度提高。为了在0至60℃的温度范围内将偏振度保持在10％内，对于该温度，施加的电压信号的幅度必须被补偿。通过对该温度进行线性逼近和补偿，对于一宽范围的温度，一较低的偏振度将被保持。
另一方面，当不实现对温度的补偿时，相比于在反谐振频率被操作时，在谐振频率的操作将对一更宽的温度范围保持一更低的偏振度。温度补偿可通过用于测量双折射调制器的温度的温度测量装置和用于确定对应于由该温度测量装置感测的温度的调制幅度的装置而被实现。
由温度变化导致的DOP的恶化可通过使用保持双折射调制器的温度恒定的温度保持装置而被防止。
图6示出了一不同大小的空心圆柱形压电装置(直径：1”，厚度：0.06”，长度：0.5”)的厚度模式的谐振频率的附近的阻抗的测量结果。
图7是对于相对于温度的几个频率：1.2，1.25，1.3，1.35，1.4，1.45，1.5，1.55，操作偏振扰码器所需的电压的测量结果的图形。从中可看出，当在1.25MHz的谐振频率操作偏振扰码器时，由温度导致的双折射调制的幅度变化可被防止。该谐振频率是通过该圆柱形压电装置的壁厚度确定的。使用该特性，即使没有温度补偿，相对于温度的变化保持稳定且具有高电效率的偏振扰码器可被制做。
另一方面，由于单级偏振扰码器的性能很大程度上依靠于输入SOP而改变，需要两个或更多个双折射调制器来制做一不受输入SOP的改变的影响的偏振扰码器。各双折射调制器的双折射轴必须形成45度的一角度。也就是说，由于第一双折射调制器对于其偏振面平行于第一双折射调制器的的双折射轴的输入光来说不产生偏振调制，在通过其双折射轴相对于线性偏振的光形成45度的角度的第二双折射调制器后，取得偏振扰码的效果。
当通过正弦电压信号实现双折射调制时，为了不管输入SOP而将偏振度保持到零，各双折射调制的幅度必须满足公式(4)。
J0(Vm1α1)＝J0(Vm2α2)＝0
这里，J0是第零级贝塞尔函数，且双折射调制幅度Vm1α1和Vm2α2必须是第零级贝塞尔函数的解，例如2.405，5.520，…。
尽管从对应于厚度模式的谐振频率中选择电压信号的频率，两频率的差应足够大但又充分地小于一所要求的带宽且幅度Vmα应具有例如2.405，5.520，…的值。例如，如果偏振扰码器被用于抑制所谓的一掺铒的纤维放大器的与偏振相关的增益，该频率差应大于几十KHz，因为对应于该掺铒纤维放大器的增益恢复率是几KHz。
图8示出了由两双折射调制器组成的一双级偏振扰码器的基本结构。连接两双折射调制器的光纤是连续的且其间的角度通过扭绞该光纤而被调整。另一方面，当该光纤被扭绞时，在该光纤中感应圆双折射且偏振面被旋转22和24之间的扭绞角的约8％。自然，在各双折射调制器的缠绕的光纤的轴向上必须没有光纤的扭绞。
因此，在其光纤被连续地缠绕在相邻的空心圆柱形压电装置上的一光纤偏振扰码器中，为了当输入光的偏振面平行于第一双折射调制器的主轴时以相对于第二双折射调制器的主轴成45度地输出，两双折射调制器之间的扭绞必须被实现，带有用于由圆双折射导致的偏振面的转动的影响的补偿的角度。
也就是说，为了输入相对于第二双折射调制器的主轴成45度地平行于第一双折射调制器的主轴的偏振面，两双折射调制器应形成近似49度(45+45×0.08)的一角度。
图9示出了该条件下的分析结果，其中不管输入光的偏振状态地偏振扰码器的操作所需的双折射调制器之间的角度(图8的22和24之间的角度)被测量。结果可被表达为公式(5)的一线性函数。
Y＝X+0.08X＝1.08X
其中，X是45±90n，其通常是较佳的角度。而Y是两相邻双折射调制器之间的一实际角度，也就是说，该光纤的扭转角可是±49，±146，±243，±340…之中的任一值。特别是，±340度的角度可以实现一整体尺寸紧凑的偏振扰码器，因为在此扭绞状态下两双折射调制器的高度被降低。
而且，两相邻双折射调制器之间的角度可通过在该两相邻双折射调制器之间放置一附加的偏振控制器而被任意构成。较佳地，在韩国专利申请No.97-20056中公开的全纤维偏振控制器可被使用作为该偏振控制器。
如上所述，本发明的光纤偏振扰码器采用圆柱形压电装置的厚度模式的谐振频率以有效地感应双折射调制并相对于温度变化是稳定的。
本发明提供了一种光纤偏振扰码器，其具有可对由扭绞组成该光纤偏振扰码器的相邻双折射调制器之间的光纤所导致的圆双折射的影响进行补偿的一结构；和用于有效地操作该光纤偏振扰码器的操作参数输入方法。

Claims (16)

1、一种光纤偏振扰码器，具有光纤双折射调制器和交流电压源，所述光纤双折射调制器包括至少两空心圆柱形压电装置和一股缠绕在这些压电装置的外壁上的光纤，所述交流电压源各自地将交流电压施加给各光纤双折射调制器以感应双折射调制，
其中缠绕在这些压电装置上的该光纤在该光纤的轴向上不被扭绞以防止感应圆双折射，
所述光纤偏振扰码器包括有这样的装置，其用于对由相邻双折射调制器之间的扭绞导致的圆双折射的影响进行补偿以当输入光的偏振面平行于该前双折射调制器的主轴时，输入其偏振面相对于后双折射调制器的主轴的方向形成45±90n度的角度的输入光，其中n是一整数。
2、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，其中所述的各空心圆柱形压电装置可具有不同的壁厚度以使该光纤双折射调制器的各压电装置的厚度模式的谐振频率不同。
3、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，其中构成该光纤双折射调制器的一光纤不具有在两光纤双折射调制器之间的任何接合点
4、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，其中该用于对圆双折射的影响进行补偿的装置以对应于45±90n度的角度的8％的一角度对相邻双折射调制器施加进一步的扭绞，其中n是一整数。
5、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，其中，该光纤是一单模光纤，其本征线性双折射小于5×10-6。
6、根据权利要求1-5中任一项的光纤偏振扰码器，其中该压电装置的外壁的弯曲半径导致的该光纤的张力缠绕所感应的线性双折射被保持为该光纤的本征双折射的30倍或更大，且该缠绕的光纤被退火以消除杂散双折射。
7、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，其中该光纤的截面是D形，且该光纤可被缠绕，其的平坦面邻靠这些压电装置的外壁以防止轴向上的该光纤的扭绞。
8、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，还包括：
用于测量该双折射调制器的温度的装置；和用于确定对应于由该测量温度的装置感测的温度的调制幅度的装置。
9、根据权利要求1的光纤偏振扰码器，还包括一装置，用于保持该双折射调制器的温度恒定。
10、一种光纤偏振扰码器，包括：
光纤双折射调制器，其包括至少两空心圆柱形压电装置和一缠绕在这些空心圆柱形压电装置的外壁上的光纤；及
交流电压源，其向各光纤双折射调制器施加交流电压以感应双折射调制，
其中偏振控制器被插入相邻双折射调制器之间。
11、根据权利要求10的光纤偏振扰码器，其中这些空心圆柱形压电装置可具有不同的壁厚度以使该光纤双折射调制器的各压电装置的厚度模式的谐振频率不同。
12、根据权利要求10的光纤偏振扰码器，还包括：
用于测量该双折射调制器的温度的装置；和用于确定对应于由该测量温度的装置感测的温度的调制幅度的装置。
13、根据权利要求10的光纤偏振扰码器，还包括一装置，用于保持双折射调制器的温度恒定。
14、用于一光纤偏振扰码器的一种操作参数输入方法，其中该光纤偏振扰码器包括：
光纤双折射调制器，这些光纤双折射调制器包括至少两空心圆柱形压电装置和一缠绕在这些压电装置的外壁上的一连续的光纤；及
交流电压源，用于将交流电压施加给各光纤双折射调制器以感应双折射调制；
其中施加给双折射调制器的交流电压是具有不同频率的正弦波形，且该交流电压的幅度被成形为一值，使从来自光源的光依次通过一输入偏振控制器、该光纤偏振扰码器、一输出偏振控制器和一偏振器后由一光学传感器感测的输出光信号所测量的偏振度最小。
15、根据权利要求14的操作参数输入方法，其中该压电装置的厚度模式谐振频率被用作为双折射调制频率。
16、根据权利要求14的操作参数输入方法，其中从第零级贝塞尔函数的解中选择各光纤双折射调制器的双折射调制幅度以操作该光纤偏振扰码器。
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