TWI223108B - Transmission of orthogonal circular polarizations on a fiber - Google Patents

Description

玖、發明說明 (發明說明應敘明··發明所属之技術領域、先前技術、内容、實施方式及困式簡單說明） Γ韻^明戶斤屬貝域^

C先^ ittr技:摘ή J 外差干涉儀典型使用具有略為不同頻率（例如頻率差 5異數百萬赫茲（ΜΗζ))之二光束。二光束通常係導向不同路 徑，一具有固定長度之參考路徑、以及一包括來自欲測量 物件之反射之測量路徑。二光束橫過其各別路徑後，將光 束組合，由組合中提取出頻率或相位資訊，俾允許準確測 量物件的移動。 〇 外差干涉儀光源為奇曼分光雷射（Zeeman-split laser) 。奇曼分光雷射使用單一雷射腔穴來產生兩個波長差數 MHz之頻率分量。雷射腔穴之二分量具有波長為高度穩定 、相位鎖定、且使用相反相位延遲圓偏振，讓二分量之偏 振為正交。 15 用於可見光，頻率差異數MHz例如得自奇曼分光雷射 之光束頻率差異太微小，而無法讓光束色散元件（例如稜 鏡或繞射光柵）於合理的工作距離以内（例如對3至12毫米之 光束直徑於500毫米以内）分離頻率分量。如此習知分離技 術將得自奇曼分光雷射光束之分量之圓偏振轉變成正交線 2〇偏振，偏振分光器根據其線偏振而分離頻率分量。通常雷 射輸出光學裝置包括四分之一波板，其將正交圓偏振轉變 成正父線偏振，以及包括一半波板，其將線偏振沿分離分 量之干涉儀分光器的「S」及「P」偏振方向重新定向。 貫際上’雷射腔穴内部之頻率分量之偏振與完美的圓 5 1223108 玖、發明說明 形略有偏差，波板後方頻率分量之偏振可能並非呈完美線 或完美正交。特別期望有「P」偏振之頻率分量將帶有小 量「S」偏振分量，而期望有「s」偏振之頻率分量則有小 量「P」偏振分量。 5 干涉儀分光器無法區別兩種頻率，取而代之（使用理 想插作）’根據偏振而分離輸入光束分量。、纟吉果，分離後 之光束分別帶有小量來自「s」及「p」偏振分量之頻率汙 染’其含有分離刖之混合頻率。此外，實際操作時，干涉 儀分光器無法完美分離偏振分量，結果導致頻率錯誤之光 10 進一步洩漏至各個被分離的光束。 外差干涉儀典型係由物件反射之測量光束的都卜勒位 移測量物件速度。當測量光束與參考光束為頻率略為不同 的理想單色光束時，差頻係使用都卜勒位移後之測量光束 頻率與參考光束頻率間之差異，該差頻可與光束間之原先 15頻率差異做比較。差頻的變化指示物件速度。但頻率洩漏 將其它振堡重疊於差頻之上，因而可能導入測量的週期性 錯誤。如此精準測量要求頻率分量為極為線或極為正交， 讓單色測量束與參考束間有儘可能最乾淨倒落的分離。 外差干涉儀之另一項考量為由分離後光束的熱環境中 20去除熱源（例如雷射）。通常干涉儀之光學裝置必需經過熱 保護不接觸來自雷射之熱，俾減少光束路徑及測量受到熱 干擾。熱保護通常係表示將雷射與干涉儀光學裝置分離， 通常要求-種機構來搖控傳輸來自雷射之光束至干涉儀光 學裝置。 6 1223108 玖、發明說明 一種傳輸來自雷射之光束之技術將光束通過光學窗輸 入含干涉儀光學裝置之經過熱保護之區段。鏡可導引光束 進入熱保護區段。此項技術之困難在於精準穩定地控制光 束通常需要將雷射及干涉儀光學裝置安裝於同一個極為穩 5固的框架上，但仍需維持干涉儀光學裝置與雷射環境隔開。 另一項傳輸光束之技術係將包括線偏振分量之光束送 入單一偏振維持（PM)光纖。但目前可利用的偏振維持（pM) 光纖只能提供高達約20 dB之消光比（換言之保留偏振對正

父偏振之比），而精密干涉儀典型要求消光比大於約35 dB 1〇 ，且長更接近50 dB。通常目前偏振維持（PM)纖維之線偏 振分量間的串擾過多，無法提供良好測量要求的頻率乾淨 分離。 又另項技術將線偏振分量分離，將分離後的線偏振 光束送至分開偏振維持（PM)纖維用以於干涉儀之保護區段 内口 Μ复口。來自雷射之頻率分量最初之良好偏振，允許獲 付乾淨頻率分丨，用以輸入二偏振維持纖維，光束組 合器或輔助偏振器可清除由偏振維持（ρΜ)纖維送出的光束 的各別偏振，且對目前偏振維持（ρΜ)纖維低於期望之消光 “仪補“但若干面精度干涉儀要求極為精密的頻率分量 光束平订（例如微弧度精度）。被動光·機械底座難以達成且 、隹持要求的平行程度而不受溫度、干涉儀運送及組裝期間 遭逢的振動及撞擊帶來的變化。 /有鑑於前文說明目前系統之限制，外差干涉儀需要額 卜系、洗及方法進行雷射或其它光束源與干涉儀光學裝置分 7 玖、發明說明 開，同時仍然產生高度平行且分離乾料單色光束。 C 明内容】 發明概要 外差干涉儀之另—項考量為由分離後光束的熱環境中 5去除熱源（例如雷射）。通常干涉儀之光學裝置必需經過熱 保護不接觸來自雷射之熱，俾減少光束路捏及測量受到熱 干擾。熱保護通常係表示將雷射與干涉儀光學裝置分離， 通常要求一種機構來搖控傳輸來自雷射之光束至干涉儀光 學裝置。 10 —種傳輸來自雷射之光束之技術將光束通過光學窗輸 入含干涉儀光學裝置之經過熱保護之區段。鏡可導引光束 進入熱保護區段。此項技術之困難在於精準穩定地控制光 束通常需要將雷射及干涉儀光學裝置安裝於同一個極為穩 固的框架上，但仍需維持干涉儀光學裝置與雷射環境隔開。 15 另一項傳輸光束之技術係將包括線偏振分量之光束送 入單一偏振維持（PM)光纖。但目前可利用的偏振維持（PM) 光纖只能提供高達約20 dB之消光比（換言之保留偏振對正 交偏振之比），而精密干涉儀典型要求消光比大於約35 ，且長更接近50 dB。通常目前偏振維持（PM)纖維之線偏 20振分量間的串擾過多，無法提供良好測量要求的頻率乾淨 分離。 又另一項技術將線偏振分量分離，將分離後的線偏振 光束送至分開偏振維持（PM)纖維用以於干涉儀之保護區段 内。卩復合。來自雷射之頻率分量最初之良好偏振，允許獲 8 1223108 玖、發明說明 知乾淨頻率分光，用以輸入二偏振維持（pM)纖維，光束組 合器或辅助偏振器可清除由偏振維持（PM)纖維送出的光束 的各別偏振，且對目前偏振維持（PM)纖維低於期望之消光 比做補饧。但若干高精度干涉儀要求極為精密的頻率分量 5光束平仃（例如微弧度精度）。被動光-機械底座難以達成且 根據本發明之一方面，一種光束含有頻率略有差異之 左旋及右旋圓偏振分量，該光束由雷射或其它光束源送入 光，截。光纖可為均向性光纖，其為用於光束波長之單模態 光纖或用灰略比光束波長更長波長之單模態光纖。四分 1〇之一波板可改變來自光纖之平行輸出光之左旋及右旋圓偏 振分1成為線偏振分量，以及半波板可調整為旋轉線偏振 於干涉儀分光器平面產生預定的「S」及「p」偏振。 特定具體貫施例為一種包括光源、光纖、及偏振轉化 系統之系統。光源包括奇曼分光雷射，產生光束其含有具 15有左旋偏振及第一頻率之第一分量、以及具有右旋圓偏振 及第一頻率之第二分量。光纖接收且傳導包括左旋及右旋 分量之光束至預定位置，例如外差干涉儀之熱保護區段。 偏振轉化糸統係位在光纖的輸出，偏振轉化系統將第一分 量之左旋偏振轉成第一線偏振，且將第二分量的右旋偏振 20轉成第二線偏振，該第二線偏振係正交於第一線偏振。光 纖可為均向性光纖，其對於具有第一頻率之光以及具有第 二頻率之光為單模態光纖或少數模態光纖。 由光纖送出之光束之偏振通常係依據光纖之彎曲及溫 度決定，偏振穩定性係依據處於機械與熱平衡之光纖決定 9 1223108 玖、發明說明 。光纖包括塗層，該塗層可縮短光纖到達機械平衡之時間 ，及/或包括硬質護套，該硬質護套可對抗動態彎折。於 偏振轉化系統中，四分之一波板可安裝調整式傾斜角及調 整式翻滾角來允許四分之一波板根據光纖送出之左旋及右 5 旋偏振性質定向。 本發明之另一具體實施例為一種提供外差光束之方法 。該方法包括··產生一光束，其含有具有左旋偏振及第一 頻率之第一分量、以及具有右旋偏振及第二頻率之第二分 量；將光束耦合入光纖；以及將光纖送出之光束的左旋偏 10振及右旋偏振轉變成為各別線偏振，其典型為彼此正交。 四为之一波板可轉變偏振。四分之一波板之傾斜角及翻滾 角可調整而補償光纖彎折對於由光纖送出之左旋及右旋偏 振性質的影響。 圖式簡單說明 15 第1圖顯示根據本發明之一具體實施例，外差干涉儀 之部分方塊圖。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 外差干涉儀之光束源送出光束，該光束包含帶有第一 20頻率且主要為左旋圓偏振或橢圓偏振之第一分量，以及帶 有第二頻率且主要為右旋圓偏振或橢圓偏振之第二分量， 該光束通過光纖至外差干涉儀之光學裝置。光纖可為均向 性，於分量頻率之單-模態光纖、4「少數模態」光纖（ 換言之於略為較低頻率之單一模態光纖)。位於光纖輸出 10 玖、發明說明 端之四分之一波板或其它光學元件，將由光纖送出之平行 光束中各分量之左旋及右旋偏振轉變成為正交線偏振供外 差干涉儀使用。 第1圖為提供輸入光束至外差干涉儀之系統1〇〇之方塊 5圖。系統100包括雙頻光束源110，調整式發射器120、光 纖130、準直器140、偏振轉變光學裝置15〇、封閉回路控 制系統160、以及偏振分光器17〇。 雙頻光束源110產生一光束，該光束含有兩種頻率略 為不同之頻率分量。典型地於奇曼分光雷射輸出端，二頻 〇率差異於1至4 MHz，但使用聲光調變器（a〇Ms)或其它裝 置可達成高達400 MHz或以上之較大頻率分離。各頻率分 量具有左旋或右旋偏振，其係與另一頻率分量之偏振正交 〇 光束源110之具體貫施例為市售He-Ne雷射頭，例如得 15自安捷倫（Agilent)技術公司之5517系列雷射頭，但光束源 110缺乏輸出光束元件，輸出光束元件通常將腔穴偏振轉 變為線偏振。55 17系列雷射頭之奇曼分光，產生一種外差 光束，其含有頻率分量帶有頻率差異約15至3 MHz及平均 頻率約474十億赫茲（GHz)(或波長約633奈米）。 20 調整式發射器I20將來自光束源no之光束耦合入光纖 130。此種發射器為業界眾所周知，且包括例如得自紐澤 西州卡德威光學研究公司之「光纖埠（Fiber p〇rt)」。發射 器120可視情況需要直接安裝於He-Ne雷射管，俾將指標不 安定性減至最低，將部分計數減至最低，而將傳輸效率增 11 玖、發明說明 至最高。 光、截130將來自光束源110之光束載至準直器140。於 本發明之具體實施例中，光纖130對來自光束源110之光束 之光頻率而g為均向性單模態光纖或少數模態光纖。少數 模態光纖對於具有比_合於纖維之光略為較長波長（或較 低頻率）之光而言為一種單模態光纖。本發明之具體實施 例中，光纖130為得自商業來源例如3M公司之標準單模態 光、截。特別633奈米光之單模態光纖或82〇奈米光之單模態 光纖其對633奈米光而言為少數模態光纖。 虽偏振光通過光纖13〇時，依據光纖13〇的彎折及溫度 而定’輸出偏振可有寬廣多種形式。偏振可於光纖之動態 弯折或溫度改變期間改變，但當光纖13〇達到溫度及機械 平衡時變穩定。光纖130可有硬質或半硬質護套來限制動 態彎折。另外，為了加速機械穩定化，光纖13〇可有「鬆 15 JL. 、 蛮」塗層’例如市面上得自3M公司提供於若干光纖上的 塗層。鬆垂塗層可減少由於光纖對捲繞於線軸上之機械記 憶造成的打結以及糾纏，因而縮短光纖130弛豫.至機械平 衡所需時間。帶有或未帶有鬆垂塗層之光纖13〇可置於疏 鬆嵌合的硬質或半硬質護套内來限制光纖130的移動。 20 其它減少光纖130之動態彎折影響之技術包括：使用 靜態、緊密彎折與搓捻或順著光纖130之夾緊關鍵點而去 除邊際模態；於發射器120讓光纖130之數值孔徑填補不足 且避免銳利彎曲；或略為讓發射器120散焦，如此喪失若 干功率，但將使系統1〇〇對光纖130輸入端的小量移動較不 12 玖、發明說明 敏感。 βο準直裔140提供平行光束，其含有頻率略為差異之二 7色左疑及右旋偏振分量。二分量由同-根光纖（光纖130) 送出 口而限制為同轴，此點係與對分開光束使用分開光 5 纖之系統不同。 "、有左力疋及右旋偏振之頻率分量間的串擾通常比發送 : 又線偏振分$至單一偏振維持光纖之系統產生的串 擾遠更低。圓偏振光由光纖之中心·護套界面散射顯然進 行Ιχ ν去偏振。有較大中心的少數模態光纖於中心-護套 1〇界面也提供較低光強度而進-步降低去偏振。 纖維之消光比及零位軸深度為光纖13〇保存輸入光束 矛度以及光纖13〇維持二頻率分量偏振正交程度之 測量值。特別特定輸入偏振之消光比為當輸入光束具有特 定偏振時，輸入光束之污染偏振與預定偏振之振幅比。零 15位軸深度係依據藉偏振分離二分量後於期望頻率之功率對 於污染頻率之功率比。 系統100操作期間之問題為零位軸深度之穩定度。通 常發現均向性纖維對未受干擾之光纖於長時間間隔（大於3 分鐘）消光比之變化小於5%。 20 ㈣向性域可提供具有深零位軸及消光 比之良好結果。少數模態光纖（換言之對略為較長波長之 單一模態光纖；例如800-1300奈米之單模態光纖用於633 奈米光之時）也可提供深零位軸及消光比，但少數模態光 纖對光纖130之f曲或溫度變化可能較不穩定。輸出傳播 13 1223108 玖、發明說明 角對使用少數模態光纖彎曲也較為敏感。 於第1圖之具體實施例中，偏振轉變光纖！50包括四分 之一波板152及半波板154帶有分開波板安裝系統156及158 。四分之一波板152改變來自準直器14〇之平行光分量之左 5旋及右旋偏振，故由四分之一波板152射出之光束含有兩 種單色線偏振分量，其仍然於同一光束内為同轴。然後半 波板154旋轉分量之線偏振，讓一種分量具有外差干涉儀 之「S」偏振，另一種分量有「p」偏振。 女裝系統156及158提供各別波板152及154之翻滾與傾 1〇斜調整。較佳波板152及154有足夠孔隙來防止安裝系統 156及158之調整範圍出現靴波及功率喪失。通常四分之一 波板152傾斜之調整可確保輸出線偏振為正交。使用全翻 滚凋I以及有效雙軸傾斜調整（例如二垂直軸各別士 1 〇至 Ϊ5度）女裝系統156及158可調整偏振及傳播方向因光纖 15 I30的特火構型及溫度造成的變化，因此讓波板152及154 可產生具有線正交且正確定向偏振以及消光比大於約h dB之輸出光束。 視it况品要封閉回路控制系統丨6〇操作安裝系統156及 158，來視需要調整波板152及154之方向性，俾補償當光 20纖130重新配置彎曲時導致的快速偏振變化，或補償當光 纖130穩定定位時導致的較緩慢偏振變化。 第1圖之具體實施例中，控制系統16G包括非偏振分光 器162、旋轉線偏振器164、差頻信號感應器166及控制電 8非偏振分光杰162指示偏離偏振之束功率微弱 14 玖、發明說明 式樣（例如为4 /〇)，轉化光學裝置j 5〇而旋轉線偏振器⑹。 方疋轉線偏振器164有一通軸，該軸線恆常環繞試樣光束之 光轴旋轉。以機械方式旋轉線偏振器、或使用液晶或帶有 5雙折射材料藉應力、電場或磁場或聲音激發而感應之性質 5 ，可達成此種軸線轉動。差頻信號感應器166為交流接收 裔，其拾取通過線偏振器164之光之差頻信號。然後控制 電子裝置168與旋轉線偏振器164之通軸角度同步，讀取此 差頻信號，且判定零位軸深度及零位軸角度，同時系統 1〇〇穩定至平衡、經調整、且經操作來測量物件的移動。 用於系統1〇〇之主動控制，控制電子裝置168可追蹤線 偏振器164之通軸角至約5至1〇弧秒以内，交流接收器166 測疋差頻信號的振幅。於對應各分光之偏振之通軸角，差 頻信號通過最小或「零位軸」，唯一促成差頻信號者為另 一種頻率極少數洩漏。零位軸間隔約90度，涵蓋通軸旋轉 15遠較寬之角度範圍（數度）之最大差頻信號係介於連續零位 轴之中途。控制電子裝置168跟蹤零位軸深度（例如最大與 最小間之差異，以dB表示）以及對應於零位軸之通軸角度 位置二者。控制電子裝置168調整四分之一波板152之方向 性’讓零位軸變更深（換言之讓輸出偏振變成更為線性， 20 且儘可能接近正交）。控制電子裝置168調整半波板154之 方向性而讓正交線偏振對其干涉儀軸。干涉儀軸係於安裝 干涉儀系統時校準。 干涉儀中，偏振分光器170接收來自偏振轉化光學裝 置150之輸出光束且形成分開光束172及174。偏振分光器 15 1223108 玖、發明說明 為業界眾所周知，常見含有雙折射材料或塗層，其可反射 具有線偏振絲及透射具有正交「s」偏振光。偏振 分光器170係根據線偏振分離光束分量。分開光束μ及 m之強度及料分析或比較，指示正交偏振保存的程度 5 ’以及頻率分量分離是否乾淨。 系統100之校準操作等候光纖13〇達到熱及機械穩定， 然後㈣四分之-波板152之傾斜而產生帶有線正交偏振 之分量。通常依據干擾幅度而定以及固體支持結構的鄰近 程度.，使用3毫米PVC護套纖維，達到機械平衡需時數秒 1〇至數分鐘（例如部分停靠在台面上的纖維比掛在半空中的 纖維可在更短時間内達到平衡）。然後四分之一波板152之 定向角經過調整而於分光器17〇分開之光束達到最深的零 位轴。然後於輸出光束調整半波板154而達成預定之線偏 振。 15 雖然已經參照特定具體實施例說明本發明，但此處說 月✓、為本兔明之例證而不可視為限制性。於如下申請專利 範圍界定之本發明範圍内可對揭示之具體實施例特色做出 多種調整與組合。 【囷式簡單說明】 0 第1圖顯示根據本發明之一具體實施例，外差干涉儀 之部分方塊圖。 【圓式之主要元件代表符號表】 100··.系統 120…調整式發射器 110··.雙頻光束源 130···光纖 16 1223108 玖、發明說明 140...準直器 164...旋轉線偏振器 150...偏振轉變光學裝置 166…差頻感應器 152...四分之一波板 168...控制電子裝置 15 4…半波板 17 0...偏振分光 156，158…波板安裝系統 172，174…分開光束 160...封閉回路控制系統 162...非偏振分光器 17

Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍 種用以提供一外差光束之系統，包含： 一光束來源，該光束含有一具有左旋偏振及第一 頻率之第一分量、以及一具有右旋偏振及第二頻率之 第二分量； 一光纖，其係設置成接收光束及導引光束；以及 一偏振轉化系統，其係位於光纖之輸出端，該偏 振轉化系統轉變第一分量之左旋偏振至成為一第一線 偏振’以及將弟一分$之右旋偏振轉成一第二線偏振 ’該第二線偏振係正交於第一線偏振。 2·如申请專利範圍第丨項之系統，其中該光束源包含奇曼 刀光雷射。 3·如申请專利範圍第2項之系統，其中該光束源進一步包 含一發射器，該發射器係安裝於奇曼分光雷射之管且 作用於將光束耦合入光纖。 15 4·如申請專利範圍第1項之系統，其中該光纖包含均向性 光纖。 5·如申請專利範圍第4項之系統，其中該光纖為有第一頻 率之光以及有第二頻率之光之單模態光纖。 20 6.如申請專利範圍第4項之系統，其中該光纖為有第一頻 率之光以及有第二頻率之光之少數模態光纖。 7·如申請專利範圍第!項之系統，其中該光纖包含一塗層 其可縮短光纖達到機械平衡所需時間。 硬質護套 8·如申請專利範圍第1項之系統，進一步包含 ，該硬質護套容納光纖且對抗彎折。 18 1223108 拾、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第1項之系統，其中該偏振轉化系統包 含一塊四分之一波板。 10·如申請專利範圍第9項之系統，其中該偏振轉化系統進 一步包含一底座其容納該四分之一波板，底座可調整 5 而控制四分之一波板之傾角俾對光纖的彎折作調整。 11·如申請專利範圍第9項之系統，其中該偏振轉化系統進 一步包含一底座容納四分之一波板，該底座可調整而 控制四分之一波板之翻滾角，俾調整由光纖送出之左 旋及右旋偏振之橢圓性質。 10 丨2·如申晴專利範圍第9項之系統，進一步包含一封閉回路 控制系統，該系統係連結成根據偏振轉化系統之輸出 光束測量得之性質而動態調整四分之一波板之方向性。 13·如申請專利範圍第9項之系統，其中該偏振轉化系統包 含一塊半波板。 15 14·如申請專利範圍第13項之系統，其中該偏振轉化系統 進一步包含： 一第一底座，其容納四分之一波板；以及 一第二底座，其容納半波板，該第一及第二底座 可獨立調整俾控制四分之一波板及半波板之方向性來 20 對光纖的彎折作調整。 15.如申請專利範圍第13項之系統，進一步包含一封閉回 路控制系統，其連結成根據偏振轉化系統之輸出光束 測量得之性質，而動態調整四分之一波板及半波板之 方向性。 19 拾、申請專利範圍 16· —種用以提供一外差光束之方法，包含： 產生一光束，其含有一具有左旋偏振及第一頻率 之第一分量、以及一具有右旋偏振及第二頻率之第二分 量； 5 將光束耦合入光纖；以及 將光纖送出之光束之左旋偏振及右旋偏振轉變成 各別線偏振。 17·如申請專利範圍第16項之方法，其中轉變左旋及右旋 偏振包含將第一分量之左旋偏振轉變成第一線偏振， 10 以及將第二分量之右旋偏振轉變成第二線偏振，該第 一線偏振係正交於該第一線偏振。 18·如申請專利範圍第16項之方法，其中轉變左旋及右旋 圓偏振包含導引來自光纖之光束通過四分之一波板。 19·如申請專利範圍第18項之方法，進—步包含調整四分 15 之一波板之傾角俾對光纖之彎折作補償，讓光束之第 一及第二分量於由四分之一波板送出時具有各別正交 線偏振。 20.如申請專利範圍第18項之方法，進一步包含根據由光 纖送出之左旋及右旋偏振之橢圓性質，調整四分之— 20 波板之翻滾角度。 20