馬海強 李泉躍 汪龍 韋克金 張勇 焦榮珍

(北京郵電大學理學院,北京 100876)

1 引言

光的偏振態(tài)作為信息的載體得到越來越廣泛的應用,特別是其成為量子密鑰分發(fā)得以實現(xiàn)的一種重要途徑[1-3].此外在單模光纖與光波導的耦合中,偏振態(tài)匹配也是提高耦合效率的重要方法之一;光的偏振態(tài)在單模光纖傳感器、光纖環(huán)鏡[4,5]以及光纖激光器[6,7]中也有著重要的應用.因此,光偏振態(tài)的控制,特別是光纖中光偏振態(tài)的高精度、高速度的控制方法引起了科研人員和工程人員的重視[8].

常用的機械式光纖偏振控制器--光纖擠壓/纏繞型[9,10],主要通過外力扭轉光纖使光纖的各個方向受力不均勻,進而導致光纖的應力雙折射效應來改變偏振態(tài),該方法結構比較簡單、容易制作,同時也存在光纖的物理疲勞、機械結構形變等缺點,易導致其性能不穩(wěn)定,不能實現(xiàn)精確的控制.此外由于涉及到機械裝置,故其控制速度一般較慢.機械式偏振控制器多用于實驗室研究.采用手動的粗略調(diào)節(jié),使得調(diào)節(jié)的精度大大降低,但它采用在線光纖進行偏振控制,故其損耗一般很低.還可利用晶體電光效應特性,通過調(diào)控電壓、電流、磁場等因素實現(xiàn)對光偏振態(tài)的控制,例如基于電光晶體、液晶、磁光材料等光學材料[11]的相位調(diào)制器,這類相位調(diào)制器具有精度高、速率快的特點,但它需要復雜的控制電路和較高的偏置電壓,結構較為復雜,成本較高.

上述的偏振控制方法,隨著外界環(huán)境如溫度和應力的變化都會導致光纖發(fā)生形變,這種形變會引入額外的雙折射,從而導致偏振態(tài)發(fā)生變化,這種改變是隨機的,如果不加以控制,將對系統(tǒng)造成不穩(wěn)定性,從而降低了器件的抗干擾能力.

本文提出了一種結構簡單、抗干擾性強、易于實現(xiàn)的高速率、高精度的全光纖偏振控制方法.主光路由光源、四端口光偏振分束/合路器、相位調(diào)制器、90?旋轉法拉第反射鏡連接而成;四端口光偏振分束/合路器與90?旋轉法拉第反射鏡的組合消除了光學器件、光纖的雙折射效應,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,高速率的相位調(diào)制器保證了該方法的高精度和高速率.

2 實驗原理

高速率、高精度的全光纖偏振控制原理圖如圖1所示.一臺激光器(LD),其輸出光耦合進四端口偏振分束器(DPBS)的輸入端口a,為敘述方便,定義DPBS分光面AB反射垂直偏振光|v〉,用Λ2表示;透射平行態(tài)偏振光|h〉,用Λ1表示,Λ1透射后由c端口到達90?旋轉法拉第反射鏡(FM2)被反射回來,在被FM2反射回來的同時,其偏振方向也旋轉90?而成為垂直偏振;再次到達DPBS分光面被反射后到b端口,此路定義為參考臂.在這一過程中,雙折射效應得到了自動補償.

圖1 高速率、高精度的全光纖偏振控制原理圖

對于任一具有雙折射效應的器件,它的正向瓊斯傳輸矩陣T,反向瓊斯傳輸矩陣T可表述為[12]

式中θ是參考坐標與雙折射器件的快慢軸的夾角,θo,θe是雙折射器件引起的o光和e光的相位變化.

當前普遍采用的往返一次﹑偏振方向旋轉90?的法拉第旋轉鏡可等價成終端附有一個普通平面反射鏡的45?法拉第旋轉器,由(1),(2)式容易給出終端帶有90?法拉第旋轉鏡和雙折射器件組成光路的瓊斯傳輸矩陣為

其中?=θo+θe,從(3)式可以看出,其傳輸矩陣等價為一個相移因子和法拉第旋轉鏡傳輸矩陣的乘積,與輸入光的偏振態(tài)、光所經(jīng)過的路徑、傳輸介質的雙折射效應無關,可從物理上自動消除光路中各種器件引入的各種雙折射效應,進而實現(xiàn)了系統(tǒng)抗干擾的功能,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

Λ2通過PM到達FM1被反射回來,在被FM1反射回來的同時其偏振態(tài)變?yōu)槠叫衅?同時往返通過PM,FM1組成的光路的過程中PM把所要調(diào)制的相位加到了Λ2脈沖上,再次到達四端口偏振分束/合路器的分光面并透射后到達b端口,此路定義為控制臂.此時刻的狀態(tài)表示為

其中θ是由于控制臂光路引入的相位,?相位調(diào)制是相位調(diào)制器所調(diào)制的相位.

Λ1再次到達DPBS的分光面,進而被反射,沿著b端口輸出,偏振態(tài)表示為

其中θ是由于參考臂光纖引入的相位.

調(diào)節(jié)控制臂和參考臂的光程相等,那么Λ1,Λ2同時到達DPBS的分光面從b端口出來,根據(jù)相互垂直振動的合成規(guī)律,Λ1,Λ2就合束為一個偏振方向的光束,其偏振態(tài)Λ可表示為從上式可以看出輸出光的偏振態(tài)僅與相位調(diào)制器所調(diào)制的相位有關,與所經(jīng)過的路徑完全無關,也即消除掉了光路對光的偏振帶來的影響,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力.

3 實驗結論和分析

為了方便控制參考臂和控制臂等光程,我們的實驗光路較原理圖1做了改動,如圖2所示.一個激光器發(fā)出一恒定偏振態(tài)的光脈沖(以45?線偏振態(tài)為例),該光脈沖通過環(huán)形器(CIR)以后,入射到DPBS/合路器分光面AB,分成兩個光強相等且偏振方向正交的激光脈沖Λ1和Λ2.Λ1到達FM1被反射回來,偏振變成水平偏振態(tài),透射通過DPBS分光面到達FM2,而后被FM2反射回來,偏振變成垂直偏振態(tài),再次到達DPBS分光面而被反射到達FM3,被FM3反射回來,偏振變成水平偏振態(tài),再次到達DPBS分光面而透射,到達環(huán)形器的反向輸出端.同理可以分析Λ2與Λ1所走的路徑完全一樣,只是先后順序不一樣.最終Λ1和Λ2同時抵達DPBS的分光面而相遇,并且疊加成一個新的脈沖Λ,沿著如入射時相反的方向傳輸,而Λ的偏振方向就是由Λ1和Λ2的相位差所決定的.所以,通過對PM的控制可以控制Λ1和Λ2的相位,從而實現(xiàn)對疊加脈沖Λ偏振方向的控制.

圖2 高速率、高精度的全光纖偏振控制的實驗光路圖

圖3 加在相位調(diào)制器上的電壓

光脈沖Λ輸出后接入到一個三端口偏振分束器的公共端(PBS),PBS的放置可以根據(jù)使用要求擺放成PBS與DPBS的基矢一致,也可以不一致.在我們的實驗中兩個偏振分束器的基失是不一致的.PBS的兩個保偏輸出端口分別接光功率計(用以測量輸出光的偏振態(tài)在兩個正交分量的功率)檢驗輸出光的偏振態(tài)的變化,兩個光功率計的計數(shù)結果如圖3所示.

通過圖3可以看出,隨著加在相位調(diào)制器上電壓的變化,也即Λ1和Λ2的相位差的變化,輸出光的偏振態(tài)在兩個正交分量上的值也在變化著,變化也是互補的,而且消光比可達31 dB.

4 結論

通過相位調(diào)制器調(diào)節(jié)光的相位可以做到高速率、高精度,可以消除機械式的偏振光控制方法很難做到的精確、高效、高速.該方案可以對一恒定偏振態(tài)的輸入光,通過電調(diào)節(jié)高效地產(chǎn)生各種不同偏振態(tài)的輸出光,克服了傳統(tǒng)偏振控制器由于存在物理疲勞等因素和環(huán)境因素的影響,很容易引入額外的雙折射,造成系統(tǒng)的抗干擾能力差.本方案中四端口偏振分束/合路器與90?旋轉法拉第反射鏡的組合消除了光學器件、光纖的雙折射效應,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.實驗上取得了可達31 dB消光比的偏振態(tài)控制.

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