保偏光纤耦合如何对准输入偏振方向?
发布时间:2024-04-15 15:39:14 阅读次数:407

 

- 什么是保偏光纤?  -

 

光纤在生产和使用过程中受到外部干扰,如挤压、弯曲、温差大等影响时,光纤会产生双折射特性,此时当光束在此光纤中传输时,偏振态就会变得杂乱无章。 而保偏光纤则是通过生产过程中引入更强烈的双折射,使光纤中外界干扰的双折射远小于保偏光纤自身双折射特性,令轴向各位置的双折射保持不变,实现对入射光偏振态的保持。

 

图1.熊猫型保偏光纤结构示意图

 

通常引入高双折射的方法是通过在纤芯两侧加入两种改进玻璃组分的应力棒,从而在光纤包层中引入几何对称的不均匀应力来实现。 在光纤预制棒的拉丝工艺中,光纤由高温快速降到较低的温度,由于应力棒和周围包层的热膨胀系数不同,使纤芯受到沿两个应力棒连线方向的外力,从而在纤芯中产生了应力双折射,形成了垂直的快轴和慢轴。 保偏光纤要实现保持入射光偏振态的效果,需满足入射光必须是线偏振光,并且偏振方向和快轴方向或慢轴方向平行,如果输入的线偏振光不沿快轴方向或慢轴方向偏振,则输出为椭圆偏振光。

当空间光需要耦合进保偏光纤时,如何将其偏振方向和保偏光纤的快轴或慢轴对准呢? 通常有偏振测量法和功率测量法

 

 

偏振测量法

 

首先 在保偏光纤前加一片偏振片和一片半波片,偏振片起起偏作用,保证耦合进光纤的为线偏振光,半波片用于调整入射光的偏振方向 当入射光偏振方向没有和保偏光纤的快轴或慢轴对准时,入射光同时被耦合在保偏光纤的两轴,光纤输出为椭圆偏振光。 此时如果光纤受到应力或温度发生变化,输出偏振态将不停变化。

图2.偏振测量法光路示意图

 

使用偏振测量仪对保偏光纤输出光的偏振态进行测量,打开偏振测量仪的庞加莱球视图。 庞加莱球表面的每一个点均对应一个偏振态,其两极分别表示左旋圆偏振态和右旋圆偏振态,赤道上的点表示线偏振态。

3. 庞加莱球示意图

使用加热台改变保偏光纤的温度或者轻微来回弯折光纤 ,使纤芯受到的应力连续变化,其快轴和慢轴方向下的偏振分量的相位差在0~2π间连续变化,输出光的偏振态在椭圆偏振和线偏振之间循环变化。 此时观察偏振测量仪的庞加莱球视图,连续变化的偏振态记录在庞加莱球上画出一个关于赤道对称的圆。 该圆的半径表示入射偏振方向和保偏光纤快轴或慢轴的对准度,此时半径越小说明对准度越高

4.连续变化的偏振态在庞加莱球上形成圆形轨迹

 

旋转半波片使入射偏振方向逐渐对准保偏光纤的快轴或慢轴 ,可以看到圆的半径逐渐变小。 理想情况下入射光偏振方向和保偏光纤的快轴或慢轴对准时,圆会缩小为赤道上的一个点。 但实际保偏光纤通常会存在一些瑕疵使得入射光不能完美保偏,因此我们只能通过旋转半波片使庞加莱球上圆的半径尽可能的小,当圆的半径达到最小时则认为入射光偏振方向和保偏光纤的快轴或慢轴已对准

5.轨迹圆的半径在对准度最高时达到最小

 

 

 

功率测量法

 

偏振测量法的不同的是,功率测量法是将偏振测量仪更换为功率计和一个偏振片,通过测量出射光经过偏振片检偏后的功率值来判断入射光和光纤快轴或慢轴的对准度。

 

6.功率测量法光路示意图

通过功率曲线振幅变化判断

 

使用加热台改变保偏光纤的温度或者轻微来回弯折光纤,使纤芯受到的应力连续变化,其快轴和慢轴方向下的偏振分量的相位差在0~2π间连续变化,输出光的偏振态在椭圆偏振和线偏振之间循环变化。

将功率计连接电脑,在功率计软件上观察功率计测得的出射光经过偏振片检偏后的功率曲线,可以看到测得的光功率曲线呈周期性振荡变化。 测得功率的最大值和最小值,分别对应输出光在光纤快轴和慢轴方向下,偏振分量相位差在0~2π一次循环中成为线偏振光的时刻。 入射光的偏振方向和光纤的快轴或慢轴对准度越高,则出射光在一个循环周期内两个线偏振态的角度越接近,从而功率计测得的功率波动越小

 
7 . 光功率曲线周期性变化示意图

 

旋转半波片同时观察功率曲线的振幅波动,当功率振幅波动达到最小时则认为入射光偏振方向和保偏光纤的快轴或慢轴已对准。

8 .光功率曲线振幅波动随对准度变高而减小

需注意的是,当对准度较高时功率曲线的振幅波动较小,为了更清楚地观察到功率振幅的变化,首先转动功率计前的检偏偏振片,使功率曲线的振幅达到最小,然后再将检偏偏振片旋转45°,此时功率振幅达到最大效果,最后再旋转半波片进行入射光偏振方向的对准

为了观察到周期性变化的功率曲线, 建议以恒定的速度对保偏光纤进行加热或降温,光纤的温度变化速度越快则功率变化的循环周期越小

通过功率计读数判断

 

相比第一种功率测量法,第二种方法只需要对功率计进行读数即可判断是否对准且光路和第一种功率测量法相同。

转动功率计前的偏振片,使功率计读数达到最小值,然后沿固定方向小角度旋转半波片,再次转动功率计前的偏振片,使功率计读数达到最小值 。 不断重复以上操作直至功率计读数达到一个极小值,则认为入射光偏振方向和保偏光纤的快轴或慢轴已对准

需注意每次旋转半波片要沿相同的方向,且每次的旋转角度应尽可能小,直至旋转偏振片后的最小值比上一次旋转半波片前要大时,则向相反方向旋转半波片,直至找到极小值。

第二种功率测量法虽不像前两种方法一样能够直观得判断对准度,但不需要对光纤施加应力,避免了应力释放不完全对光纤快慢轴方向的影响、对准后光纤耦合光轴的慢漂和对轴效果缓慢恶化等问题。大家可以根据自己的实际情况选择合适的方法进行对准操作。 

 

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