光纤偏振控制器原理

一、光纤偏振控制器

      光纤偏振控制器，即利用外界施加力作用在光纤上产生的应力双折射效应，使光纤能够产生类似于λ/4或λ/2波片对入射光偏振态进行改变的效果的仪器。目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：由多个延迟固定、方位角可变的波片组成；由单个延迟可调、方位角可变的波片组成；由多个延迟可调、方位角固定的波片组成。其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敏感的，依靠机械旋转来调节波片的偏振控制器调节速度非常慢，除了这些固有的限制外，以上三种方法原则上都是可行的，但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性。

二、特点

      1. 全光纤结构

      2. 低插入损耗

      3. 宽波长工作范围

      4. 高回波损耗

三、说明

      1. 三环偏振控制器

       一个典型的偏振控制器由三个可旋转的波片组成，一个λ /2 ( HWP )波片处于两个λ /4 ( QWP )波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。在这种实现方法中，波片的延迟是固定的，但波片的相对角度是可变的。在三环式偏振控制器中，三个光纤线圈取代了自由空间的延迟波片，线圈弯曲产生的应力，可以产生与线圈直径平方成反比的双折射效应。调节光纤线圈的直径和圈数即可得到任何希望得到的全光纤波片。

      三环光纤偏振控制器是基于光纤本身的应力双折射效应制作，从而形成三个等效于独立波片的全光纤结构波片。因为光纤中产生的相位延迟量是光纤绕圈的圈数、光纤绕圈直径、光纤包层直径、输入光波长的函数，应力双折射是由光纤中的环路引起的，再通过手动旋转环片，进一步实现输出光纤偏振矢量的快速调整。

      为了实现输入偏振态到任意偏振态的转换，使用三个环（分别等效于四分之一波片、半波片和四分之一波片）的组合。根据如下述公式可计算每个环产生的相位延迟量：

其中φ为相位延迟量，a为应力双折射常数（石英光纤的a等于0.133），N为光纤绕环的圈数，d为光纤的包层直径，λ为输入光波长，D为光纤绕圈的直径。

      以SMF-28e光纤为例，输入波长为 1550 nm，光纤包层直径为 125 um，光纤环直径为 56 mm，每个环产生的相位延迟量与圈数的关系近似如下：

      由此可得在 1550 nm 时，光纤在各环所绕圈数如下：

      2. 挤压式光纤偏振控制器

      挤压式光纤偏振控制器是利用机械挤压和旋转光纤产生和调节应力双折射，从而能够改变输入光的偏振态。挤压式光纤偏振控制器只能适配 900 μm套管的光纤。

      挤压光纤产生的相位延迟量可由以下公式计算

其中，λ为输入波长，F为挤压力，d为光纤的包层直径。固定挤压力后，再通过手柄旋转角度，即可调节输出光的偏振态。

四、应用说明

      因为光纤偏振控制器控制精度低，因此通常用于随机产生偏振态，主要应用于测试领域。案例如下

      例：光纤器件测试--偏振相关损耗

图1 光纤偏振控制器在测试用的应用光路示意图

      光纤偏振控制器在光纤器件测试领域应用广泛，主要用来测试器件的偏振相关损耗。偏振相关损耗，即对同一器件，输入光波长、光功率相同的情况下，偏振态不同器件的损耗会有差异，器件在A偏振态下会有最小的损耗A1，而在B偏振态下会有最大损耗B2，两者损耗之差B2-A1即为该器件的偏振相关损耗，表征了器件对于偏振态变化的输出稳定性，该值越小，那么器件抗偏振的性能越好。