全光纤偏振波分复用器

全光纤偏振波分复用器

陈华上海大学光纤研究所引言：全光纤型偏振分束器是以熔融拉锥技术制成的一种特殊的耦合器。通过这一器件,能将构成基模的两个正交偏振模分离(分束),可以认为它是一个纤维型的Wollaston棱镜。他在相干通信、高级光纤传感系统和光纤测量技术方面均有广阔的应用前景。本文先对偏振分束器的结构及原理进行了描述与分析,进而通过对偏振分束器的偏振谱的测定与分析,最终我们发现,偏振分束器在一个较宽的波长范围内是一个极好的全光纤型偏振波分复用器。

原理：熔锥型光纤偏振分束器是以熔融拉锥的方法将两根局部裸露的光纤进行熔烧拉制所制成的熔锥型器件,该器件的结构可以用图1所示的结构来表示。其中, P1、P2分别为输入端的光功率,P3、P4分别表示输出端的光功率。熔锥型光纤偏振分束器耦合段的横截面为哑铃状如图2所示。

图1 偏振分束器的外形结构

图2 偏振分束器的横断面

其几何形状由2ρx和2ρy来描述。

(1)

其中

n=1.46 石英；n0=1 空气

假定偏振分束器拉细了的哑铃状耦合段中ρx=2ρy=10μm,当λ=1.3μm,其V值记作V(1.3),结果如下：

V(1.3)≈26

这样大的V值当然已不满足单模条件,这表明在拉细了的耦合段已不能区分原有的芯子和包层,因此可以说熔锥型器件是一种包层模器件。

进而考虑两个最低阶模：LP01和LP11,他们对应的传播参数为β01和β11。由于原始的单模光纤不可能绝对圆对称,因此他们的偏振分量；。

偏振分量的功率写作, (或y)

Ci为偏振模的耦合系数

当耦合器有足够长度时,在经整数N次耦合振荡后,在某一波长λ0,有可能出现如下的情况：

(2)

即两个偏振分量恰好差了π/2。在这种情况下则有：；

这就是说,对某一波长λ0,当两个偏振分量恰好产生π/2的相位差时,可达到最大的偏振消光比。从而可以实现在λ0处的偏振分束。

进而我们可以推导出上述所需整数耦合振荡次数N的数学表达式：

(3)

将λ0=1.3μm的有关数值代入,得到耦合振荡次数N：

N(1.3) ≈37

再进一步可以推导出实现偏振分束所要求的耦合长度L。

经推导,最后获得下式(4)器件耦合长度：

(4)

将λ0=1.3μm的有关数值代入式(4),可得到耦合长度L：

L(1.3) ≈9mm

当然实际器件的长度,还应包括与此数值相当的锥度区长度。

实验：

1、制备

根据上述理论分析,采用熔融拉锥的方法完全可以制成实用化的偏振波分复用器。本实验采用单色以分光光源作为注入监控光,以氢-氧焰为加热源进行熔融拉锥,整个过程通过计算机自动控制。图3为器件拉制过程中耦合功率与拉伸长度之间的关系曲线。在整个拉伸过程中,注入光功率的变化呈正弦振荡,且功率变化的速度随着拉伸长度的增加而越来越变快。

2、偏振谱的测定

对于全光纤偏振分束器的光谱测定与分析应该从两种状态进行测定,即以非偏振状态注入和偏振状态注入两种不同情况下,对器件的输出谱特性进行测定和分析。对全光纤偏振分束器的应用,通常情况下人们是以非偏振状态注入,利用该器件可将构成单模的两个正交偏振模分离开来这一特性。我们在对偏振分束器性能测定时,不仅对它在非偏振状态下的偏振特性进行测定外,主要以偏振注入的情况下,对该器件的输出偏振特性进行测量和研究,进而得出,偏振分束器除了可以被用作分束以外,还可以被用作为一种偏振波分复用器。实验中,我们用白光经单色仪分光作为注入测量用光源,因此,波长测量范围可以从600nm-1600nm。当某一个偏振光被注入到光纤偏振分束器时,这时偏振分束器则作为检偏器,通过调节起偏器的注入偏振光轴(00,900),我们可以获得相应的偏振输出谱的实验曲线。图4(a)、图4(b)即是光纤偏振分束器在两个不同偏振注入状态的情况下器件的光谱特性。从中可以看出,在从1200-1600nm相当宽的波段内,光纤偏振分束器表现出相当有规律的周期性波动,且刚好可以被认为是一个复用波长间隔约40nm的偏振波分复用器；从中我们还可以看出,在这个相当宽的波长范围内光功率的响应是呈正弦振荡,且波长隔离度大于20dB。如果能将该器件和单模光纤窄复用波长间隔的波分复用器结合起来,这必将进一步成倍的提高和扩大信息容量。

结论：各种波分复用器都是以熔锥技术为基础而发展起来的,波分复用器目前主要用于提高单模光纤通信系统的信息容量,以及高精度的光纤传感系统中,它所起的作用只是将不同波长的光进行合束或分束,如果两个偏振态通过保偏光纤来控制,那么不同波长的偏振模式的合束则可以通过偏振波分复用器来实现。实验结果表明,该器件完全可以被用作偏振波分复用器,从而将信息容量进一步成倍地增加。

图3 拉伸长度与功率变化

图4(a) 偏振注入0度时,两个输出端的光谱相应

图4(b) 偏振注入90度时,两个输出端的光谱相应

参考文献

[1] 魏道平等熔锥型光纤偏振分束器的一种新型制作方法铁道学报Vol. 21 No. 1 1999