熔锥型保偏光纤耦合器分光比的依赖性研究_唐尊伟

1 保偏耦合器的耦合特性分析
在保偏光纤耦合器中， 由于单根光纤中的两个 偏振模具有正交性， 因此可以按照普通单模光纤的 分析方法分别考虑同一偏振态光场之间的功率耦 合。 文中所研究的熊猫型保偏光纤耦合器的熔融区 截面图如图 1 所示，两纤芯中心距为 d, 黑色区应力
图 1 熊猫型保偏光纤耦合器熔融区截面图 Fig.1 Cross section of the fusing region of fused-tapered
熊猫型保偏光纤的应力区与包层介质热膨胀系数
不同，应力区与包层介质之间存在固有热应力，因而其
快 慢 轴 折 射 率 不 同 ，由 公 式(5)可 知 ，有 外 力 作 用 时 快
慢轴的折射率还会发生一定的变化。 因此，保偏光纤的
双折射效应可看作是固有热应力和外力对普通单模光
纤 不 同 方 向 的 折 射 率 的 调 制 ，则 公 式(5)可 等 效 为 ：
对 于 全 同 光 纤 a 和 b，互 耦 合 系 数 C21=C12=C，与 工 作
波长等因素有关， 通过场分布的积分可得单模耦合
器 耦 合 系 数 为[4]：
1/2 2
C= (2△)
U K0 (Wd/r)
32
(3)
rV K1 (W)
式中：r 为纤芯半径；△ 为相对折射率差；U、W、V 为光
纤参量；K0、K1 分别为零阶和一阶第二类贝塞耳函数。 根据保偏光纤的特点， 其快慢轴方向的电矢量
当光纤受到外力作用时，由光弹效应，快慢轴的
折 射 率 nx、ny 满 足[7]： nx =nx0 +C1 σx +C2 σy (5) ny =ny0 +C2 σx +C1 σy
式 中 ：nx0 、ny0 分 别 为 无 外 力 作 用 时 快 慢 轴 的 折 射 率 ；
C1 、C2 为 光 弹 系 数 ；σx 、σy 分 别 为 快 慢 轴 方 向 的 应
率 ； Ux/y、Wx/y、Vx/y 分 别 对 应 快 轴 和 慢 轴 的 光 纤 参 量 。 由于熔融拉锥后光纤的纤芯大大缩小， 可作无芯处
理，纤芯中心距也变为微米量级，所以在耦合器的熔
锥区，光绝大部分在光纤包层中传输，即出现包层―
空 气 的 新 波 导 结 构 。 新 波 导 结 构 包 层 折 射 率 n2 通 常 取空气折射率 1。
dependence characterisitic
收 稿 日 期 ：2011-08-10 ； 修 订 日 期 ：2011-11-30 基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (973 计 划 )(20101CB328206) ； 国 家 自 然 科 学 基 金 (60977033 ，61177082) 作 者 简 介 ： 唐 尊 伟 (1985-) ， 男 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 特 种 光 纤 及 器 件 的 研 究 。 导 师 简 介 ： 娄 淑 琴 (1965-) ， 女 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 光 通 信 、 光 传 感 及 光 器 件 等 领 域 的 研 究 。
≈ ≈ 2
β
1
2
+
1
2
UV
2
=n1 k0
1 J′1 (U) + 1 K′1 (W) U J1 (U) W K1 (W)
Abstract: Based on the mode coupling theory, the coupling coefficients of fast axis and slow axis for fused-tapered polarization-maintaining fiber (PMF) coupler were deduced, respectively. Effects of different parameters, such as the polarization dependence, wavelength dependence, temperature dependence and birefringence dependence, on coupling ratio of a standard 3 dB PMF coupler were numerically investigated. Numerical results demonstrate that birefringence dependence of the coupling ratio is the most significant, and the n wavelength dependence and temperature dependence are, and the least significant factor is the polarization dependence at a given technical condition. In addition, the higher intrinsic birefringence is, the larger the fluctuation of coupling ratio is. These results will be valuable for the fiber selection in the coupler fabrication, the improvement of fiber coupler draw technique and the innovation of encapsulation technique. Key words: waveguide optics; coupler; polarization-maintaining fiber; coupling ratio;
由 空 间 波 数 ，neff 为 有 效 折 射 率 。因 此 ，通 过 公 式(7)可
以分别计算出快慢轴的传播常数：
βx =β+k0·Bx (8)
βy =β+k0·By
式中：β 为相 同 结 构 参 数 的 普 通 单 模 光 纤 的 模 式 传
播 常 数 。 β 可 通 过 如 下 本 征 值 方 程 求 解[8]：
第 41 卷第 3 期 Vol.41 No.3
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2012 年 3 月
Mar. 2012
熔锥型保偏光纤耦合器分光比的依赖性研究
唐尊伟，娄淑琴
(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)
摘 要 ： 基于耦合模理论，推导了熔锥型保偏光纤耦合器快慢轴耦合系数的关系式。通过对标准 3 dB 保偏光纤耦合器的偏振依赖性、波长依赖性、温度依赖性、双折射依赖性所引起的分光比变化的分 析，得出了不同依赖因素对标准 3 dB 耦合器分光比稳定性影响程度的大小。分析结果表明，保偏光纤 耦 合 器 的 双 折 射 依 赖 性 十 分 显 著 ；波 长 依 赖 性 和 温 度 依 赖 性 其 次 ；在 一 定 的 工 艺 条 件 下 ，偏 振 依 赖 性 可以忽略。另外，耦合器的固有双折射越大，分光比波动越大。所得结论对制作熔锥型保偏光纤耦合 器的光纤选择、拉制工艺、封装工艺的优化和改进有重要意义。 关键词： 导波光学； 耦合器； 保偏光纤； 分光比； 参数依赖性 中 图 分 类 号 ： TN253 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1007-2276(2012)03-0759-06
n1x =n1 +Bx
n1y =n1 +By
(7)
B=λ/LB =By -Bx
式中：n1 为单模光纤纤芯的介质 折 射 率 ；Bx、By 分 别 为 快 慢轴方向上双折射的相关变量 ；LB 为拍长。 保偏 光
纤耦合器封装时对输入输出臂都有一定的保护，外
力作用不会太大，因而双折射不会发生剧烈的变化。
单 模 光 纤 的 传 播 常 数 满 足 β=k0neff， 其 中 k0 为 自
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红外与激光工程
第 41 卷
0 引言
保偏光纤耦合器在高精度光纤陀螺、 光纤传感 器 、相 干 光 通 信 领 域 都 有 重 要 应 用 [1-4]。 早 期 采 用 研 磨法制作保偏光纤耦合器，它具有可调谐的优点，但 制作过程复杂，器件稳定性和可靠性低。 后来发展了 熔融拉锥法制作保偏光纤耦合器， 该方法具有制作 简 单 、能 适 用 于 各 种 复 杂 环 境 的 优 势[2,5-6]。
(1)
式中：A(z)、B(z)分别为光纤 a、b 中在 z 处场的幅度；
Ea (x,y)、Eb (x,y)分别为光纤 a、b 中的场分布。
光纤 a、b 中场的幅度满足如下的耦合模方程：
dA/dz=-jβ1 A+jC12 B (2)
dB/dz=-jβ2 B+jC21 A
式中：β1 、β2 为光纤 a 和 b 孤立状态时的传播常数。
具有正交性，因此，在保偏光纤耦合器中，耦合系数
可分解为快轴耦合系数和慢轴耦合系数， 并分别由
快 慢 轴 的 光 纤 参 量 计 算 得 到[3]：
姨 Cx/y =
2
2
2
n1x/1y -n2 n 1x / 1y
பைடு நூலகம்
·Ux
/
y K0
3
(Wx
2
/
y
d/
r
)
rVx/y K1 (Wx/y )
(4)
式 中 ：n1x/1y 为 快/慢 轴 方 向 上 的 折 射 率 ；n2 为 包 层 折 射
保偏光纤耦合器在快慢轴方向上传输的光矢量 之间无模式耦合， 因此能很好地保持光的偏振态，其 主要性能指标包括分光比、附加损耗和消光比。 这 3 个参数都受到波长依赖性、温度依赖性、偏振依赖 性 、双 折 射 依 赖 性 等 因 素 的 影 响 ， [1-3] 研 究 和 制 作 性 能 优良的熔锥型保偏光纤耦合器是近年来国内外的研 究热点。 2001 年 ，Yoshinori 等 人[1]通 过 实 验 研 究 了 保 偏 耦 合 器 的 温 度 依 赖 性 和 偏 振 依 赖 性 。 参 考 文 献[3]中 提出了将快慢轴分光比作为正交基矢计算总分光比 的方法，并通过实验验证了该方法对于研究偏振依赖 性的可行性。 基于耦合模理论，文中系统地研究了偏 振依赖性、波长依赖性、温度依赖性、双折射依赖性对 标 准 3 dB 保 偏 光 纤 耦 合 器 分 光 比 稳 定 性 的 影 响 ， 所 得到的结论对改善保偏光纤耦合器的制作工艺、提高 保偏光纤耦合器的分光比稳定性有重要的意义。