基于波长扫描调制法测量保偏光纤的偏振特性

2021-03-03 来源：客趣旅游网

第18卷第11期　2007年11月　　　　　JournalofOptoelectronics・Vol.18No.11　Nov.2007Laser　　　　　　　

电子・激光

基于波长扫描调制法测量保偏光纤的偏振特性3

王韩毅1,233,任立勇1,张亚妮3,姚保利1,赵　卫1

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119;2.中国科

学院研究生院,北京100039;3.宝鸡文理学院物理系,陕西宝鸡721007)

摘要:分析了保偏光纤偏振特性及其拍长和偏振消光比的基本测量原理,并根据单模保偏光纤基模的2个正交偏振模分量HE11与HE11间的相位差与波长的关系,推导出偏振拍长的测量关系式,提出了测量保偏光

纤偏振特性的波长扫描调制法。采用此方法对熊猫型保偏光纤(YOFC23367WY)的偏振特性进行了验证性实验研究。拍长和偏振消光比的测量结果表明,在该保偏光纤工作波长处试验结果与理论分析相当一致,说明该方法具有简单易行、测量精度高的优点。

关键词:保偏光纤;双折射;拍长;偏振消光比中图分类号:TN929.1　　文献标识码:A　　文章编号:100520086(2007)1121336204

PolarizationPropertiesMeasurementofPolarizationMaintainingFiberBasedonWave2length2sweepingModulation

WANGHan2yi1,233,RENLi2yong1,ZHANGYa2ni3,YAOBao2li1,ZHAOWei1

(1.StateKeyLaboratoryofTransientOpticsandPhotonics,Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,Chi2neseAcademyofSciences,Xi′an710119,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;3.DepartmentofPhysics,BaojiCollegeofArts&Science,Baoji721007,China)

Abstract:Weanalyzethepolarizationpropertiesofpolarizationmaintainingfiberanditsbasicmeasurementprinciple.Accord2ingtothedependenceofthephasedifferencebetweenthetwoorthogonallypolarizedmodesHE11andHE11onthewave2lengthoftheinjectedlaser,thewavelength2sweepingmodulationmethodisadoptedtomeasurethebeatlengthofthefiber.ThebeatlengthandpolarizationextinctionratioofthePANDApolarizationmaintainingfibersareinvestigatedindetail.Theoreticalandexperimentalresultsareconsistentwitheachotherandbothofthemindicatethatthismethodhasthead2vantageofhighprecisionanditiseasytooperate

Keywords:polarizationmaintainingfiber;birefringence;beatlength;polarizationextinctionratio

1　引　言

　　近年,随着光纤技术的不断发展,出现了许多新型的光纤

器件。这些器件要求光在光纤中传输一段距离后光信号在输出端仍能保持输入端的偏振态[1]。为了实现保偏功能,需要提高光传输过程中的模式双折射,而模式双折射主要来自于材料内部应力的不均匀性、光纤几何形状的不对称性所引起的双折射。例如,在纤芯附近加入具有差异热扩张的合成材料,当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产生应力不均匀进而导致双折射,采用此办法设计出了熊猫型(Panda)[2,3]和蝴蝶结型

-4

(Bow2tie)[4]保偏光纤,其模式双折射最高可达5×10;通过人为制造纤芯不对称性的光子晶体光纤是新近发展起来的一种新型几何双折射型保偏光纤[5],该类光纤的模式双折射一般在10-3的数量级。

　　保偏光纤的保偏性能通常用模式双折射或偏振消光比来衡量。通常,模式双折射可以通过偏振拍长的测量而得到。常用的偏振拍长测量方法有偏振横向散射法、光弹性调制法、压力调制法[6]、扭转法[7]、偏振光频域反射计法[8]、电磁调制法[9]、偏光干涉法[10]和波长扫描法等。这些方法各有优缺点,如偏振横向散射法和偏振光频域反射计法不适用于具有较低损耗光纤的测量;扭转法、电磁调制、光弹性调制和压力调制法对于拍长小于10mm的保偏光纤很难进行测量;剪断法是一种破坏性测量方法;波长扫描法中往往需要采用放大的自发辐射

(ASE)宽带光源,从而会在光纤中产生较强的群色散,最终会

引入较大的测量误差。

　　根据单模保偏光纤其基模HE11和输出端正交方向上的2个分量HE11与HE11间的相位差与波长的关系,本文提出采

3收稿日期:2006212219　　　　修订日期:2007203219

　3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60337020);中国科学院西安光学精密机械研究所所长基金资助项目(0654221ZZ0)　33E2mail:hanyiw@sina.com.cn

第11期　王韩毅等:基于波长扫描调制法测量保偏光纤的偏振特性　　　　　　　　　　　　　　　　　・1337・

用波长扫描调制的方法测量保偏光纤偏振拍长。对武汉长飞光纤光缆有限公司提供的熊猫型保偏光纤(YOFC23367WY)样品的偏振特性进行了验证性实验研究。研究结果表明:波长扫描调制法具有操作方法简单、精度高及非破坏性测量等优点。

很容易由式(5)得到相位差具有　　　　sinφ=±2

ICIC

+IC

(6)

2　理论分析

　　保偏光纤是在光纤的横截面上人为地引入各向异性,使得沿光纤2个正交主轴方向偏振的正交偏振模HE11和HE11的β=β传播常数差Δx-βy和模式双折射B=nx-ny增加,从而减小了两模的耦合系数。

　　一般,HE11模和HE11模在光纤输入端的相位是相同的,但由于两模式的传播常数不同,光在光纤中传播一段距离L时,两模间的相位差随传输距离L而变,进而使得光传播的偏

π时,光在光纤振状态也随之变化。当两模间的相位差等于2

中传输的距离LB定义为保偏光纤的拍长。由此可以得到保偏光纤模式双折射与偏振拍长的关系为

λλπ2(1)　　　　LB===

βnx-nyBx-βy

式中λ,为传输光的波长。显然,模式双折射率B越大,拍长LB就越短,表明光纤的保偏性能越强,这两个参数是表征光纤双折射程度的非常重要的参量。　　设波长为λ的光入射到保偏光纤上,则透过长度为l的光纤后,2个正交偏振模在光纤出射端的相位差可表示为πφ=2(nx-ny)l=Δβ(2)　　　　lλλ变化时,相应的相位　　当入射到光纤上的激光波长发生Δ

φ可表示为变化量Δ

π(nx-ny)lΔλπlΔλ22Δφ=-(3)　　　　=-2

λLBλ

-1

β∝λ　　在这个过程中,已经假设了传输常数差Δ,并且忽

[11]

略了材料与波导色散的影响。式(3)表明,对于长度为l的光

φ与Δλ纤,当在工作波长λ附近精细地扫描波长时,Δ呈现出线

性的变化关系,其斜率与拍长LB有关。　　为了测量经过光纤后2个偏振模相位差随波长的变化关系,如图1所示,取保偏光纤主轴分别平行于x轴和y轴,设振幅为E0的线偏振光的振动方向(沿图中P所示)与x轴夹角

θθ为θ,则有Ex=E0cos、Ey=E0sin。经过光纤后,x轴与y轴2

个正交偏振模间的相位差为φ。通常,采用Wollaston棱镜将光纤输出端的光分解成两束光。设Wollaston棱镜的一个光轴C1与光纤主轴x的夹角为β,另一光轴C2与C1垂直。则透过Wollaston棱镜后沿2个光轴方向偏振的两束光的光强分别为

θβθβφ)IC=I0(cosθcos2β+sin2θsin2β+2coscossinsincos

经过光纤后的2个正交偏振模HE11与HE11的相位差可表示为

π±arcsin(　　　　φ=n

ICIC

)+IC

(7)

其中,n为整数。可以通过测量出射光强度计算得到出射光相位差φ,并作出φ-λ的关系曲线,然后根据式(3)计算出拍长LB和模式双折射B。

图1　偏振分解示意图Fig.1　Schematicdiagramofpolarizationdecomposition

　　偏振消光比是度量保偏光纤保持偏振态稳定性能的另一

重要指标。当一束线偏振光沿保偏光纤某一主轴偏振入射时,在正交主轴方向上会激发起偏振模,设光纤输出端2个正交主轴上的光功率分别为p1和p2,则保偏光纤的偏振消光比可定义为

η=10log　　　　

p2p1

(8)

　　理论上,如果旋转Wollaston棱镜使其一光轴与出射端光

β=0或cosβ=0。纤某一主轴平行,则有sin由式(4)可知,输出的正交偏振的两束光的光强分别为I0cos2θ和I0sin2θ,根据式

(8)可得到理想保偏光纤的偏振消光比的理论值为

η=10|log(ctg2θ)|　　　　(9)

3　实验装置与结果

　　以武汉长飞光纤光缆有限公司提供的熊猫型石英保偏光

纤(YOFC23367WY)样品为研究对象。该光纤参数为:包层直径为125μm,纤芯直径为10μm,截止波长为1420μm,工作波长在1550μm处,偏振拍长为3.5mm。光纤端面显微结构如图2所示,图中最小的标尺间隔为10μm。截取长度为l=117cm的光纤进行实验测量,实验装置如图3所示。　　首先在显微镜下确定保偏光纤输入输出端的主轴,即图1所示熊猫型保偏光纤的水平方向。如图3所示,激光光源由EXFO公司的FLS22600B型宽带可调谐激光器提供(波长调节范围为1500～1650nm、中心波长为1550nm和最小波长调节间隔为0.001nm),考虑到激光器输出光功率较小,采用光讯科技公司的掺铒光纤放大器(EDFA)将激光放大。其输出光经与

θβθβφ)IC=I0(cosθsinβ+sinθcosβ-2coscossinsincos

(4)

式中,I0=|E0|2,为入射到光纤上的光强。为了简单,选取

线偏振光偏振化方向与光纤主轴成45°角,Wollaston棱镜光轴与光纤主轴也成45°角,即式(4)中θ=β=45°,则式(4)可简化为

φ)/2IC=I0(1+cos

(5)　　　　φ)/2IC=I0(1-cos

・1338・　　　　　　　　　　　　

光纤主轴成45°角的偏振分光棱镜(PBS)和×10的物镜耦合进待测光纤,光纤末端出射光亦经×10物镜耦合到与光纤主轴成45°的Wollaston棱镜后得到两束正交偏振光。最后,用光功率计测量两束正交偏振光的功率分别为p1和p2。精确调节波长从1447nm到1553nm,步长为0.1nm,得到不同的输出功率。图4给出了测得的两束正交偏振光随波长的归一化功率分布。该实验结果与理论表达式(5)是一致的。图5为在光纤工作波长附近由式(7)计算得到的波长对相位差的调制关系曲线。　　由图5线性拟合的斜率及根据式(3)计算出在工作波长为1550nm处熊猫保偏光纤的偏振拍长为LB=3.56mm。根据式(1)可出该工作波长处双折射B=4.37×10-4。

　　　　　　光电子

2007年　第18卷　・激光　图5　经过光纤后两正交偏振态间的

相位差随输入波长的变化

Fig.5　Variationofthephasedifferencebetweentwoorthogonalpolarizedstateswithwavelength

图2　光纤端面显微结构图Fig.2　ThemicrographofPandafibercrosssections

　　接着测量偏振消光比。将光源选择在光纤的工作波长1550nm处,旋转Wollaston棱镜使其一光轴与出射端光纤某主轴平行,然后旋转PBS使线偏振光从平行与光纤主轴开始以不同的偏振方位角θ入射到光纤中,测量透过Wollaston棱镜后两束光功率p1和p2,最后根据式(8)计算得到保偏光纤偏振消光比随偏振方位角θ的变化曲线,如图6所示。根据式(9)所计算的理想偏振消光比随偏振方位角θ的变化也同时在图6中给出。由图可知,实验和理论符合得很好。并且,当线偏振光的偏振方向与光纤主轴平行注入时,保偏光纤的偏振消光比可高达32.8dB。

图3　实验装置示意图

Fig.3　Schematicexperimentalsetup

图6　输出的两正交偏振光的偏振消光比随输入线偏振光的偏振方位角的变化关系

Fig.6　Relationshipbetweenpolarizationextinctionratiooftheoutputtwoorthogonalpolarizedbeams

andthepolarizedorientationangleofthelinearpolarizedlight

图4　两束输出光的光功率随波长的变化关系

Fig.4　Variationsoftwooutputbeamswithlaserwavelength

4　结　论

　　讨论了保偏光纤拍长和偏振消光比的基本理论和测量原

第11期　王韩毅等:基于波长扫描调制法测量保偏光纤的偏振特性　　　　　　　　　　　　　　　　　・1339・

理,通过波长扫描调制法测量了长为117cm的熊猫型保偏光纤。测得1550nm波长处的拍长为3.56mm,模式双折射为4.37×10-4,与所给样品的拍长值3.5mm符合得很好。测得该光纤的偏振消光比为32.8dB。研究表明,波长扫描调制法具有测量精确高、方法简单的优点。本测量原理和方法可以适用于其他保偏光纤的测量。

　　致谢:本研究所用光纤样品由武汉长飞光纤光缆公司提供,作者对该公司汪洪海研究员给予我们的光纤支持深表感谢。

[5]　ZHANGYa2ni,MIAORun2cai.Optimizeddesignofphotoniccrystalpo2

larizationmaintainingfiberswithellipticalcore[J].JournalofOptoe2

lectronics・Laser(光电子・激光),2006,17(5):5292532.(inChi2nese)

[6]　BarlowJ.Opticalfiberbirefringencemeasurementusingaphotoelasticmodulator[J].JLightwaveTechnol,1985,3(1):1352145.[7]　LegréM,WegmullerM,GisinN.Investigationoftheratiobetween

phaseandgroupbirefringenceinopticalsingle2modefibers[J].JLightwaveTechnol,2003,21:337423378.

[8]　WegmullerM,LegréM,GisinN.Distributedbeatlengthmeasurement

insingle2modefiberswithopticalfrequency2domainreflectometry[J].JLightwaveTechnol,2002,20:8282835.

[9]　ZhangPG,HallidayDI.Measurementofthebeatlengthinhighbire2

fringentopticalfiberbywayofmagnetoopticmodulation[J].JLight2waveTechnol,1994,12(4):5972602.[10]MIJian,ZHANGChun2xi,LIZheng,etal.Measuringthebeatlengthof

polarizationmaintainingfiberbybroadbandlightsourceandcono2scopicInterference[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子

参考文献:

[1]　ZHANGXue2liang,NIMing,HUYong2ming.Studyontheperformance

oftheabrasivePMFpolarizer[J].JournalofOptoelectronics・Laser

(光电子・激光),2005,16(5):5382540.(inChinese)[2]　HosakaT,OkamotoK,MiyaT,etal.Low2losssinglepolarizationfi2

breswithasymmetricalstrainbirefringence[J].ElectronLett,1981,17:5302531.

[3]　ChreiberT,Ro¨serF,SchmidtO,etal.Stress2inducedsingle2polariza2

tionsingle2transversemodephotoniccrystalfiberwithlownonlinearity[J].OptExpress,2005,13(19):762127630.

[4]　BirchRD,PayneDN,VarnhamMP.Fabricationofpolarization2main2

tainingfibresusinggas2phaseetching[J].ElectronLett,1982,18:103621038.

・激光),2006,17(9):107421077.(inChinese)

[11]Ortigosa2BlanchA,KnightJC,WadsworthWJ,etal.Highlybirefrin2

gentphotoniccrystalfibers[J].OptLett,2000,25(18):132521327.

作者简介:

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文

全部栏目

基于波长扫描调制法测量保偏光纤的偏振特性