单模保偏光纤起偏器种类及原理

单模保偏光纤起偏器

苏春丽* 　萧天鹏　何耀基　郭际航　孙小玲

摘　要　本文首先简单介绍了光纤起偏器的种类及其制作原理。为满足高消光比、低损耗以及各种条件下器件工作稳定性的要求, 我们设计了器件用的单模保偏光纤, 同时利用线圈卷绕的方法制作了性能优良的光纤起偏器。该器件不仅具有较宽的工作波长范围, 而且抗干扰能力很强。器件的尺寸为33×4( mm×mm),消光比达42dB,插入损耗为0.5dB。

关键词：保偏光纤,起偏器,线圈型

1 前言

光纤起偏器是构成以偏振或者相位为主要检测特征的光纤系统的重要光无源器件之一。

由于它重量轻、体积小, 与光纤系统的兼容性强和高消光比而倍受青睐, 现在已广泛用于光纤陀螺系统和光纤传感器中, 成为光纤系统产生线偏振光的关键的光无源器件。

1980年8月,世界上第一个光纤起偏器诞生在前联邦德国,它是由W.Elckhoff制作的“研磨被覆型”光纤起偏器。从此,各国竞相开展研究,相继开发“线圈型”和“晶体被覆型”等形式的起偏器,并广泛应用于实验和工程技术中。

光纤起偏器的发展及其技术的进步是伴随光纤技术的发展而来的。80年代中期之前,大部分光纤起偏器采用单模光纤制作,如“研磨抛光型”和“晶体被覆型”;到了80年代末及90年代初,随着保偏光纤技术的不断完善和成熟,除利用保偏光纤制作“研磨型”起偏器外, 还开辟了对保偏光纤波导结构进行改良后制作“线圈型”光纤起偏器的方向。由于“线圈型”起偏器( 以下简称起偏器)具有优异的温度性能和独特的保偏光纤系统兼容性, 目前国际上普遍采用并商品化的主要集中在这类起偏器上。其中最具代表性的是英国York 公司制造的Bow-tie光纤起偏器,日本Hitachi公司Fujikura公司的椭圆及Panda光纤起偏器,美国3M公司生产的椭圆光纤起偏器。

自90年代以来, 国内在光纤陀螺方面的研究取得了长足的进步和发展, 因此对于性能稳定可靠的起偏器的需求越来越迫切,从而小批量生产起偏器技术的研究势在必行。

2原理简介

如前所述, 光纤起偏器的种类大体分为三类。第一类是根据HEX 11模和HEY 11模对特定材料的吸收特性差异而发展起来的渐逝场型起偏器, 例如W. Elkhof f 制作的第一个起偏器; 第二类是采用晶体生长的方法, 用双折射晶体包住纤芯, 使纤芯沿互为正交的两个方向上存在较大的双折射, 并且其中一个方向上的折射率低于纤芯原有折射率, 从而抑制了一个模式的传输, 这类器件称为“晶体被覆型”; 第三类是采用高双折射光纤, 并以一定的卷绕方式进一步加大双折射, 使其中的一个模式截止, 这一类称为“线圈型”起偏器。

起偏器的工作原理可以用图1 来加以简单的说明: 一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入起偏器后,从出端输出的只有沿特定方向偏振的单一线偏振光。换言之,起偏器实际上可以看作是一个偏振模式的选择器, 即在注入而被激励的两个互为正交的光偏振模式中选择其中之一导通, 而令另一个截止。

图1　起偏器工作原理简图

1 为各向同性或部分偏振光, 2、4 为尾纤, 3 为起偏器, 5 为沿特定方向线偏振光

3起偏器的研究

   根据起偏器的原理和未来用户的实际使用要求,我们研究了以下几个关键技术问题。

3. 1　起偏器用的光纤

对于常规使用的保偏光纤而言, 适当的双折射固然很重要, 但长距离地保持HEX 11(或HEY 11)偏振模式传输并减少模式间的耦合是其中的关键。在很多应用场合中,对于小于100mm 的多层卷绕后, 希望保偏光纤的偏振保持性能能够尽量维持不变。

图2保偏光纤及起偏器的偏振谱损图。(a)保偏光纤谱损图,(b)器件用光纤谱损图,(c)起偏器谱损图

图2(a)和2(b)所示的是常规保偏光纤和器件用光纤不同的偏振谱损图, 图2(c) 为起偏器的偏振谱损图。可以看出, 起偏器用光

纤具有如下显著特点:

1) 高双折射;

2) HEX 11和HEY 11两个偏振模式的截止特征明显;

3) 在外部条件作用下, HEY 11模在工作区域内迅速截止。为了制作高性能的起偏器,首先必须研制符合上述特征的起偏器用光纤。

3.2　卷绕

将一根器件用光纤以张力F、半径R进行卷绕后, 其增加的模双折射B由下式表示:

其中为系数;E为杨氏模量;C为光弹系数,b=125μm为光纤包层直径。

   因此,卷绕的诸要素应包括:

1) 卷绕的载体,即线圈骨架的材质和尺寸大小;

2)卷绕时的张力;

3) 卷绕圈数,它不仅决定了消光比的大小,而且直接与插入损耗有关;

4)在线检测卷绕状态的变化情况。以上诸要素互相配合组成一个合理的关系,就能制作出一个理想的起偏器雏型了。

3.3　在线检测

   在线检测包括制作过程各环节的检测。一方面应监测器件消光比的大小以及变化情况, 另一方面应监测器件光功率的输出情况,以及器件或光纤HEX 11模和HEY 11模的偏振功率谱。

3. 4　封装

由于起偏器体积小, 使用光纤的长度也比较短, 因此封装材料的选择对器件的机械、温度性能的影响很大。为了满足起偏器在运输、贮存和使用等方面的要求, 我们采用紫外固化涂料对器件进行了封装。

4　与国内外同类产品的比较

经过近三年的努力, 我们克服了资料少、基础差等困难, 研制了器件用的光纤, 建立了相关的检测手段, 制作了一批理想的器件。表1所示的是目前我们的研制结果, 图3为起偏器的功率谱图。

可以看出, 我们已成功地研制了性能、尺寸俱佳的起偏器, 与国外同类产品相比, 在工作波长、工作温度和尺寸等指标上占优, 主要技术指标( 消光比和插入损耗) 与当前国际水平相当。另外, 在与国外产品一起作抗干扰性的实验中还发现, 我们制作的起偏器具有十

分明显的优点。

5　结　论

    经过两年多的努力, 我们克服了种种困难, 终于制作了性能优异的起偏器。该器件的研制成功无疑给国内光纤陀螺技术带来了新的突破。目前, 我们已具备了小批量制作的技术和能力, 并且给国内有关单位提供了样品。在起偏器研制过程中, 自始至终得到了兄弟院所的大力支持和帮助, 在光纤拉制以及器件制作中, 得到了本所冯正蓉、李明高级工程师和王柏森、唐仁林、郭达江等同志的支持, 在此表示衷心的感谢!在起偏器的封装技术上, 承蒙复旦大学电光源研究所为我们开发的“紫外光固化机”的帮助, 在此一并表示最衷心的感谢!

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