如何将SK010PA偏振分析仪应用于保偏光纤及自由空间光学

如何将SK010PA偏振分析仪应用于保偏光纤及自由空间光学

(How to use the SK010PA with PM fibers and for free beam applications)

偏振对准：耦合至保偏光纤 (PM Fibers)

SK010PA 偏振分析仪提供了一套完整程序，可用于将激光光源的入射偏振方向与光纤的偏振轴对准，并测量对应的偏振消光比 (PER)。

保偏单模光纤通过两个垂直的主轴（即光纤偏振轴，亦称慢轴与快轴，见左图）来传导耦合的光辐射。关于 Schäfter+Kirchhoff 如何对保偏光纤进行特征化，可参阅相关说明。

光纤耦合辐射的偏振消光比 (PER) 是指耦合至光纤两个偏振轴的光功率之比。利用偏振分析仪，通过调整光源的偏振状态使其与光纤的偏振轴对齐，即可将光源的偏振轴与光纤匹配（见左图）。

由于光纤的双折射效应，两个偏振轴上的传播速度有所不同。当线偏振光未被精确耦合至其中一个主轴状态时，它会被拆分为两个垂直的分量，分别耦合至光纤的两个偏振轴。在光纤出射端，传播速度的差异会导致相位差，而该相位差也取决于光纤的长度。如果此相位差小于激光光源的相干长度，辐射将重新组合成椭圆偏振态。

反之，如果激光光源的相干长度小于相位差，出射辐射将会部分去极化（Depolarized）。偏振分析仪支持针对这两种情况的调整。

SK010PA 偏振分析仪

更多技术细节可至产品页面查询。

利用庞加莱球 (Poincare Sphere) 进行调整

如果相位差导致辐射重新组合成椭圆偏振态，则可通过庞加莱球进行评估。

传播速度的差异以及由此产生的光纤双轴相位差会受温度和应力影响。因此，当对准出现偏差时，光纤输出的偏振状态将不稳定——当触碰光纤时偏振会发生改变，并随温度波动而起伏。然而，出射偏振并非完全随机的。当映射到庞加莱球上时，所有可能的出射状态皆会落在同一个圆圈上。

此圆圈的半径反映了对准的品质，因为它表示光纤偏振轴与入射辐射偏振轴之间的夹角偏差。对于对准完美的理想光纤，数据圆会收敛为一个单点：即圆心。通常，该中心代表特定对准下的平均偏振态。对于理想的保偏光纤，它位于庞加莱球的赤道上。

偏振分析仪的光纤对准程序正是利用了圆圈半径与偏振对准之间的这种对应关系。

• 步骤 1：初始对准测量 程序开始时，会在改变温度或小心弯曲光纤（使出射偏振产生波动）的同时，记录出射偏振态。接着，系统会自动将一个圆拟合至数据点，并显示平均 PER 值与最小 PER 值. 在所示示例中，庞加莱球上的圆半径较大。

• 步骤 2：带有反馈的即时调整与优化对准的最终测量 在连续测量出射偏振态的同时，相对光纤轴旋转激光光源的偏振轴（反之亦然）。当出射偏振态尽可能接近庞加莱球的圆心时，即达到最佳对准。彩色编码的对数条形图有助于寻找最小距离。 随后的第二次测量将显示光纤优化偏振对准的各项参数。

利用 DOP 椭圆（偏振度椭圆）进行调整

如果激光光源的相干长度小于由传播速度差异引起的相位差，光就会部分去极化，此时可利用 DOP 椭圆进行调整。

如前所述，只有在激光光源的相干长度大于传播速度差异所引起的相位差时，光线才会重新组合成椭圆偏振态。如果激光光源的相干长度较小，光线将部分去极化，且不会发生重新组合。

此时无法观察到前述在庞加莱球上的圆圈——所有出射偏振态皆聚集于单一个点。相反地，对准偏差仅会导致偏振度 (DOP) 降低。

在此情况下，可使用 DOP 椭圆表征来进行光纤对准，该表征模拟了使用旋转线偏振器的偏振测量。对于完全去极化的光，DOP 椭圆（虚线）会变成一个圆。

DOP 椭圆越窄，入射偏振轴与光纤某一偏振轴的对准效果就越好。在理想对准情况下，椭圆会收缩成一条线。由于此时偏振轴与光纤主轴完美对齐，光不会被拆分为两个传播速度不同的分量，因此不会发生去极化。因此，无论相干长度为何，线偏振态 (SOP) 都能保持完整。

自由空间光学测量 (Free Beam Measurements)

偏振分析仪也可用于为自由空间应用设定定义明确的偏振态。对于这类测量，务必将激光光束轴与偏振分析仪正确对准。光束必须垂直于仪器前表面射入。这可以通过微型光具座 (Microbench) 或 40 毫米交叉轨道系统（Cage System），并利用 4 根支杆连接或导轨系统来完成。

四分之一波片的调整与量化

SK010PA 偏振分析仪可用于对准和量化延迟光学元件（例如内置四分之一波片的 60FC-Q 系列光纤准直器）。通过使用专用工具旋转四分之一波片，可以调整这些准直器发射出的偏振态。旋转整整一圈会在庞加莱球上描绘出一个“8”字形轨迹。当到达极点时即可获得圆偏振光，其中右旋圆偏振光位于北极，左旋圆偏振光位于南極。如果光学元件的实际延迟量与期望值不同，极值将无法触及极点。因此，偏振分析仪能够提供光学元件实际延迟量的具体量化指标。