光纤中的偏振现象

发布时间:2023-07-21 00:00:00.000Z

一束光可以认为是由两个正交的电矢量场分量组成,这两个分量的振幅和频率各不相同。当这两个分量的相位或振幅不同时,就会产生偏振光。人们对光纤中的偏振现象进行了广泛的研究,并提供了各种方法来尽量减少或利用这种现象。本教程将介绍基本原理和技术背景,以帮助解释光纤中的偏振是如何工作的。

光纤中的偏振现象
光纤中的双折射
双折射是一个术语,用于描述某些类型材料中出现的一种现象,即光线被分成两条不同的路径。出现这种现象的原因是这些材料具有不同的折射率,具体取决于光的偏振方向。

光纤中也会出现双折射现象,这是由于光纤纤芯横截面沿长度方向存在轻微的不对称,以及光纤受到弯曲等外部应力的影响。一般来说,应力引起的双折射比几何形状引起的双折射更明显。

偏振维持(PM)光纤
一种名为 "偏振维持(PM)光纤 "的特种光纤有意沿其长度方向产生一致的双折射模式,禁止两个正交偏振方向之间的耦合。在任何设计中,光纤的几何形状和所用材料都会在一个方向上产生大量应力,从而产生比随机双折射更高的双折射。目前市场上有许多采用各种应力诱导结构的设计,如熊猫和领结永磁光纤,可提供不同的截止波长

庞加莱球
Poincare 球是描述传播电磁波的偏振和偏振变化的传统方法之一。它提供了一种方便的方法来预测任何给定的延缓器将如何改变偏振形式。任何给定的偏振状态都对应于球面上的一个独特点。球体的两极分别代表左旋和右旋圆偏振光。赤道上的点表示线性偏振。球面上的所有其他点代表椭圆偏振态。赤道上任意选择的点 H 表示水平线性偏振,与之完全相反的点 V 表示垂直线性偏振。


图 1. 偏振态的 Poincare 球表示法。
可测量的偏振特性
极化度
极化度 (DOP) 定义为

DOP = Ipol / (Ipol + Iunp)

其中,Ipol 和 Iunp 分别是偏振光和非偏振光的强度。

当 DOP = 0 时,光被称为非偏振光;当 DOP = 1 时,光被完全偏振。中间情况相当于部分偏振光

偏振消光比
偏振消光比 (PER) 是最小偏振功率与最大偏振功率之比,单位为 dB。任何偏振组件都会将此值作为规格指定。

偏振损耗
偏振相关损耗(PDL)是输入偏振在所有状态下变化时插入损耗的最大(峰值到峰值)变化,以 dB 表示。

偏振模色散
偏振模色散(PMD)实际上是另一种形式的材料色散。单模光纤支持一种模式,实际上由两种正交偏振模式组成。理想情况下,光纤的纤芯是完美的圆形。但在现实中,纤芯并不是完全圆形的,机械应力(如弯曲)会在光纤中产生双折射。这会导致其中一个正交偏振模式的传播速度快于另一个,从而造成光脉冲的色散。

由于这种色散造成的模式传播时间的最大差异称为差分群延迟(Differential Group Delay,DGD),其单位通常为皮秒。由于其动态特性,PMD 对于给定的一段光纤来说并没有一个固定的值,而是随时间变化的 DGD 值分布。在任何特定时间内,某个 DGD 值的概率都遵循图 2 所示的麦克斯韦分布。作为近似值,最大瞬时 DGD 约为光纤平均 DGD 的 3.2 倍。


图 2. DGD 的 Maxwellian 分布。
控制光纤中的偏振
控制偏振的方法
在光纤中控制偏振态的方法与利用波板通过两个正交偏振态的相位变化进行自由空间控制的方法类似。一般来说,常用的有三种配置。

在第一种配置中,一个半波板(HWP)夹在两个四分之一波板(QWP)之间,而阻滞板可以绕光束自由旋转。第一块 QWP 将任意输入偏振转换为线性偏振。然后,HWP 将线性偏振旋转到所需的角度,这样第二个 QWP 就能将线性偏振转换为任何所需的偏振状态。

如图 3 所示,基于这种机制的全光纤控制器具有一些理想的特性,如低插入损耗和低成本。在该装置中,三个光纤线圈取代了三个自由空间阻滞板。盘绕光纤会产生应力,从而产生与线圈直径的平方成反比的双折射。调整直径和圈数可以产生任何所需的光纤波板。由于弯曲光纤通常会导致插入损耗,因此光纤线圈必须保持相对较大。


图 3:使用多圈光纤进行偏振控制
第二种方法基于 Babinet-Soleil 补偿器。基于这种技术的全光纤偏振控制器如图 4 所示。该装置包括一个围绕光纤旋转的光纤挤压器。对光纤施加压力会产生线性双折射,从而有效地形成光纤波板,其延迟随压力而变化。通过简单的挤压和旋转操作,可从任意输入的偏振光产生任何所需的偏振状态。


图 4:利用巴比内-索利尔补偿器原理进行偏振控制。
偏振控制器也可以用多个相互成 45° 方向的自由空间波板来制作。基于相同工作原理的全光纤设备可降低插入损耗和成本。每个波板组件的延迟随每个光纤挤压器的压力而变化。所面临的挑战是如何使该装置可靠、紧凑和具有成本效益。

压电致动器驱动光纤挤压器实现高速运转。由于它是全光纤设备,因此没有背反射,插入损耗和偏振相关损耗极低。所有新型 25xxP 系列偏振控制仪器都采用了光纤挤压技术。


图 5:通过从不同方向挤压光纤进行偏振控制。
鸣谢
新港公司感谢 General Photonics 公司为本教程所做的贡献。

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