光偏振控制器

當偏振光在具有雙折射性質的介質中傳輸時，由於o光和e光的傳輸速度不同，引起一光線相對另一光線產生相位推遲，從而引起光的偏振態發生改變。光偏振控制器就是利用此理論研製而成的。

基本介紹

• 中文名：光偏振控制器
• 分類：波片型、光纖環型、電光型等
• 用途：用於光信號的偏振特性分析

基本原理

當單色光在各向同性介質的界面折射時，折射光線只有一束，且遵循折射定律。但當光線從空氣進入某些晶體時，情況就不那么簡單了，有些晶體能使一條單色的入射光線分成兩條折射的光線。在這兩條折射光線中，一條折射光線遵循熟知的折射定律，稱為尋常光或o光；另一條當入射光線的入射角為零時也存在，入射角的正弦與折射角的餘弦之比不是常數，且折射光線與入射光線一般不在同一面內，它不遵循折射定律，稱之為非常光或e光。這種現象稱為雙折射。當偏振光在具有雙折射性質的介質中傳輸時，由於o光和e光的傳輸速度不同，引起一光線相對另一光線產生相位推遲，從而引起光的偏振態發生改變。光偏振控制器就是利用此理論研製而成的。

對於某些各向異性物質雲母、方解石等，雙折射是其本身固有的，稱為永久性雙折射物質。對於這些物質，在自然條件下，不需要任何外界場（如電場、壓力或磁場）的作用，就可改變光的偏振態，波片型偏振控制和光纖環型偏振控制器就屬於此類。有些光學物質，在自然狀態下並不具有雙折射性質，但當有電場、壓力或磁場等作用時，表現出與各向異性物質相同的雙折射特性，這一特性隨外界作用的消失而消失。具有這種特性的物質為暫時雙折射物質，它同永久性雙折射物質一樣，具有改變光的偏振態的特性，光電型偏振控制器和壓電型偏振控制器就屬於這一類型。

波片型偏振控制器

波片型偏振控制器就是利用波片推遲理論來改變光的偏振態。典型的波片型偏振控制器光學系統主要由線性起偏器、四分之一波片和半波片組成，其結構如圖1-1所示。通過電機旋轉λ/4和λ/2波片，使得其快軸相對線偏振光振動方向可旋轉任意角度，從而可獲得需要的任何偏振態。

圖1-1 波片型偏振控制器光學結構圖

光纖環型偏振控制器

理想的單模光纖是圓對稱的，是各向同性介質，光在其內傳播與偏振方向無光。然而實際上完全圓對稱的光纖是不存在的，它與單軸晶體一樣具有雙折射特性。這一特性將使注入到光纖中的線偏振光以兩個相互垂直模式和傳播，其傳播速度稍有不同，以模式雙折射率B表示，定義為

B=（β_x-β_y）λ/2π

式中，B為和兩線偏振光的折射率差；β_x、β_y為兩偏振模式各自的傳播常數；λ為真空中的波長。

與波片影響偏振態相似，在光纖中傳輸光的偏振態也將沿光纖的長度方向連續變化，偏振態隨光纖長度的變化如圖1-2所示。假設把一束線偏振光注入光纖，它將被分成和兩種模式並分別在x軸和y軸上作直線偏振傳輸。由於兩模式的傳輸常數β不同，在沿光纖長度方向的任意位置，其偏振態由E_x和E_y的矢量合成。設在光纖的a點時，兩模式矢量E_x和E_y的振動相位相同，其合成偏振態為線性偏振；b點時由於傳播速度的差異，使得兩矢量E_x和E_y的相位差變為π/2，其合成偏振態將變為圓偏振；c點兩矢量E_x和E_y的相位差變為π，其偏振態又變為線偏振，但與a點相比旋轉了90°；d點兩矢量E_x和E_y的相位差變為3π/2，偏振態變為圓偏振，但旋轉方向與b點相反；e點兩矢量E_x和E_y的相位差變為2π，其偏振態又回到a點狀態；依此類推，沿著光纖偏振態將循環變化下去，這與偏振態隨波片的厚度變化現象相似。因此可根據全波片、半波片、四分之一波片的製備原理，用光纖製備λ、λ/2、λ/4光纖型推遲環。

圖1-2 單模光纖中光偏振態隨光纖長度的變化

用光纖製成的各種類型的推遲環，由於其尺寸很小，性能突出，在光纖感測器中獲得了廣泛套用。光纖環型偏振控制器就是其典型套用之一，其主要由4個λ/4光纖推遲環組成，結構如圖1-3所示。λ/4光纖推遲環各自可旋轉任意角度，當偏振光信號在其中傳輸時，通過旋轉4個推遲環的快慢軸相對位置，從而獲得需要的偏振光。

圖1-3 光纖環型偏振控制器結構圖

電光型偏振控制器

以上介紹的兩種偏振控制器主要套用在光通信波段，在其他波段如850nm以下、中紅外及遠紅外常用到電光型或壓光型偏振控制器來改變光的偏振態。電光型偏振控制器是利用一類特殊光電材料如ADP、KDP、LiTaO₃研製而成的，當對這類材料施加電場時，它的雙折射將產生變化，這種變化和施加電場的關係與光電材料、電場方向有關，有時它們成正比，但有時與電場的平方成正比。由於雙折射的原因，當一束線偏振光通過這類材料後，其偏振態將發生改變。

根據施加電場與光傳輸方向的關係，一般把電光型偏振控制器分為縱向和橫向。在縱向電光偏振控制器中，電場是平行於光線傳播方向，因此需要透明或環型電極結構。橫向電光偏振控制器中，電場是垂直於光線傳播方向，避免了電極對光的影響。典型的縱（橫）向電光偏振控制器如圖1-4所示。

圖1-4 電光型偏振控制器

壓光型偏振控制器

壓光偏振控制器類似電光型偏振控制器，但使其材料的雙折射產生變化用的是壓力而不是電場。當某些各向同性的材料如氟化鋰，在與光束相垂直的方向上受力時，它們將變為單軸材料，並產生與應力成正比的相位推遲，從而達到改變偏振態的目的。目前用壓光效應製作的相位推遲片已廣泛套用於紫外區。

用壓光材料製作的相位推遲片與電光材料相比有很多優點。首先沒在負載固定情況下前者相位推遲保持性優於後者；其次，前者比後者擁有更大的孔徑角，在承受應力的各向同性材料中，推遲的改變與光在材料中光程成正比，與光在材料上的入射角正切成正比。

主要技術指標

不同類型的偏振控制器其要求的技術指標略有不同，對於以上兩種通信波段內常用的偏振控制器主要包括以下技術指標：波長範圍、最大輸入功率、插入損耗、插入損耗隨波片（或光纖環）轉動變化、插入損耗隨波長變化、連線埠回損、消光比、偏振態調整準確度、偏振態調整分辨力、偏振態調整重複性、角度調整準確度、角度調整重複性等。下面根據常見的幾種偏振控制器，對幾個比較重要的技術指標進行簡單介紹。

波長範圍與波片或光纖環的材料有關，一般波片的相位推遲隨波長的變化比光纖環的要大，因此波片型偏振控制器波長範圍比光纖環的要小，在允許的偏振態調整誤差範圍內，波片型偏振控制器波長範圍約幾十納米，而光纖環型可達到幾百納米，當然使用軟體補償技術可以擴大波長範圍。最大輸出功率一般是考慮到材料的承受能力，一般在+10dBm~+23dBm之間。插入損耗一般小於2.0dB，其隨波片（或光纖環）轉動變化小於0.05dB，隨波長變化小於0.2dB。FC/PC接頭回損一般大於35dB，FC/APC接頭回損一般大於55dB。偏振態調整準確度、偏振態調整分辨力、偏振態調整重複性、角度調整準確度、角度調整重複性是偏振控制重要的技術指標，它們與控制波片（或光纖環）轉動的電機關係密切，因此高性能的偏振控制器離不開高性能的步進電機，性能較好的偏振控制器偏振態調整分辨力優於0.36°。

主要套用

光偏振控制器廣泛套用於光信號的偏振特性分析，光器件如耦合器、隔離器、波分復用器、放大器、衰減器等偏振特性的測量，偏振特性對光材料性能影響分析等方面。