本發(fā)明涉及一種旋光纖四分之一波片及其制備方法，特別是一種具有優(yōu)化轉(zhuǎn)速變化因子的旋光纖四分之一波片及其制備方法。

背景技術(shù)：

在光纖傳感器、光纖激光器以及光纖放大器中，光纖鏈路中傳輸?shù)木€偏光常常需要轉(zhuǎn)換成圓偏振光以獲得更好的性能指標(biāo)。從線偏光到圓偏光的轉(zhuǎn)換需要使偏振光兩個(gè)相等的正交分量之間產(chǎn)生π/2的相位差，通常利用晶體波片或者雙折射光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

塊狀晶體光學(xué)波片是基于材料的雙折射特性制作的：當(dāng)一束光入射到塊狀晶體光學(xué)波片時(shí)，出射光會(huì)分成兩束傳播速度不同的正交偏振光，對(duì)于給定波長(zhǎng)的入射光，調(diào)整晶體的厚度，就可以產(chǎn)生不同的相位差，得到不同偏振態(tài)的出射光。產(chǎn)生π/2相位差的塊狀晶體光學(xué)波片稱為四分之一波片，可以實(shí)現(xiàn)線偏振光和圓偏振光的相互轉(zhuǎn)化。但是，塊狀晶體光學(xué)波片不能與傳輸光纖直接相連，應(yīng)用于光纖傳感器、激光器及放大器的光纖鏈路中會(huì)引入較大的插入損耗，增加系統(tǒng)體積及光路調(diào)節(jié)的難度。

原理上，利用光纖的雙折射同樣可以達(dá)到相位變換的目的。產(chǎn)生2π相位差的光纖長(zhǎng)度被定義為偏振拍長(zhǎng)lb，將雙折射光纖的長(zhǎng)度切割為(m±0.25)lb，m為整數(shù)，就可以做成光纖四分之一波片，對(duì)入射的正交線偏振光產(chǎn)生π/2的相位差。此外，當(dāng)普通單模光纖以半徑r彎曲時(shí)，也可以產(chǎn)生雙折射，調(diào)節(jié)r就可以實(shí)現(xiàn)不同的相位延遲。因此，利用繞成環(huán)狀的單模光纖也可以制作出不同的光纖波片，組合形成偏振控制器。這種彎曲光纖波片的優(yōu)點(diǎn)是不存在與傳輸光纖的熔接問(wèn)題，缺點(diǎn)是相位控制精度比較低。

對(duì)雙折射光纖進(jìn)行變速旋扭(如圖1所示)，轉(zhuǎn)速由零緩慢增大到足夠大的轉(zhuǎn)速，這段變速旋扭光纖就可以對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，線偏振光在未旋轉(zhuǎn)端沿雙折射主軸入射，在快轉(zhuǎn)端可以轉(zhuǎn)換輸出為圓偏振光。這種光纖稱為全光纖偏振轉(zhuǎn)換器(afpt，allfiberpolarizationtransformer)，或旋光纖四分之一波片，所用的雙折射光纖被稱為基體光纖。afpt的結(jié)構(gòu)從未旋轉(zhuǎn)端的線性各向異性變?yōu)榭燹D(zhuǎn)端的圓各向異性，其傳輸模式的本征態(tài)也從線偏振光變成了準(zhǔn)圓偏振光?，F(xiàn)有的理論研究及工藝制作所采用的轉(zhuǎn)速變化曲線為線性函數(shù)或升余弦函數(shù)(其中l(wèi)是光纖變速旋轉(zhuǎn)段的長(zhǎng)度，τl是最大轉(zhuǎn)速)，但是在這兩種轉(zhuǎn)速函數(shù)條件下，偏振模耦合方程的交叉耦合系數(shù)沿光纖長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生較大的起伏變化，無(wú)法得到嚴(yán)格的解析解，只能通過(guò)迭代法求得輸出端瓊斯矢量和偏振橢圓度的近似解，不能根據(jù)實(shí)際所需要的偏振橢圓度對(duì)afpt進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。而且由于耦合系數(shù)沿光纖各點(diǎn)的起伏變化較大，出射光的橢圓偏振度及其穩(wěn)定性很難達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上轉(zhuǎn)速變化函數(shù)所存在的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有優(yōu)化轉(zhuǎn)速變化因子的旋光纖四分之一波片。

本發(fā)明的目的之二在于提供該旋光纖四分之一波片的制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思如下：

(1)afpt的偏振耦合模方程為：

da(z)/dz＝k(z)a(z)(1)

其中τ(z)是轉(zhuǎn)速，δβ＝2π/lb是光纖的雙折射，lb是基體光纖的拍長(zhǎng)。a(z)是一個(gè)2×1的矩陣，其元素分別為ax和ay，分別代表旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下沿雙折射主軸的電場(chǎng)分量。公式中長(zhǎng)度量均已用雙折射拍長(zhǎng)lb歸一化。

(2)通過(guò)矩陣變換和對(duì)角化處理，考慮恒定的轉(zhuǎn)速緩變因子，可以得到一個(gè)特定的歸一化轉(zhuǎn)速變化函數(shù)

q(z)＝0.5tan{arcsin[(z/l)sin(arctan2ql)]}(3)

其中，l＝l/lb是光纖的歸一化長(zhǎng)度，l是光纖的實(shí)際長(zhǎng)度，z是變速旋扭光纖中任意一點(diǎn)到起轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離，也用lb進(jìn)行了歸一化，是歸一化轉(zhuǎn)速，ql＝q(l)是最大歸一化轉(zhuǎn)速。當(dāng)歸一化轉(zhuǎn)速變化函數(shù)滿足上式時(shí)，afpt的本征模a1(z)，a2(z)分別為

當(dāng)時(shí)(4)

當(dāng)時(shí)(5)

其中，任意偏振態(tài)的入射光都可以分解為a1(0)和a2(0)的線性組合，它們傳輸至光纖中任意點(diǎn)z處的偏振態(tài)可由a1(0)和a2(0)的線性組合解析地表達(dá)。

(3)在afpt的出射端z＝l處，與(4)、(5)式對(duì)應(yīng)的正交本征模分別為：

根據(jù)偏振橢圓度的定義

其中，為電場(chǎng)分量的振幅比，為電場(chǎng)分量的相位差。在單本征態(tài)入射條件下，可以分別求得以a1(z)或a2(z)入射的線偏振光經(jīng)過(guò)afpt后在出射端z＝l處的偏振橢圓度均為：

(4)afpt作為四分之一波片，其等效相位延遲量為δe＝arccosp，等效相位延遲量的偏差為：

根據(jù)上述機(jī)理，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

選用目前工藝成熟的雙折射光纖，如熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓芯型、多孔型或光子晶體型的雙折射光纖作為基體光纖，通過(guò)平移加熱和變速旋扭工藝制作旋光纖四分之一波片。其轉(zhuǎn)速變化函數(shù)滿足如下關(guān)系：0<z<l，其中l(wèi)b是雙折射光纖的拍長(zhǎng)，l是光纖變速旋轉(zhuǎn)段的歸一化長(zhǎng)度(實(shí)際長(zhǎng)度l＝llb)。這種旋光纖四分之一波片可以將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光的橢圓度可用解析公式來(lái)表示，其中是最大歸一化轉(zhuǎn)速，當(dāng)ql取值范圍為8～10，l取值范圍為4～20,即可找到合適的歸一化轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)度保證p≤0.0628，其對(duì)應(yīng)的四分之一波片的相位延遲量為90°±3.6°，基本滿足輸出圓偏振光的要求。若基體雙折射光纖的拍長(zhǎng)lb的取值范圍為2mm～10mm,則光纖變速旋轉(zhuǎn)段的長(zhǎng)度l＝llb的取值范圍可設(shè)定為20mm～200mm，最大轉(zhuǎn)速的取值范圍可設(shè)定為2π/mm～8π/mm。

制備上述的具有優(yōu)化轉(zhuǎn)速變化因子的旋光纖四分之一波片的具體步驟為：根據(jù)等效相位延遲誤差的預(yù)定指標(biāo)要求，首先確定所需出射光的偏振橢圓度p值(一般取p≤0.0628),得到歸一化光纖長(zhǎng)度l與最大轉(zhuǎn)速ql的約束關(guān)系再根據(jù)基體光纖的拍長(zhǎng)值(2mm≤lb≤10mm)，優(yōu)化選擇具體的變速旋扭段的光纖長(zhǎng)度(20mm≤l≤200mm)和最大轉(zhuǎn)速(2π/mm≤τl≤8π/mm)。制作時(shí)，將雙折射光纖的一端固定在光纖夾持器上，另一端固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的中心軸上，采用加熱元件將雙折射光纖加熱軟化，將加熱元件固定在電控位移臺(tái)上，以恒定的平移速度v(一般取為0.25mm/s)沿光纖移動(dòng)，同時(shí)開啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)由零逐漸增大，當(dāng)加熱元件移動(dòng)l距離后，電機(jī)轉(zhuǎn)速恰好達(dá)到最大值vτl(0.5π/s≤vτl≤2π/s)。這樣制作出來(lái)的變速旋扭光纖就是滿足等效相位延遲量指標(biāo)要求(90°±3.6°)的旋光纖四分之一波片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

a.本發(fā)明首次提出了一種特殊的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)：

如圖2所示。

b.基于此特殊的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)，可以求得耦合模方程的嚴(yán)格解析解(4)、(5)式，分別給出兩個(gè)入射的正交線偏振光沿變速旋扭光纖傳輸時(shí)的瓊斯矢量在光纖各點(diǎn)演化的解析表達(dá)式。

c.根據(jù)耦合模方程的解析解，得到出射端的兩個(gè)正交本征態(tài)的瓊斯矢量(6)、(7)式及其對(duì)應(yīng)的偏振橢圓度的解析表達(dá)式(9)式。

d.在此基礎(chǔ)上，給出了評(píng)估afpt性能的等效相位延遲量偏差與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式(10)式，依據(jù)此表達(dá)式可以根據(jù)偏振轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)要求，來(lái)確定變速旋扭部分的歸一化長(zhǎng)度和歸一化最大轉(zhuǎn)速的約束關(guān)系及變化范圍，并根據(jù)所選用基體光纖的拍長(zhǎng)值和制作工藝的許可條件來(lái)優(yōu)化確定實(shí)際制作afpt的光纖長(zhǎng)度和最大轉(zhuǎn)速。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為變速旋轉(zhuǎn)熊貓型雙折射光纖端面示意圖。

圖1(b)為變速旋轉(zhuǎn)多孔型雙折射光纖端面示意圖。

圖2是本發(fā)明提出的歸一化轉(zhuǎn)速變化函數(shù)示意圖，橫坐標(biāo)為變速旋扭光纖的歸一化長(zhǎng)度z/l，z與l都已對(duì)lb進(jìn)行了歸一化，縱坐標(biāo)為變速旋扭光纖的歸一化轉(zhuǎn)速τ(z)/τl。

圖3是當(dāng)要求afpt的等效相位偏差δδ＝90°·4％時(shí)，變速旋轉(zhuǎn)歸一化長(zhǎng)度l與最大轉(zhuǎn)速ql的臨界約束關(guān)系曲線，曲線及曲線上方的(l,ql)點(diǎn)能夠滿足p≤0.0628。

圖4是采用加熱旋扭工藝制作afpt的方法示意圖。將雙折射光纖的一端固定在光纖夾持器上，另一端固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的中心軸上，采用加熱元件將雙折射光纖加熱軟化，將加熱元件固定在電控位移臺(tái)上，以恒定的平移速度v沿光纖移動(dòng)，同時(shí)開啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)由零逐漸增大，當(dāng)加熱元件移動(dòng)l距離后，電機(jī)轉(zhuǎn)速恰好達(dá)到最大值vτl。

具體實(shí)施方式

采用本發(fā)明專利優(yōu)化、設(shè)計(jì)、制作afpt器件時(shí)，具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)偏振轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)要求，明確等效相位延遲量的偏差范圍，即確定δδ的最大值，這里以δδ＝90·4％＝3.6°為例，根據(jù)(10)式，得到一條變速旋轉(zhuǎn)歸一化長(zhǎng)度l與最大歸一化轉(zhuǎn)速ql的臨界約束關(guān)系曲線，如圖3所示。

步驟2：根據(jù)實(shí)際工藝條件的可行性，在圖3曲線上或其上方區(qū)域選取l和ql的大小，根據(jù)所選基體光纖的拍長(zhǎng)lb來(lái)確定變速旋扭的光纖長(zhǎng)度l及最大轉(zhuǎn)速τl。

步驟3：選取長(zhǎng)度為l的雙折射光纖，采取平移加熱和變速旋扭相結(jié)合(如圖4所示)的工藝方法制取旋光纖四分之一波片(afpt)。將雙折射光纖的一端固定在光纖夾持器上，另一端固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的中心軸上，采用加熱元件將雙折射光纖加熱軟化，將加熱元件固定在電控位移臺(tái)上，以恒定的平移速度v＝0.25mm/s)沿光纖移動(dòng)，同時(shí)開啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為vτ(z)，按照本發(fā)明專利提出的變化因子由零逐漸增大，當(dāng)加熱元件移動(dòng)l距離后，電機(jī)轉(zhuǎn)速恰好達(dá)到最大值vτl。這樣即可制作出滿足等效相位延遲量指標(biāo)要求(90°±3.6°)的旋光纖四分之一波片。