消除法拉第旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角與波長溫度相關(guān)的方法及其法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感和光纖通訊領(lǐng)域，更具體地涉及一種消除法拉第旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角與波長和溫度相關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。本發(fā)明要求申請日為2 014.10.14、申請?zhí)枮?01410539249.X的發(fā)明專利的本國優(yōu)先權(quán)。
【背景技術(shù)】
[0002]光信號解調(diào)為了達(dá)到高分辨力，一般都使用干涉式解調(diào)方法，光纖干涉儀的研制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。保偏光纖價(jià)格高昂，且保偏耦合器在有些關(guān)鍵技術(shù)上還不是很完善，限制了其應(yīng)用。普通單模光纖由于雙折射效應(yīng)，干涉儀兩臂的偏振態(tài)會隨機(jī)變化，導(dǎo)致輸出干涉信號的可見度隨之變化，此即為偏振誘導(dǎo)信號衰落效應(yīng)。
[0003]光信號進(jìn)行干涉式解調(diào)時(shí)，干涉條紋可見度的波動將直接影響解調(diào)結(jié)果的穩(wěn)定性，因此，光纖干涉儀的偏振控制已成為影響光信號解調(diào)器件的一個(gè)關(guān)鍵問題。國內(nèi)外已提出多種消除偏振誘導(dǎo)信號衰落的方法，其中利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行雙折射補(bǔ)償?shù)姆椒傻玫搅己玫南Ч?，公告號為CN103412371A的中國發(fā)明專利公布了這樣的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。但是，由于法拉第旋轉(zhuǎn)晶體材料固有的旋轉(zhuǎn)角度色散和溫度相關(guān)特性，傳統(tǒng)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡使得上述補(bǔ)償方法無法對寬帶波長和大溫度范圍同時(shí)有效。專利申請公布號為CN102906629A的發(fā)明專利利用雙折射元件分偏振光、透鏡光束交匯等方法成功地克服了法拉第旋轉(zhuǎn)晶體的波長溫度特性帶來的不良影響，然而，當(dāng)兩束能量高斯分布的光束在空間分開的不足夠時(shí)，透鏡的合束方式會導(dǎo)致消光比不高，為了獲得高消光比，專利CN102906629A要求兩束光的空間位移量大于兩倍以上的模場直徑，這又會增加器件尺寸和成本。因此發(fā)明一種新型的與波長和溫度無關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡非常有益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，將法拉第旋轉(zhuǎn)器作用后的旋轉(zhuǎn)角偏離90度而產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量消除，使剩下的各波長的光都具有相同的線偏振態(tài)，從而消除由法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角度與波長、溫度相關(guān)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對光的旋轉(zhuǎn)角度隨波長變化以及溫度引起的旋轉(zhuǎn)角度隨溫度變化的影響，使法拉第旋轉(zhuǎn)鏡與波長無關(guān)、與溫度無關(guān);同時(shí)提高法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的消光比、減少插損、縮小尺寸和降低成本。
[0005]本發(fā)明較好的技術(shù)方案是:光路經(jīng)過光輸入耦合元件、偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器至光輸入親合元件。被偏振分光器分出的兩束光經(jīng)過雙折射晶體偏振光束交匯器的偏折交匯作用和反射鏡反射后兩束光沿對方的路經(jīng)反向傳輸，兩次經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器后兩束光的電場振動面旋轉(zhuǎn)接近90度，反向進(jìn)入偏振分光器后兩束光被在空間重新合并，而兩束光旋轉(zhuǎn)角偏離90度而產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振分量光則被在空間拉大傳輸角度和距離，無法沿主光路傳輸，消除了旋轉(zhuǎn)角偏離90度而產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量對主光路光偏振態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)了各種波長在各種溫度下都具有相同的偏振態(tài)輸出。
[0006]本發(fā)明的法拉第旋轉(zhuǎn)器是利用磁光效應(yīng)將光的偏振方向旋轉(zhuǎn)的光學(xué)器件。法拉第旋轉(zhuǎn)器通常包含非互易性磁光晶體和為晶體提供飽和磁場的永久磁體。本發(fā)明的法拉第旋轉(zhuǎn)器可以由兩種任意厚度的法拉第磁光晶體組成，但必需要滿足同一光束經(jīng)過此兩種厚度法拉第磁光晶體的旋轉(zhuǎn)角度累積之和約為90度，才可實(shí)現(xiàn)本技術(shù)方案。
[0007]本發(fā)明的偏振分光器是偏振分光光學(xué)干涉薄膜元件或雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件，包括但不限于麥克尼爾(MacNei I Ie)光學(xué)薄膜偏振器，沃拉斯頓(WolIaston)棱鏡偏振器，雙沃拉斯頓棱鏡(Double Wollaston prism)偏振器，偏振光束偏移器(PBD Polarizat1n Beam Displacer)，洛匈(Rochon)棱鏡，尼科爾(Nicol)棱鏡，雙折射模角片(Birefringent Crystal Wedge)，塞拿蒙棱鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基棱鏡(Nomarski Prism)。
[0008]上述技術(shù)方案中所述的雙折射晶體偏振光束交匯器是雙折射晶體元件、或雙折射晶體復(fù)合元件，包括但不限于沃拉斯頓(Wol I as ton)棱鏡，雙沃拉斯頓棱鏡(DoubleWollaston prism)，偏振光束偏移器(PBD Polarizat1n Beam Displacer)，洛匈(Rochon)棱鏡，尼科爾(Nicol)棱鏡，雙折射楔角片(Birefringent Crystal Wedge)，塞拿蒙棱鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基棱鏡(Nomarski Prism) 0
[0009]所述的雙折射晶體偏振光束交匯器的雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件僅對不同的偏振態(tài)產(chǎn)生不同的偏折作用，因此這種對不同偏振態(tài)的偏折作用與不同偏振態(tài)光束在空間的能量分布的重合程度無關(guān)，兩束正交偏振光在空間的重合程度不會影響偏折光的偏振消光比和光路能量損耗，只要兩束光的傳輸方向有一定夾角，它就可獲得很高的偏振消光比，偏振消光比僅取決于雙折射晶體本身的消光比。因而可容易制造高消光比，小尺寸的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。
[0010]各向同性的偏振無關(guān)透鏡元件則難以具有上述優(yōu)點(diǎn)。透鏡的光束交匯器要求兩束正交偏振光相互平行入射，光束能量重疊部分的光不能實(shí)現(xiàn)光路交換，還會沿原光路返回，這些原光路返回的能量將會降低消光比，因此透鏡做為光束交匯器構(gòu)成的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡消光比依賴于光能量的空間分布。為獲得較高的消光比，透鏡的光束交匯器要求空間上已分開的兩束正交偏振光相距足夠的空間位移量，比如需要超過高斯分布的模場直徑兩倍以上。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的消光比受制于兩束正交偏振光的空間位移量大小，使用較大尺寸的雙折射材料才能獲得較大的正交偏振光的位移量。
[0011 ]本發(fā)明更好的技術(shù)方案是:光從光輸入親合元件入射，依次經(jīng)過偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器復(fù)合元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器復(fù)合元件、由光輸入耦合元件原路反向輸出。被偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器復(fù)合元件偏折交匯分出的兩束光經(jīng)過反射鏡反射后兩束光沿對方的路徑反向傳輸，兩次經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器后兩束光的電場振動面旋轉(zhuǎn)接近90度，反向進(jìn)入偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器復(fù)合元件后兩束光被在空間重新合并，而兩束光中旋轉(zhuǎn)角偏離90度而產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振分量光則被在空間拉大角度和距離，無法沿主光路傳輸，消除了旋轉(zhuǎn)角偏離90度而產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量對主光路光偏振態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)了在各種溫度下，各種波長都具有相同的偏振態(tài)輸出。
[0012]所述的偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器復(fù)合元件是偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器二者功能的復(fù)合元件，可先后實(shí)現(xiàn)光束的偏振分光和偏振偏折的交匯作用，元件包括但不限于諾馬斯基棱(Nomarski Prism)或沃拉斯頓棱鏡。
[0013]所述的諾馬斯基棱鏡是由兩塊雙折射晶體楔角塊膠合而成的復(fù)合晶體，結(jié)構(gòu)緊湊，多應(yīng)用于微分干涉相襯顯微鏡。諾馬斯基棱鏡是在沃拉斯頓棱鏡的基礎(chǔ)上修改而來，又稱為修改的沃拉斯頓棱鏡(Modif ied Wollaston Prism)。沿光束傳播方向依次稱為第一雙折射晶體楔角塊和第二雙折射晶體楔角塊，第一雙折射晶體楔角塊和第二雙折射晶體楔角塊之間的膠合面稱為諾馬斯基棱鏡內(nèi)部界面。第一雙折射晶體楔角塊和第二雙折射晶體楔角塊可以是直角的楔角塊，也可以是非直角的楔角塊，第一、二雙折射晶體楔角塊的楔角大小可以相同，也可以不同，兩者的厚度可以相同，也可以不相同；第一雙折射晶體楔角塊和第二雙折射晶體楔角塊的光軸是相互垂直的；諾馬斯基棱鏡有多種組合形式，可以是第一雙折射晶體楔角塊的晶體光軸垂直于包含有諾馬斯基棱鏡內(nèi)部界面法線的入射面或折射面和第二雙折射晶體楔角塊的晶體光軸位于相同的入射面或折射面內(nèi)的組合，也可以是第一雙折射晶體楔角塊的晶體光軸位于包含有諾馬斯基棱鏡內(nèi)部界面法線的入射面或折射面和第二雙折射晶體楔角塊的晶體光軸垂直于相同的入射面或折射面的組合，晶體可以是正單軸晶體，也可以是負(fù)單軸晶體;位于包含有諾馬斯基棱鏡內(nèi)部界面法線的入射面或折射面的晶體光軸與所傳輸光束在相同平面內(nèi)的分量電場振動方向成一定的斜夾角，此時(shí)光束能量傳輸方向與波法線方向分離。光束以特定入射角度入射諾馬斯基棱鏡后，諾馬斯基棱鏡可以實(shí)現(xiàn)相互正交的兩束線偏振光先角度分離再交匯的復(fù)合功能。
[0014]諾馬斯基棱鏡對兩束偏振光的交匯作用僅依賴于所偏折光的偏振方向，與兩束偏振光的高斯光束能量空間分布無關(guān)，即便是這兩束光的能量空間有重合，只要兩束光的傳輸方向有一定夾角，它就可獲得很高的偏振消光比，諾馬斯基棱鏡的偏振消光比僅取決于雙折射晶體本身的消光比，諾馬斯基棱鏡構(gòu)成的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的消光比不受尋常光和非尋常光高斯光束能量空間分布限制。因而可容易制造高消光比，小尺寸的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。
[0015]本發(fā)明中的雙折射晶體材料可以是正單軸晶體，包括但不限于礬酸