專利名稱:具有多種偏振態(tài)變換功能的寬帶光纖波片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光學(xué)波片,尤其涉及具有多種偏振態(tài)變換功能的寬帶光纖波片。
傳統(tǒng)的光學(xué)波片采用一定厚度的雙折射晶體制成(以下也稱為塊狀波片),它可以用來對入射的偏振光進行變換。如將入射的線偏振光變換為出射的橢圓偏振光或園偏振光(四分之一波片),或?qū)⑷肷涞木€偏振光變換為一個振動面旋轉(zhuǎn)了一定角度的線偏振光(二分之一波片)。但上述塊狀波片的工作頻帶極為狹窄,而且不能在線應(yīng)用,在諸如通信和傳感等應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制。
本發(fā)明的目的在于提供一種工作頻帶寬、能在線應(yīng)用,且具有多種偏振轉(zhuǎn)換功能的寬帶光纖波片。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供一種寬帶光纖波片,它包括一段旋扭的線雙折射光纖,其中,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨ぁ?br>
上述光纖波片的功能類似于塊狀四分之一波片,通過它可以實現(xiàn)以下各種偏振變換將不旋扭端入射的主軸線偏振光變換為快旋扭端出射的園偏振光;將快旋扭端入射的園偏振光變換為不旋扭端出射的主軸線偏振光;將快旋扭端入射的方位無規(guī)的線偏振光變換為不旋扭端出射的光功率沿二主軸等分而相位差含入射角之二主軸線偏振光分量,所述二分量之間的相位差為二倍入射光方位角加上一項與光纖拍波長、旋距和纖長有關(guān)的常量;將快旋扭端入射的方位角取特定值的線偏振光變換為不旋扭端出射的園偏振光;將不旋扭端入射的園偏振光變換為快旋扭端出射的方位角取特定值的線偏振光。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種寬帶光纖波片,它包括一段旋扭的線雙折射光纖,其中,所述光纖的一端為快旋扭端,另一端為反向快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭反向地逐漸緩變?yōu)榭煨ぁ?br>
上述光纖波片的功能類似于塊狀二分之一波片,即半波片。通過它可以將快旋扭端入射的線偏振光變換為反向快旋扭端出射的線偏振光,此出射光與入射光的相位差為π,且當(dāng)所述光纖波片轉(zhuǎn)一角度時,位于出射端的線偏振光的方位角變量為光纖波片轉(zhuǎn)角的2倍。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種寬帶光纖波片,它包括一段旋扭的線雙折射光纖,其中,所述光纖的一端為快旋扭端,另一端為同向快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭同向地逐漸緩變?yōu)榭煨ぁ?br>
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種寬帶光纖波片,它包括一段旋扭的線雙折射光纖,其中,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為同向旋扭趨于零的不旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨?,又繼續(xù)從快旋扭同向地逐漸緩變?yōu)椴恍ぁ?br>
上述兩種光纖波片的功能類似于塊狀全波片。前者可用于園偏振光入射、園偏振光出射;后者可用于線偏振光入射、線偏振光出射。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種寬帶光纖波片,它包括一段旋扭的線雙折射光纖,其中,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為中速旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)橹兴傩ぁ?br>
上述光纖波片的功能類似于塊狀分數(shù)波片,通過它可以將不旋扭端入射的線偏振光變換為中速旋扭端出射的單一橢本征光。
以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的寬帶光纖波片作進一步的詳細描述。本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點在以下的描述中將更加清楚。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的光纖四分之一波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是表示圖1所示的光纖四分之一波片在相干通信中的應(yīng)用示意圖。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的光纖二分之一波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4A和4B是表示根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例的光纖全波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4B所示光纖全波片的一種旋轉(zhuǎn)函數(shù)曲線圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例的光纖分數(shù)波片的結(jié)構(gòu)示意圖。
參見圖1,它表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例,作為寬帶光纖波片的基本單元的光纖四分之一波片的結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖波片是一段從快旋扭到不旋扭的線雙折射光纖。圖中,標(biāo)號1表示一段變旋距光纖;標(biāo)號2表示該光纖的截面;標(biāo)號3表示纖芯;標(biāo)號4表示應(yīng)力作用區(qū),箭頭的疏密表示光纖旋扭的速度。圖1所示Z=0處光纖的一端為快旋鈕端,Z=L處光纖的另一端為不旋鈕端。
類似結(jié)構(gòu)的光纖在本申請同一申請人于1988年10月23日提交的第88107389號中國專利申請,以及1990年獲得的第4,943,132號美國專利中,是作為一種“無源偏振態(tài)控制器”披露的。其中的“偏振態(tài)控制”是指對入射光纖的無規(guī)的線偏振光之方位角的控制。即,若在光纖的快旋扭端入射一無規(guī)的線偏振光(其方位角由無規(guī)自變量θ表示),則在光纖的不旋鈕端出射的光的功率沿二主軸等分,而二主軸光分量的相位差Ω則含此無規(guī)自變量θ,即|Ax(L)|2=|Ay(L)|2=0.5(1)Ω=2θ+π/2+∫0Lgdz--(2)]]>其中,g=π[1+4(Lb/Ls)2]1/2,而Lb與Ls分別為光纖結(jié)構(gòu)的拍波長和旋距,式(2)中的積分上限L為纖長。
根據(jù)式(2),設(shè)若θ取下列特定值,即θ=-1/2∫0Lgd--(3)]]>則 Ω=π/2 (4)由式(1)和(4)可見,當(dāng)入射的線偏振光的方位角取式(3)之特定值時,出射的光為圓偏振光。即,上述變旋雙折射光纖在式(3)的條件下具有將線偏振光變換為圓偏振光的特性。
利用變旋雙折射光纖的上述特性,本申請的光纖四分之一波片可以實現(xiàn)多種偏振光變換,其作用與傳統(tǒng)的塊狀四分之一波片相類似。但與傳統(tǒng)的塊狀四分之一波片相比,本申請的光纖四分之一波片可在線應(yīng)用且具有極寬的工作頻帶(即帶寬基本上等于單模工作的帶寬),尤其適用于通信和傳感等領(lǐng)域。
上述寬帶光纖波片可以利用現(xiàn)有的拉絲機設(shè)備配以變速電動機加工制成。另一種途徑是采用本申請的同一申請人于1992年3月17日獲得的第5,096,312號美國專利所述的微區(qū)加熱技術(shù)來制作上述寬帶光纖波片。其中,微加熱器沿著一根雙折射光纖移動,同時,此局部光纖熱區(qū)被變速旋轉(zhuǎn)。
表1和表2分別列出了傳統(tǒng)的塊狀四分之一波片與本申請的光纖四分之一波片的幾種偏振變換的特性對比。表1中,在光軸為垂直的情形下,從右園偏光和左園偏光變換成的線偏光應(yīng)互換,且從π/4傾角線偏光變成的右園偏光應(yīng)改為左園偏光。在座標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)π/4角的情形下,功率等分仍成立,但相位差公式變?yōu)?θ+π。表2中,各變換均指光纖旋轉(zhuǎn)方向為(+),即順時針的情況。若光纖旋轉(zhuǎn)為(-)或逆時針,則表中x主軸線偏和y主軸線偏應(yīng)互換,且方位角特定的線偏應(yīng)改為與此線偏相垂直的另一線偏。若光纖旋轉(zhuǎn)方向之(+)與(-)和入射園偏光之左與右同時改變,則出射光的偏振態(tài)不變。表中ρ亦即式(2)和式(3)右邊之積分式,它是由變旋轉(zhuǎn)光纖三個參量(即光纖旋距,不旋時拍長和光纖全長)所決定的代表全結(jié)構(gòu)特征的集總參量。
表1窄帶塊狀波片的偏振變換特性入射光,出射光, 參考座標(biāo)軸在z=0處在z=L處右園偏 方位角(3/4)π之線偏光軸水平左園偏 方位角π/4之線偏光軸水平塊狀光學(xué)1/4波片方位角π/4之線偏右園偏光軸水平方位角任意之線偏功率等分 |Ax|2=|Ay|2=1/2 旋-π/4角之座標(biāo)軸Ω=-2θ
表2寬帶光纖波片的偏振變換特性結(jié)構(gòu)類別 入射光,出射光,參考座標(biāo)軸在z=0處在z=L處右園偏 x主軸線偏 左園偏 y主軸線偏 光纖1/4波片 方位角特定 左列四種變換均以快旋到不旋 之線偏 左園偏 本地主軸為參考方位角任意之線偏功率等分|Ax|2=|Ay|2=1/2 Ω=π/2+2ρ-2θ右園偏 方位角特定之線偏 本地主軸 光纖1/4波片不旋到快旋 左園偏 方位角特定之線偏 本地主軸方位角π/4之線偏方位角特定之線偏 本地主軸方位角任意之線偏功率等分|Ax|2=|Ay|2=1/2 旋-ρ角之座標(biāo)軸Ω=2θ-π/2
從表2可見,圖1所示的光纖四分之一波片,既可將快旋扭端作為偏振光的入射端,也可將不旋扭端作為偏振光的入射端。例如,它可以將快旋扭端入射的圓偏振光變換為不旋扭端出射的主軸線偏振光;將不旋扭端入射的主軸線偏振光變換為快旋扭端出射的圓偏振光;將快旋扭端入射的方位角取特定值的線偏振光變換為不旋扭端出射的圓偏振光;將不旋扭端入射的圓偏振光變換為快旋扭端出射的方位角取特定值的線偏振光;以及,將快旋扭端入射的方位無規(guī)的線偏振光變換為不旋扭端出射的光功率沿二主軸等分而相位差含入射角之二主軸線偏振光分量,等等。
圖2表示本申請的光纖四分之一波片在相干通信中的應(yīng)用示例。圖2中,由常規(guī)光源LD提供的線偏振光通過不旋扭端作為入射端、快旋扭端作為出射端的光纖四分之一波片PPT1將該線偏振光變換為圓偏振光。在光纖光路的輸出端,利用快旋扭端作為入射端、不旋扭端作為出射端的光纖四分之一波片PPT2將傳輸?shù)膱A偏振光變換為線偏振光提供給檢測器D。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的光纖二分之一波片的結(jié)構(gòu)示意圖。它是一段線雙折射光纖,其一端為快旋扭端,另一端為反向快旋扭端,該光纖沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭反向地逐漸緩變?yōu)榭煨?。即,波片的中間不旋轉(zhuǎn),兩端反向高速旋轉(zhuǎn),且要求旋速緩變,但不要求兩邊對稱。它的功能類似于傳統(tǒng)的塊狀半波片(即二分之一波片)。此種波片可以將快旋扭端入射的線偏振光變換為反向快旋扭端出射的線偏振光,此出射光與入射光的相位差為π,且當(dāng)所述波片轉(zhuǎn)一角度時,位于出射端的線偏振光的方位角變量為波片轉(zhuǎn)角的2倍。
圖4A和4B是分別表示根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例的光纖全波片的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖4A,該光纖波片的一端為快旋扭端,另一端為同向快旋扭端,沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭同向地逐漸緩變?yōu)榭煨?。即,波片的中間不旋轉(zhuǎn),兩端同向高速旋轉(zhuǎn),且要求旋速緩變,但不要求兩邊對稱。采用該光纖全波片,可以將入射的圓偏振光變換為出射的圓偏振光。
圖4B所示光纖波片的一端為不旋扭端,另一端為同向旋速趨于零的不旋扭端,沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨ぃ掷^續(xù)從快旋扭同向地逐漸緩變?yōu)椴恍?。即,波片的中間為高速旋轉(zhuǎn),兩端不旋轉(zhuǎn),且要求旋速緩變,但不要求兩邊對稱。采用該光纖全波片,可以將入射的線偏振光變換為出射的線偏振光。
圖5表示該光纖全波片的旋轉(zhuǎn)函數(shù)曲線,其中,兩端為不旋扭,中間為快旋扭。此種光纖波片可用于電流及磁場傳感器。
光纖二分之一波片與全波片的工作原理可分別根據(jù)圖3和圖4A、4B所示的結(jié)構(gòu)示意圖加以說明。圖3所示的二分之一波片可視為兩個光纖四分之一波片的組合結(jié)構(gòu)。按前述關(guān)于四分之一波片的工作原理,圖3中第一個四分之一波片將入射的圓偏振光變換為中間光纖段的主軸線偏振光。此主軸線偏振光通過第二個四分之一波片,又在最后的輸出端變換為圓偏振光。又因第二個四分之一波片與第一個四分之一波片的旋扭方向相反,故輸出端圓偏振光與輸入端圓偏振光的左旋右旋互換,即整個二分之一波片的偏振態(tài)變換功能是將左旋圓偏振光變換為右旋圓偏振光,或相反。在入射光為線偏振態(tài)的情況下,根據(jù)表1,可以從兩個四分之一光纖波片的偏振態(tài)變換功能推知二分之一光纖波片對入射線偏振光的偏振態(tài)變換功能。
圖4A、4B所示的光纖全波片也可視為兩個光纖四分之一波片的組合結(jié)構(gòu)。這一點從傳統(tǒng)塊狀光學(xué)波片的概念來看,似乎不可思義,因塊狀全波片的厚度應(yīng)為塊狀四分之一波片的四倍。為此,必需強調(diào)盡管光纖波片與塊狀波片具有一系列相似的偏振態(tài)變換功能,但這兩類波片的工作原理卻截然不同,以致造成前者為寬帶而后者為窄帶之根本區(qū)分。例如,按圖4A,兩個光纖四分之一波片為同向旋扭,故出射光的偏振態(tài)與入射光的偏振態(tài)完全重復(fù),所不同的僅為一相位差。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例的光纖分數(shù)波片的結(jié)構(gòu)示意圖。所示光纖波片的一端為不旋扭端,另一端為中速旋扭端,沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)橹兴傩?旋距與不旋扭時拍波長同量級)。圖中所示Lt段為不旋扭緩變?yōu)橹兴傩?,L段為維持中速旋扭不變繼續(xù)拉絲所得的光纖。上述光纖波片的功能類似于塊狀分數(shù)波片,通過它可以將不旋扭端入射的線偏振光變換為中速旋扭端出射的單一橢本征光。
以上所述僅僅是本發(fā)明的幾個特定的實施例。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思,本領(lǐng)域的熟練人員還可對此作出各種變換或修改,但這種變換或修改均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,其特征在于,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨ぁ?br>
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述不旋扭端為主軸線偏振光的入射端,所述快旋扭端為園偏振光的出射端。
3.如權(quán)利要求1所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述快旋扭端為園偏振光的入射端,所述不旋扭端為主軸線偏振光的出射端。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述快旋扭端為方位無規(guī)的線偏振光的入射端,所述不旋扭端為光功率沿二主軸等分而相位差含入射角之二主軸線偏振光分量的出射端,所述二分量之間的相位差為二倍入射光方位角加上一項與光纖拍波長、旋距和纖長有關(guān)的常量。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述快旋扭端為方位角取特定值的線偏振光的入射端,所述不旋扭端為園偏振光的出射端。
6.如權(quán)利要求1所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述不旋扭端為園偏振光的入射端,所述快旋扭端為方位角取特定值的線偏振光的出射端。
7.一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,其特征在于,所述光纖的一端為快旋扭端,另一端為反向快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭反向地逐漸緩變?yōu)榭煨ぁ?br>
8.如權(quán)利要求7所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述快旋扭端為線偏振光的入射端,所述反向快旋扭端為線偏振光的出射端,其中,當(dāng)所述波片轉(zhuǎn)一角度時,位于出射端的線偏振光的方位角變量為波片轉(zhuǎn)角的2倍。
9.一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,其特征在于,所述光纖的一端為快旋扭端,另一端為同向快旋扭端,所述光纖沿其長度方向從快旋扭逐漸緩變?yōu)椴恍?,又繼續(xù)從不旋扭同向地逐漸緩變?yōu)榭煨?,所述快旋扭端和同向快旋扭端分別為園偏振光的入射端和出射端。
10.一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,其特征在于,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為同向旋扭趨于零的不旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨?,又繼續(xù)從快旋扭同向地逐漸緩變?yōu)椴恍ぃ霾恍ざ撕屯虿恍ざ朔謩e為線偏振光的入射端和出射端。
11.如權(quán)利要求10所述的寬帶光纖波片,其特征在于,所述光纖的快旋扭部分用作探測法拉第效應(yīng)的傳感器件。
12.一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,其特征在于,所述光纖的一端為不旋扭端,另一端為中速旋扭端,所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)橹兴傩?,所述不旋扭端為線偏振光的入射端,所述中速旋扭端為單一橢本征光的出射端。
全文摘要
一種寬帶光纖波片,包括一段旋扭的線雙折射光纖,光纖的一端為不旋扭端,另一端為快旋扭端,且所述光纖沿其長度方向從不旋扭逐漸緩變?yōu)榭煨?。該光纖波片的功能類似于塊狀四分之一波片,通過它可以實現(xiàn)各種偏振變換,但其所具備的寬頻帶特性和可在線應(yīng)用等特點則遠優(yōu)于傳統(tǒng)的塊狀波片,尤其適合于通信和傳感等應(yīng)用領(lǐng)域。采用不同的旋扭結(jié)構(gòu),還可以分別制成光纖二分之一波片、光纖全波片和光纖分數(shù)波片。
文檔編號H04B10/12GK1383008SQ01112680
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者黃宏嘉 申請人:黃宏嘉