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。從線偏光到圓偏光的轉(zhuǎn)換需要使偏振光兩個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實現(xiàn)。

塊狀晶體光學波片是基于材料的雙折射特性制作的：當一束光入射到塊狀晶體光學波片時，出射光會分成兩束傳播速度不同的正交偏振光，對于給定波長的入射光，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波片稱為四分之一波片，可以實現(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到相位變換的目的。產(chǎn)生2π相位差的光纖長度被定義為偏振拍長lb，將雙折射光纖的長度切割為(m±0.25)lb，m為整數(shù)，就可以做成光纖四分之一波片，對入射的正交線偏振光產(chǎn)生π/2的相位差。此外，當普通單模光纖以半徑r彎曲時，也可以產(chǎn)生雙折射，調(diào)節(jié)r就可以實現(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)點是不存在與傳輸光纖的熔接問題，缺點是相位控制精度比較低。

對雙折射光纖進行變速旋扭(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光的偏振態(tài)進行轉(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圓偏振光。現(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)沿光纖長度會發(fā)生較大的起伏變化，無法得到嚴格的解析解，只能通過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)實際所需要的偏振橢圓度對afpt進行嚴格的設(shè)計。而且由于耦合系數(shù)沿光纖各點的起伏變化較大，出射光的橢圓偏振度及其穩(wěn)定性很難達到預(yù)定指標。

技術(shù)實現(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。a(z)是一個2×1的矩陣，其元素分別為ax和ay，分別代表旋轉(zhuǎn)坐標系下沿雙折射主軸的電場分量。公式中長度量均已用雙折射拍長lb歸一化。

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

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

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

當時(4)

當時(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z處的偏振態(tài)可由a1(0)和a2(0)的線性組合解析地表達。

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

根據(jù)偏振橢圓度的定義

其中，為電場分量的振幅比，為電場分量的相位差。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，l是光纖變速旋轉(zhuǎn)段的歸一化長度(實際長度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表示，其中是最大歸一化轉(zhuǎn)速，當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)速和長度保證p≤0.0628，其對應(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lb的取值范圍為2mm～10mm,則光纖變速旋轉(zhuǎn)段的長度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)基體光纖的拍長值(2mm≤lb≤10mm)，優(yōu)化選擇具體的變速旋扭段的光纖長度(20mm≤l≤200mm)和最大轉(zhuǎn)速(2π/mm≤τl≤8π/mm)。制作時，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上，以恒定的平移速度v(一般取為0.25mm/s)沿光纖移動，同時開啟旋轉(zhuǎn)電機，電機轉(zhuǎn)速按照優(yōu)化設(shè)計的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)由零逐漸增大，當加熱元件移動l距離后，電機轉(zhuǎn)速恰好達到最大值vτl(0.5π/s≤vτl≤2π/s)。這樣制作出來的變速旋扭光纖就是滿足等效相位延遲量指標要求(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：

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格解析解(4)、(5)式，分別給出兩個入射的正交線偏振光沿變速旋扭光纖傳輸時的瓊斯矢量在光纖各點演化的解析表達式。

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

d.在此基礎(chǔ)上，給出了評估afpt性能的等效相位延遲量偏差與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系表達式(10)式，依據(jù)此表達式可以根據(jù)偏振轉(zhuǎn)換性能的指標要求，來確定變速旋扭部分的歸一化長度和歸一化最大轉(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值和制作工藝的許可條件來優(yōu)化確定實際制作afpt的光纖長度和最大轉(zhuǎn)速。

附圖說明

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，橫坐標為變速旋扭光纖的歸一化長度z/l，z與l都已對lb進行了歸一化，縱坐標為變速旋扭光纖的歸一化轉(zhuǎn)速τ(z)/τl。

圖3是當要求afpt的等效相位偏差δδ＝90°·4％時，變速旋轉(zhuǎn)歸一化長度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上，以恒定的平移速度v沿光纖移動，同時開啟旋轉(zhuǎn)電機，電機轉(zhuǎn)速按照優(yōu)化設(shè)計的轉(zhuǎn)速變化函數(shù)由零逐漸增大，當加熱元件移動l距離后，電機轉(zhuǎn)速恰好達到最大值vτl。

具體實施方式

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

步驟1：根據(jù)偏振轉(zhuǎn)換性能的指標要求，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lb來確定變速旋扭的光纖長度l及最大轉(zhuǎn)速τl。

步驟3：選取長度為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上，以恒定的平移速度v＝0.25mm/s)沿光纖移動，同時開啟旋轉(zhuǎn)電機，電機轉(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，當加熱元件移動l距離后，電機轉(zhuǎn)速恰好達到最大值vτl。這樣即可制作出滿足等效相位延遲量指標要求(90°±3.6°)的旋光纖四分之一波片。