一種高速率、高精度的全光纖偏振控制方法*

馬海強(qiáng) 李泉躍 汪龍 韋克金 張勇 焦榮珍

(北京郵電大學(xué)理學(xué)院,北京 100876)

1 引言

光的偏振態(tài)作為信息的載體得到越來越廣泛的應(yīng)用,特別是其成為量子密鑰分發(fā)得以實(shí)現(xiàn)的一種重要途徑[1-3].此外在單模光纖與光波導(dǎo)的耦合中,偏振態(tài)匹配也是提高耦合效率的重要方法之一;光的偏振態(tài)在單模光纖傳感器、光纖環(huán)鏡[4,5]以及光纖激光器[6,7]中也有著重要的應(yīng)用.因此,光偏振態(tài)的控制,特別是光纖中光偏振態(tài)的高精度、高速度的控制方法引起了科研人員和工程人員的重視[8].

常用的機(jī)械式光纖偏振控制器--光纖擠壓/纏繞型[9,10],主要通過外力扭轉(zhuǎn)光纖使光纖的各個(gè)方向受力不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致光纖的應(yīng)力雙折射效應(yīng)來改變偏振態(tài),該方法結(jié)構(gòu)比較簡單、容易制作,同時(shí)也存在光纖的物理疲勞、機(jī)械結(jié)構(gòu)形變等缺點(diǎn),易導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定,不能實(shí)現(xiàn)精確的控制.此外由于涉及到機(jī)械裝置,故其控制速度一般較慢.機(jī)械式偏振控制器多用于實(shí)驗(yàn)室研究.采用手動(dòng)的粗略調(diào)節(jié),使得調(diào)節(jié)的精度大大降低,但它采用在線光纖進(jìn)行偏振控制,故其損耗一般很低.還可利用晶體電光效應(yīng)特性,通過調(diào)控電壓、電流、磁場等因素實(shí)現(xiàn)對光偏振態(tài)的控制,例如基于電光晶體、液晶、磁光材料等光學(xué)材料[11]的相位調(diào)制器,這類相位調(diào)制器具有精度高、速率快的特點(diǎn),但它需要復(fù)雜的控制電路和較高的偏置電壓,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,成本較高.

上述的偏振控制方法,隨著外界環(huán)境如溫度和應(yīng)力的變化都會(huì)導(dǎo)致光纖發(fā)生形變,這種形變會(huì)引入額外的雙折射,從而導(dǎo)致偏振態(tài)發(fā)生變化,這種改變是隨機(jī)的,如果不加以控制,將對系統(tǒng)造成不穩(wěn)定性,從而降低了器件的抗干擾能力.

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)的高速率、高精度的全光纖偏振控制方法.主光路由光源、四端口光偏振分束/合路器、相位調(diào)制器、90?旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡連接而成;四端口光偏振分束/合路器與90?旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡的組合消除了光學(xué)器件、光纖的雙折射效應(yīng),增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,高速率的相位調(diào)制器保證了該方法的高精度和高速率.

2 實(shí)驗(yàn)原理

高速率、高精度的全光纖偏振控制原理圖如圖1所示.一臺激光器(LD),其輸出光耦合進(jìn)四端口偏振分束器(DPBS)的輸入端口a,為敘述方便,定義DPBS分光面AB反射垂直偏振光|v〉,用Λ2表示;透射平行態(tài)偏振光|h〉,用Λ1表示,Λ1透射后由c端口到達(dá)90?旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡(FM2)被反射回來,在被FM2反射回來的同時(shí),其偏振方向也旋轉(zhuǎn)90?而成為垂直偏振;再次到達(dá)DPBS分光面被反射后到b端口,此路定義為參考臂.在這一過程中,雙折射效應(yīng)得到了自動(dòng)補(bǔ)償.

圖1 高速率、高精度的全光纖偏振控制原理圖

對于任一具有雙折射效應(yīng)的器件,它的正向瓊斯傳輸矩陣T,反向瓊斯傳輸矩陣T可表述為[12]

式中θ是參考坐標(biāo)與雙折射器件的快慢軸的夾角,θo,θe是雙折射器件引起的o光和e光的相位變化.

當(dāng)前普遍采用的往返一次﹑偏振方向旋轉(zhuǎn)90?的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡可等價(jià)成終端附有一個(gè)普通平面反射鏡的45?法拉第旋轉(zhuǎn)器,由(1),(2)式容易給出終端帶有90?法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和雙折射器件組成光路的瓊斯傳輸矩陣為

其中?=θo+θe,從(3)式可以看出,其傳輸矩陣等價(jià)為一個(gè)相移因子和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡傳輸矩陣的乘積,與輸入光的偏振態(tài)、光所經(jīng)過的路徑、傳輸介質(zhì)的雙折射效應(yīng)無關(guān),可從物理上自動(dòng)消除光路中各種器件引入的各種雙折射效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)抗干擾的功能,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

Λ2通過PM到達(dá)FM1被反射回來,在被FM1反射回來的同時(shí)其偏振態(tài)變?yōu)槠叫衅?同時(shí)往返通過PM,FM1組成的光路的過程中PM把所要調(diào)制的相位加到了Λ2脈沖上,再次到達(dá)四端口偏振分束/合路器的分光面并透射后到達(dá)b端口,此路定義為控制臂.此時(shí)刻的狀態(tài)表示為

其中θ是由于控制臂光路引入的相位,?相位調(diào)制是相位調(diào)制器所調(diào)制的相位.

Λ1再次到達(dá)DPBS的分光面,進(jìn)而被反射,沿著b端口輸出,偏振態(tài)表示為

其中θ是由于參考臂光纖引入的相位.

調(diào)節(jié)控制臂和參考臂的光程相等,那么Λ1,Λ2同時(shí)到達(dá)DPBS的分光面從b端口出來,根據(jù)相互垂直振動(dòng)的合成規(guī)律,Λ1,Λ2就合束為一個(gè)偏振方向的光束,其偏振態(tài)Λ可表示為從上式可以看出輸出光的偏振態(tài)僅與相位調(diào)制器所調(diào)制的相位有關(guān),與所經(jīng)過的路徑完全無關(guān),也即消除掉了光路對光的偏振帶來的影響,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論和分析

為了方便控制參考臂和控制臂等光程,我們的實(shí)驗(yàn)光路較原理圖1做了改動(dòng),如圖2所示.一個(gè)激光器發(fā)出一恒定偏振態(tài)的光脈沖(以45?線偏振態(tài)為例),該光脈沖通過環(huán)形器(CIR)以后,入射到DPBS/合路器分光面AB,分成兩個(gè)光強(qiáng)相等且偏振方向正交的激光脈沖Λ1和Λ2.Λ1到達(dá)FM1被反射回來,偏振變成水平偏振態(tài),透射通過DPBS分光面到達(dá)FM2,而后被FM2反射回來,偏振變成垂直偏振態(tài),再次到達(dá)DPBS分光面而被反射到達(dá)FM3,被FM3反射回來,偏振變成水平偏振態(tài),再次到達(dá)DPBS分光面而透射,到達(dá)環(huán)形器的反向輸出端.同理可以分析Λ2與Λ1所走的路徑完全一樣,只是先后順序不一樣.最終Λ1和Λ2同時(shí)抵達(dá)DPBS的分光面而相遇,并且疊加成一個(gè)新的脈沖Λ,沿著如入射時(shí)相反的方向傳輸,而Λ的偏振方向就是由Λ1和Λ2的相位差所決定的.所以,通過對PM的控制可以控制Λ1和Λ2的相位,從而實(shí)現(xiàn)對疊加脈沖Λ偏振方向的控制.

圖2 高速率、高精度的全光纖偏振控制的實(shí)驗(yàn)光路圖

圖3 加在相位調(diào)制器上的電壓

光脈沖Λ輸出后接入到一個(gè)三端口偏振分束器的公共端(PBS),PBS的放置可以根據(jù)使用要求擺放成PBS與DPBS的基矢一致,也可以不一致.在我們的實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)偏振分束器的基失是不一致的.PBS的兩個(gè)保偏輸出端口分別接光功率計(jì)(用以測量輸出光的偏振態(tài)在兩個(gè)正交分量的功率)檢驗(yàn)輸出光的偏振態(tài)的變化,兩個(gè)光功率計(jì)的計(jì)數(shù)結(jié)果如圖3所示.

通過圖3可以看出,隨著加在相位調(diào)制器上電壓的變化,也即Λ1和Λ2的相位差的變化,輸出光的偏振態(tài)在兩個(gè)正交分量上的值也在變化著,變化也是互補(bǔ)的,而且消光比可達(dá)31 dB.

4 結(jié)論

通過相位調(diào)制器調(diào)節(jié)光的相位可以做到高速率、高精度,可以消除機(jī)械式的偏振光控制方法很難做到的精確、高效、高速.該方案可以對一恒定偏振態(tài)的輸入光,通過電調(diào)節(jié)高效地產(chǎn)生各種不同偏振態(tài)的輸出光,克服了傳統(tǒng)偏振控制器由于存在物理疲勞等因素和環(huán)境因素的影響,很容易引入額外的雙折射,造成系統(tǒng)的抗干擾能力差.本方案中四端口偏振分束/合路器與90?旋轉(zhuǎn)法拉第反射鏡的組合消除了光學(xué)器件、光纖的雙折射效應(yīng),增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)上取得了可達(dá)31 dB消光比的偏振態(tài)控制.

[1]Chen J,Wu G,Xu L,Gu X,Wu E,Zeng H 2009 New J.Phys.11 065004

[2]Xavier G B,Vilela de Faria G,Ferreira da Silva T,Tempor?ao G P,Weid J P 2010 Quantum.Com.36 125

[3]Donald S B,William P R 2000 IEEE J.Quantum Electron.36 340

[4]FengSJ,ShangL,MaoQH2007Acta Phys.Sin.564677(in Chinese)[馮素娟,尚亮,毛慶和2007物理學(xué)報(bào)56 4677]

[5]Wang J,Zheng K,Li J,Liu L S,Chen G X,Jian S S 2009 Acta Phys.Sin.58 7695(in Chinese)[王靜,鄭凱,李堅(jiān),劉利松,陳根祥,簡水生2009物理學(xué)報(bào)58 7695]

[6]Zuo L,Yang A Y,Zhou D W,Sun Y N 2012 Acta Phys.Sin.61 054211(in Chinese)[左林,楊愛英,周大偉,孫雨南2012物理學(xué)報(bào)61 054211]

[7]Mao Q H,Lit J W Y 2003 Appl.Phys.Lett.82 1335

[8]Benetou M I,Thomsen B C,Bayvel P,Dickson W,Zayats A V 2011 Appl.Phys.Lett.98 111109

[9]Liao Y B 2005 Polarization Optics(Beijing:Science Press)p219(in Chinese)[廖延彪2005偏振光學(xué)(北京:科學(xué)出版社)第219頁)]

[10]Benkish A 1991 Opt.Lett.19 687

[11]Fan F,Guo Z,Bai J J,Wang X H,Chang S J 2011 J.Opt.Soc.Am.B 28 697

[12]Ma H Q,Jiao R Z,Wang C,Li L X,Wu Z B,2009 Chinese Patent 200910086185[2009-06-15](in Chinese)[馬海強(qiáng),焦榮珍,王川,李林霞,吳張斌2009中國專利[200910086185][2009-06-15]]