具有优化转速变化因子的旋光纤四分之一波片及其制备方法与流程

本发明涉及一种旋光纤四分之一波片及其制备方法，特别是一种具有优化转速变化因子的旋光纤四分之一波片及其制备方法。

背景技术：

在光纤传感器、光纤激光器以及光纤放大器中，光纤链路中传输的线偏光常常需要转换成圆偏振光以获得更好的性能指标。从线偏光到圆偏光的转换需要使偏振光两个相等的正交分量之间产生π/2的相位差，通常利用晶体波片或者双折射光纤来实现。

块状晶体光学波片是基于材料的双折射特性制作的：当一束光入射到块状晶体光学波片时，出射光会分成两束传播速度不同的正交偏振光，对于给定波长的入射光，调整晶体的厚度，就可以产生不同的相位差，得到不同偏振态的出射光。产生π/2相位差的块状晶体光学波片称为四分之一波片，可以实现线偏振光和圆偏振光的相互转化。但是，块状晶体光学波片不能与传输光纤直接相连，应用于光纤传感器、激光器及放大器的光纤链路中会引入较大的插入损耗，增加系统体积及光路调节的难度。

原理上，利用光纤的双折射同样可以达到相位变换的目的。产生2π相位差的光纤长度被定义为偏振拍长lb，将双折射光纤的长度切割为(m±0.25)lb，m为整数，就可以做成光纤四分之一波片，对入射的正交线偏振光产生π/2的相位差。此外，当普通单模光纤以半径r弯曲时，也可以产生双折射，调节r就可以实现不同的相位延迟。因此，利用绕成环状的单模光纤也可以制作出不同的光纤波片，组合形成偏振控制器。这种弯曲光纤波片的优点是不存在与传输光纤的熔接问题，缺点是相位控制精度比较低。

对双折射光纤进行变速旋扭(如图1所示)，转速由零缓慢增大到足够大的转速，这段变速旋扭光纤就可以对光的偏振态进行转换，线偏振光在未旋转端沿双折射主轴入射，在快转端可以转换输出为圆偏振光。这种光纤称为全光纤偏振转换器(afpt，allfiberpolarizationtransformer)，或旋光纤四分之一波片，所用的双折射光纤被称为基体光纤。afpt的结构从未旋转端的线性各向异性变为快转端的圆各向异性，其传输模式的本征态也从线偏振光变成了准圆偏振光。现有的理论研究及工艺制作所采用的转速变化曲线为线性函数或升余弦函数(其中l是光纤变速旋转段的长度，τl是最大转速)，但是在这两种转速函数条件下，偏振模耦合方程的交叉耦合系数沿光纤长度会发生较大的起伏变化，无法得到严格的解析解，只能通过迭代法求得输出端琼斯矢量和偏振椭圆度的近似解，不能根据实际所需要的偏振椭圆度对afpt进行严格的设计。而且由于耦合系数沿光纤各点的起伏变化较大，出射光的椭圆偏振度及其稳定性很难达到预定指标。

技术实现要素：

鉴于以上转速变化函数所存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种具有优化转速变化因子的旋光纤四分之一波片。

本发明的目的之二在于提供该旋光纤四分之一波片的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的构思如下：

(1)afpt的偏振耦合模方程为：

da(z)/dz＝k(z)a(z)(1)

其中τ(z)是转速，δβ＝2π/lb是光纤的双折射，lb是基体光纤的拍长。a(z)是一个2×1的矩阵，其元素分别为ax和ay，分别代表旋转坐标系下沿双折射主轴的电场分量。公式中长度量均已用双折射拍长lb归一化。

(2)通过矩阵变换和对角化处理，考虑恒定的转速缓变因子，可以得到一个特定的归一化转速变化函数

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

其中，l＝l/lb是光纤的归一化长度，l是光纤的实际长度，z是变速旋扭光纤中任意一点到起转点的距离，也用lb进行了归一化，是归一化转速，ql＝q(l)是最大归一化转速。当归一化转速变化函数满足上式时，afpt的本征模a1(z)，a2(z)分别为

当时(4)

当时(5)

其中，任意偏振态的入射光都可以分解为a1(0)和a2(0)的线性组合，它们传输至光纤中任意点z处的偏振态可由a1(0)和a2(0)的线性组合解析地表达。

(3)在afpt的出射端z＝l处，与(4)、(5)式对应的正交本征模分别为：

根据偏振椭圆度的定义

其中，为电场分量的振幅比，为电场分量的相位差。在单本征态入射条件下，可以分别求得以a1(z)或a2(z)入射的线偏振光经过afpt后在出射端z＝l处的偏振椭圆度均为：

(4)afpt作为四分之一波片，其等效相位延迟量为δe＝arccosp，等效相位延迟量的偏差为：

根据上述机理，本发明采用如下技术方案：

选用目前工艺成熟的双折射光纤，如熊猫型、领结型、椭圆芯型、多孔型或光子晶体型的双折射光纤作为基体光纤，通过平移加热和变速旋扭工艺制作旋光纤四分之一波片。其转速变化函数满足如下关系：0<z<l，其中lb是双折射光纤的拍长，l是光纤变速旋转段的归一化长度(实际长度l＝llb)。这种旋光纤四分之一波片可以将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光的椭圆度可用解析公式来表示，其中是最大归一化转速，当ql取值范围为8～10，l取值范围为4～20,即可找到合适的归一化转速和长度保证p≤0.0628，其对应的四分之一波片的相位延迟量为90°±3.6°，基本满足输出圆偏振光的要求。若基体双折射光纤的拍长lb的取值范围为2mm～10mm,则光纤变速旋转段的长度l＝llb的取值范围可设定为20mm～200mm，最大转速的取值范围可设定为2π/mm～8π/mm。

制备上述的具有优化转速变化因子的旋光纤四分之一波片的具体步骤为：根据等效相位延迟误差的预定指标要求，首先确定所需出射光的偏振椭圆度p值(一般取p≤0.0628),得到归一化光纤长度l与最大转速ql的约束关系再根据基体光纤的拍长值(2mm≤lb≤10mm)，优化选择具体的变速旋扭段的光纤长度(20mm≤l≤200mm)和最大转速(2π/mm≤τl≤8π/mm)。制作时，将双折射光纤的一端固定在光纤夹持器上，另一端固定在旋转电机的中心轴上，采用加热元件将双折射光纤加热软化，将加热元件固定在电控位移台上，以恒定的平移速度v(一般取为0.25mm/s)沿光纤移动，同时开启旋转电机，电机转速按照优化设计的转速变化函数由零逐渐增大，当加热元件移动l距离后，电机转速恰好达到最大值vτl(0.5π/s≤vτl≤2π/s)。这样制作出来的变速旋扭光纤就是满足等效相位延迟量指标要求(90°±3.6°)的旋光纤四分之一波片。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

a.本发明首次提出了一种特殊的转速变化函数：

如图2所示。

b.基于此特殊的转速变化函数，可以求得耦合模方程的严格解析解(4)、(5)式，分别给出两个入射的正交线偏振光沿变速旋扭光纤传输时的琼斯矢量在光纤各点演化的解析表达式。

c.根据耦合模方程的解析解，得到出射端的两个正交本征态的琼斯矢量(6)、(7)式及其对应的偏振椭圆度的解析表达式(9)式。

d.在此基础上，给出了评估afpt性能的等效相位延迟量偏差与结构参数的关系表达式(10)式，依据此表达式可以根据偏振转换性能的指标要求，来确定变速旋扭部分的归一化长度和归一化最大转速的约束关系及变化范围，并根据所选用基体光纤的拍长值和制作工艺的许可条件来优化确定实际制作afpt的光纤长度和最大转速。

附图说明

图1(a)为变速旋转熊猫型双折射光纤端面示意图。

图1(b)为变速旋转多孔型双折射光纤端面示意图。

图2是本发明提出的归一化转速变化函数示意图，横坐标为变速旋扭光纤的归一化长度z/l，z与l都已对lb进行了归一化，纵坐标为变速旋扭光纤的归一化转速τ(z)/τl。

图3是当要求afpt的等效相位偏差δδ＝90°·4％时，变速旋转归一化长度l与最大转速ql的临界约束关系曲线，曲线及曲线上方的(l,ql)点能够满足p≤0.0628。

图4是采用加热旋扭工艺制作afpt的方法示意图。将双折射光纤的一端固定在光纤夹持器上，另一端固定在旋转电机的中心轴上，采用加热元件将双折射光纤加热软化，将加热元件固定在电控位移台上，以恒定的平移速度v沿光纤移动，同时开启旋转电机，电机转速按照优化设计的转速变化函数由零逐渐增大，当加热元件移动l距离后，电机转速恰好达到最大值vτl。

具体实施方式

采用本发明专利优化、设计、制作afpt器件时，具体步骤如下：

步骤1：根据偏振转换性能的指标要求，明确等效相位延迟量的偏差范围，即确定δδ的最大值，这里以δδ＝90·4％＝3.6°为例，根据(10)式，得到一条变速旋转归一化长度l与最大归一化转速ql的临界约束关系曲线，如图3所示。

步骤2：根据实际工艺条件的可行性，在图3曲线上或其上方区域选取l和ql的大小，根据所选基体光纤的拍长lb来确定变速旋扭的光纤长度l及最大转速τl。

步骤3：选取长度为l的双折射光纤，采取平移加热和变速旋扭相结合(如图4所示)的工艺方法制取旋光纤四分之一波片(afpt)。将双折射光纤的一端固定在光纤夹持器上，另一端固定在旋转电机的中心轴上，采用加热元件将双折射光纤加热软化，将加热元件固定在电控位移台上，以恒定的平移速度v＝0.25mm/s)沿光纤移动，同时开启旋转电机，电机转速为vτ(z)，按照本发明专利提出的变化因子由零逐渐增大，当加热元件移动l距离后，电机转速恰好达到最大值vτl。这样即可制作出满足等效相位延迟量指标要求(90°±3.6°)的旋光纤四分之一波片。