一種高速率、高精度的全光纖偏振控制方法*

馬海強 李泉躍 汪龍 韋克金 張勇 焦榮珍

(北京郵電大學理學院,北京 100876)

1 引言

光的偏振態作為信息的載體得到越來越廣泛的應用,特別是其成為量子密鑰分發得以實現的一種重要途徑[1-3].此外在單模光纖與光波導的耦合中,偏振態匹配也是提高耦合效率的重要方法之一;光的偏振態在單模光纖傳感器、光纖環鏡[4,5]以及光纖激光器[6,7]中也有著重要的應用.因此,光偏振態的控制,特別是光纖中光偏振態的高精度、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],主要通過外力扭轉光纖使光纖的各個方向受力不均勻,進而導致光纖的應力雙折射效應來改變偏振態,該方法結構比較簡單、容易制作,同時也存在光纖的物理疲勞、機械結構形變等缺點,易導致其性能不穩定,不能實現精確的控制.此外由于涉及到機械裝置,故其控制速度一般較慢.機械式偏振控制器多用于實驗室研究.采用手動的粗略調節,使得調節的精度大大降低,但它采用在線光纖進行偏振控制,故其損耗一般很低.還可利用晶體電光效應特性,通過調控電壓、電流、磁場等因素實現對光偏振態的控制,例如基于電光晶體、液晶、磁光材料等光學材料[11]的相位調制器,這類相位調制器具有精度高、速率快的特點,但它需要復雜的控制電路和較高的偏置電壓,結構較為復雜,成本較高.

上述的偏振控制方法,隨著外界環境如溫度和應力的變化都會導致光纖發生形變,這種形變會引入額外的雙折射,從而導致偏振態發生變化,這種改變是隨機的,如果不加以控制,將對系統造成不穩定性,從而降低了器件的抗干擾能力.

本文提出了一種結構簡單、抗干擾性強、易于實現的高速率、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、相位調制器、90?旋轉法拉第反射鏡連接而成;四端口光偏振分束/合路器與90?旋轉法拉第反射鏡的組合消除了光學器件、光纖的雙折射效應,增強了系統的穩定性,高速率的相位調制器保證了該方法的高精度和高速率.

2 實驗原理

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;透射平行態偏振光|h〉,用Λ1表示,Λ1透射后由c端口到達90?旋轉法拉第反射鏡(FM2)被反射回來,在被FM2反射回來的同時,其偏振方向也旋轉90?而成為垂直偏振;再次到達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,雙折射效應得到了自動補償.

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.

當前普遍采用的往返一次﹑偏振方向旋轉90?的法拉第旋轉鏡可等價成終端附有一個普通平面反射鏡的45?法拉第旋轉器,由(1),(2)式容易給出終端帶有90?法拉第旋轉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,其傳輸矩陣等價為一個相移因子和法拉第旋轉鏡傳輸矩陣的乘積,與輸入光的偏振態、光所經過的路徑、傳輸介質的雙折射效應無關,可從物理上自動消除光路中各種器件引入的各種雙折射效應,進而實現了系統抗干擾的功能,增強了系統的穩定性.

Λ2通過PM到達FM1被反射回來,在被FM1反射回來的同時其偏振態變為平行偏振,同時往返通過PM,FM1組成的光路的過程中PM把所要調制的相位加到了Λ2脈沖上,再次到達四端口偏振分束/合路器的分光面并透射后到達b端口,此路定義為控制臂.此時刻的狀態表示為

其中θ是由于控制臂光路引入的相位,?相位調制是相位調制器所調制的相位.

Λ1再次到達DPBS的分光面,進而被反射,沿著b端口輸出,偏振態表示為

其中θ是由于參考臂光纖引入的相位.

調節控制臂和參考臂的光程相等,那么Λ1,Λ2同時到達DPBS的分光面從b端口出來,根據相互垂直振動的合成規律,Λ1,Λ2就合束為一個偏振方向的光束,其偏振態Λ可表示為從上式可以看出輸出光的偏振態僅與相位調制器所調制的相位有關,與所經過的路徑完全無關,也即消除掉了光路對光的偏振帶來的影響,提高了系統的抗干擾能力.

3 實驗結論和分析

為了方便控制參考臂和控制臂等光程,我們的實驗光路較原理圖1做了改動,如圖2所示.一個激光器發出一恒定偏振態的光脈沖(以45?線偏振態為例),該光脈沖通過環形器(CIR)以后,入射到DPBS/合路器分光面AB,分成兩個光強相等且偏振方向正交的激光脈沖Λ1和Λ2.Λ1到達FM1被反射回來,偏振變成水平偏振態,透射通過DPBS分光面到達FM2,而后被FM2反射回來,偏振變成垂直偏振態,再次到達DPBS分光面而被反射到達FM3,被FM3反射回來,偏振變成水平偏振態,再次到達DPBS分光面而透射,到達環形器的反向輸出端.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同時抵達DPBS的分光面而相遇,并且疊加成一個新的脈沖Λ,沿著如入射時相反的方向傳輸,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,從而實現對疊加脈沖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驗光路圖

圖3 加在相位調制器上的電壓

光脈沖Λ輸出后接入到一個三端口偏振分束器的公共端(PBS),PBS的放置可以根據使用要求擺放成PBS與DPBS的基矢一致,也可以不一致.在我們的實驗中兩個偏振分束器的基失是不一致的.PBS的兩個保偏輸出端口分別接光功率計(用以測量輸出光的偏振態在兩個正交分量的功率)檢驗輸出光的偏振態的變化,兩個光功率計的計數結果如圖3所示.

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

4 結論

通過相位調制器調節光的相位可以做到高速率、高精度,可以消除機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的輸入光,通過電調節高效地產生各種不同偏振態的輸出光,克服了傳統偏振控制器由于存在物理疲勞等因素和環境因素的影響,很容易引入額外的雙折射,造成系統的抗干擾能力差.本方案中四端口偏振分束/合路器與90?旋轉法拉第反射鏡的組合消除了光學器件、光纖的雙折射效應,增強了系統的穩定性.實驗上取得了可達31 dB消光比的偏振態控制.

[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物理學報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,劉利松,陳根祥,簡水生2009物理學報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物理學報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(北京:科學出版社)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,焦榮珍,王川,李林霞,吳張斌2009中國專利[200910086185][2009-06-15]]