新型單色光退偏器研究

賀譚斌

摘要：將本文提出新型PMBCD退偏器，從構成方式、實現方法、使用范圍及退偏效果等諸方面與傳統常用的退偏器進行深入分析；同時使用斯托克斯參量、瓊斯矩陣及密勒矩陣進行了理論分析。其后分別使用LD及DFB光源進行實驗，證明理論計算結果與實驗測試結果相一致。得出一種性能穩定、適用單色性好的光源及便于批量生產的新型退偏器。新型PMBCD型具有光源的SOP影響小、受外界應力影響較少、退偏效率高于LYOT型保偏光纖250、退偏效率和體積更小等優點

關鍵詞：PMBCD型退偏器；LYOT型退偏器；晶體型退偏器；拉曼放大器；

1 引言

在工業刻蝕、光纖通訊的光電探測轉換器中（PD）、光纖陀螺和光纖拉曼放大器等一些特殊場合中，如果沒有消除偏振現象的情況下會導致產品或測量的整體性能下降。

在實際生產中，極少的光源能發出用于光纖傳輸或探測的非偏振光。經過科學人員長期的深入研究，光通訊領域中將偏振光退偏成非偏振光的光纖退偏器就應時而生。其出現后就廣泛用于光纖通訊中。目前國內、外退偏器就其實現方式而言主要分為：空間偏振態均分型；光譜偏振態均分型；時域均分退偏；環型退偏器：

在光通信行業主要的代表結構有雙楔型、LYOT型及長條晶體型退偏器。而本文提出一種體積小，成本低，能用于單色性好的單色光退偏器。其主要特點是能退偏小于10GHZ的光源，達到了行業的領先水平。同時也填補了對小帶寬光源退偏的局限，增加了退偏器的應用范圍。

2 結構與光路

本文提出的退偏器主要的組成部分主要包括以下的六部分：偏振分光1部分、偏振時延1部分、偏振合光1部分、偏振分光2部分、偏振時延2部分，偏振合光部分2。

圖1 新型單色光退偏器結構示意圖

Fig.1 New design of the Novel monochromatic depolarizer

每個部分均可單獨由相關部分的光無源器件組成，同時也可以將此六部分的功能或部件集成在同一個平臺上。本文采用的偏振分光器件與偏振合光器件采用渥拉斯頓分光棱鏡來實現；時延光纖使用熊貓型保偏光纖進行制作；偏振合光器件1和偏振分光器件2偏振相差 的相位關系

3 光路分析

當輸入光源通過渥拉斯頓通過偏振分光器件1后，其偏振態輸入時可使用馬呂斯定義進行計算兩光纖中的光強比：

時延光纖產生的相位差則為以下公式所述：

式中為入射光源的中心波長；n為時延光纖折射率；d為時延光纖纖長。

偏振度描述是符合以下公式：

式中的S0，S1，S2和S3是斯托克斯函數，用其相干矩陣表達式可以將S0，S1，S2和S3表示為：

式中，EX表示光傳輸時的電場特性，可以使用傅利葉變化使用頻譜函數f（ω）進行表示：

這里j表示虛數單位，初始相位的ω<時f（ω）；x與y分別表示為垂直或平行于晶體的方向。在偏振合光器件2出來的EX與EY存在以下關系：

平均時間的相關函數有如下關系：

因此斯托克斯向量可以表示為：

由于存在帕塞瓦爾（Parseval）等式：

將12式代入11式中，計算S0可得：

同理，利用上述的計算方法可計算出S1，S2和S3。

其中由于X與Y軸分別表示垂直或平行于晶體的方向的相關參數——即t時刻時存在的時延：

將式13、式14、式15及式16代入式3中，通過簡化計算公式則可得為：

為簡單計算準單色光的情況下，將單色性好的LD光源簡化成為矩形光源進行研究計算，其可使用以下傅利葉變換頻譜函數進行描述：

式中：為光波的頻率寬度；E0為中心波長找電場強度；ω0為中心波長的頻率；Φ為光源電場矢量的初始相位。

對于拉曼放大器中常用的nm的DFB光源（其包絡面的帶寬為FWHM△ω=45HZ；縱模間隔0.11nm；帶寬為4.8GHZ），則需要9mm則可達到DOP<5%的退偏效果。

4 實驗驗證

采用1550LD光源。使用式17計算可以得到該光源的退偏效果圖：

Fig. 2 The DOP of the 1550nm rectangular LD laser

從上計算可知圖可知，時延并不是越長越好，而且在一定長度內是呈周期性變化的。不同時延時DOP會有不同

使用曼放大器泵浦光源常用的DFB半導體激光器光源得到的（1550nm其包絡面的帶寬為FWHM？ω=45HZ；縱模間隔0.11nm），

Fig. 3 The Spectrum of DFB semiconductor laser

利用使用傅利葉級數將本多縱模的DFB光源進行展開，從而可以得到以下表達式：

式中A（│△ω│）的表示電場強度相關的函數。

實驗得出的17組數據和理論計算后得到的退偏度對比數據圖4-8如下所示：

Fig. 4 Comparison of DOP data and theoretical calculation

實驗數據與理論數據對比后相一致。本多縱模DFB光源得出的退偏圖隨著時延的增加，其最高的退偏度振幅是在逐漸下降，且時延增長則越接近DOP為零。

5 結論

在概括全文，在研究工作中取得的成果如下：

1. PMBCD型退偏器由于采取兩級光強分配方法，不受光源的SOP等因素影響

2. PMBCD型退偏器所使用器件小其時延效率是長條晶體型的5倍，是LYOT型光纖的250倍。

但本退偏器也存一定程度上的局限性：endprint

1. 由于采用分離式重組方式，其IL為1.5dB左右。如光源單色性較差的情況下，會相對傳統的損耗大。不利于推廣使用。

2. 當單色性不好的光源進行退偏時，本分離式的結構由于其元器件的價格還是相對昂貴。因此對光源單色性不好的光或退偏效果要求不高的場合由于成本問題也不推薦使用。

參考文獻：

[1]Bruce H.billings，A Monochromatic Depolarizer.Opt.Soc，Am，1951，41（1 2）：966—975.

[2]E.Schmidt and K. Vedam，Dep01arizing prism，0ptica Acta，197l，18（9）：71 3—718.

[3]池灝，章獻民，陳抗生，徐森祿，LYOT退偏器的相干分析，浙江大學學報，2000年3月，第34卷第2期

[4]任廣軍，姚建銓，趙階林，波片和旋轉器復合退偏的矩陣研究，激光技術，2007年6月，第31卷第3期

[5]毛仕春，二元雙折射晶體退偏效應的研究，曲阜師范大學，碩士學位論文

[6]趙階林，《波片和旋轉器的復合退偏效應研究》，大學物料，Vol. 25 No. 8，Aug. 2006

[7]張羽飛，級聯光纖環退偏與混沌退偏的研究，上海大學，碩士學位論文

[8]李巨浩，朱曉宇，鄭磊，史超等，《采用光纖環消偏器的寬帶拉曼放大器實驗研究》，北京大學電子學系區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室

[9]孟繁華，宋連科，偏振光器件作用效果的Poincare球表示，曲阜師范大學學報（自然科學版），2005年10月，第31卷，第4期

[10]羅勇，退偏器的設計方法研究，華中科技大學，碩士學位論文

[11]Toshiyuki Tokura， TaichiKogure， Takashi Sugihara， 《Efficient Pump Depolarizer Analysis for Distributed Raman Amplifier With Low Polarization Dependence of Gain》，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY， VOL. 24， NO. 11， NOVEMBER 2006endprint