一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡的製作方法

2023-07-23 05:49:31

一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種消除法拉第旋轉器旋轉角與波長和溫度相關的法拉第旋轉鏡。它是將被法拉第旋轉器作用後的旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振光分量除去，使各波長剩餘的光都處於相同的單一方向的線偏振態，從而消除由法拉第旋轉器的波長溫度相關而引起的法拉第旋轉鏡的光的旋轉角度變化，使法拉第旋轉鏡的輸出光的偏振態與波長溫度無關。本發明的優點是能夠消除任何種類旋光晶體導致的法拉第旋轉器旋轉角度色散及溫度相關的影響，它適用於任何使用法拉第旋光晶體的場合。
【專利說明】一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡

【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖傳感和光纖通訊領域，更具體地涉及一種消除法拉第旋轉鏡旋轉角與波長和溫度相關的法拉第旋轉鏡。

【背景技術】
[0002]光信號解調為了達到高分辨力，一般都使用幹涉式解調方法，光纖幹涉儀的研製是一項關鍵技術。保偏光纖價格高昂，且保偏耦合器在有些關鍵技術上還不是很完善，限制了其應用。普通單模光纖由於雙折射效應，幹涉儀兩臂的偏振態會隨機變化，導致輸出幹涉信號的可見度隨之變化，此即為偏振誘導信號衰落效應。
[0003]光信號進行幹涉式解調時，幹涉條紋可見度的波動將直接影響解調結果的穩定性，因此，光纖幹涉儀的偏振控制已成為影響光信號解調器件的一個關鍵問題。國內外已提出多種消除偏振誘導信號衰落的方法，其中利用法拉第旋轉鏡進行雙折射補償的方法可得到良好的消偏效果。然而由於法拉第旋轉晶體材料固有的旋轉角度色散和溫度相關特性，使得上述補償方法無法對寬帶波長和大溫度範圍同時有效。專利號為CN102906629A和CN103885195A的發明專利利用透鏡、雙折射元件等成功地克服了法拉第旋轉晶體的波長溫度特性帶來的不良影響。


【發明內容】

[0004]本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，將法拉第旋轉器作用後的旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振光分量消除，使剩下的各波長的光都具有相同的線偏振態，從而消除由法拉第旋轉器旋轉角度與波長、溫度相關引起的法拉第旋轉鏡對光的旋轉角度隨波長變化以及溫度引起的旋轉角度隨溫度變化的影響，使法拉第旋轉鏡與波長無關、與溫度無關。
[0005]本發明的技術方案是:光束交匯器將偏振分光器出射的兩束光在反射鏡處光路交換，光束各自沿對方光路反向傳輸，偏振分光器將法拉第旋光晶體兩次同向旋轉後的偏振光重新合併到入射主光路，同時使其中旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振光分量偏離主傳輸光路，從而消除法拉第旋轉器與波長溫度相關的旋轉角度的影響，使法拉第旋轉鏡與波長和溫度無關。
[0006]本發明較好的技術方案是:光路經過光輸入稱合兀件、偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉器、反射鏡、法拉第旋轉器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器至光輸入稱合兀件。被偏振分光器分出的兩光束經過雙折射晶體偏振光束交匯器後兩束光沿對方的路經反向傳輸，兩次經過法拉第旋轉器後兩束光的電場振動面旋轉接近90度，反向進入偏振分光器後兩束光被在空間重新合併，而兩束光旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振分量光則被在空間拉大傳輸角度和距離，無法沿主光路傳輸，消除了旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振光分量對主光路光偏振態的影響，實現了各種波長都具有相同的偏振態輸出。
[0007]本發明更好的技術方案是:上述技術方案中所述的偏振分光器是偏振分光光學幹涉薄膜元件、或是雙折射晶體元件、或是雙折射晶體複合元件的同時，雙折射晶體偏振光束交匯器也是雙折射晶體元件、或雙折射晶體複合元件；或者，上述技術方案中所述的偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器二者的複合元件是複合雙折射晶體元件。做為偏振分光器的偏振分光光學幹涉薄膜元件或雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件包括但不限於沃拉斯頓(Wollaston)稜鏡偏振器，偏振光束偏移器(PBDPolarizat1n Beam Displacer),洛匈(Rochon)稜鏡，尼科爾(Nicol)稜鏡，雙折射模角片(BirefringentCrystal Wedge),塞拿蒙稜鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基稜鏡(Nomarski Prism);做為雙折射晶體偏振光束交匯器的雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件包括但不限於沃拉斯頓(Wollaston)稜鏡偏振器,偏振光束偏移器(PBD Polarizat1nBeam Displacer),洛匈(Rochon)稜鏡，尼科爾(Nicol)稜鏡，雙折射楔角片(BirefringentCrystal Wedge),塞拿蒙稜鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基稜鏡(Nomarski Prism);做為偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器二者的複合元件的複合雙折射晶體元件包括但不限於諾馬斯基稜鏡(Nomarski Prism)。
[0008]由於雙折射晶體偏振光束交匯器的雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件僅對不同的偏振態產生不同的偏折作用，因此這種對不同偏振態的偏折作用與不同偏振態光束在空間的能量分布無關。
[0009]諾馬斯基稜鏡是由兩塊雙折射晶體楔角組成的複合晶體，多應用於微分幹涉相襯顯微鏡。諾馬斯基稜鏡對兩束偏振光的交匯作用僅依賴於所偏折光的偏振方向，與兩束偏振光的高斯光束能量空間分布無關，即便是這兩束光的能量空間有重合，它依舊可獲得很高的偏振消光比，諾馬斯基稜鏡的偏振消光比僅取決於雙折射晶體本身的消光比，諾馬斯基稜鏡構成的法拉第旋轉鏡的消光比不受尋常光和非尋常光高斯光束能量空間分布限制。而透鏡或菲涅耳雙稜鏡做為光束交匯器構成的法拉第旋轉鏡消光比則依賴於光能量的空間分布，透鏡或菲涅耳雙稜鏡的光束交匯器則要求已分開的兩束正交偏振光相距足夠的空間位移量，比如需要超過高斯分布的模場直徑兩倍以上，才能獲得較高的消光比。法拉第旋轉鏡的消光比受制於兩束正交偏振光的空間位移量大小，使用較大尺寸的雙折射材料才能獲得較大的正交偏振光的位移量。
[0010]為實現上述方法，本發明採用下述法拉第旋轉鏡實現。
[0011]本發明一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:光從光輸入稱合兀件入射，依次經過偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉器、反射鏡、法拉第旋轉器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器、由光輸入I禹合兀件原路反向輸出。
[0012]本發明另一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:光從光輸入耦合元件入射，依次經過偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的複合元件、法拉第旋轉器、反射鏡、法拉第旋轉器、偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的複合兀件、由光輸入稱合兀件原路反向輸出。
[0013]本發明中提到的法拉第旋轉器:是利用磁光效應將光的偏振方向旋轉的光學器件。法拉第旋轉器通常包含非互易性磁光晶體和為晶體提供飽和磁場的永久磁體。
[0014]本發明能夠完全消除法拉第非互易旋光晶體的旋轉角度色散以及旋轉角度與溫度相關對法拉第旋轉鏡旋轉角的影響。本發明的第一個優點是能夠消除任何種類法拉第旋光晶體的旋轉器旋轉角度色散及溫度相關的影響，第二個優點是可以適用於任何使用法拉第旋光晶體的場合，第三個優點是消除法拉第旋轉器旋轉角度色散及溫度相關的能力只取決於偏振分光器本身，與其它兀件無關。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為法拉第晶體的角度色散曲線圖
[0016]圖2為法拉第晶體的角度溫度相關曲線圖
[0017]圖3為諾馬斯基稜鏡的結構示意圖
[0018]圖4為尋常光和非尋常光的光強度高斯分布示意圖
[0019]圖5為本發明的實施例1的結構示意及光路圖
[0020]圖6為本發明實施例1的傳輸光束的偏振狀態圖之一
[0021]圖7為本發明實施例1的傳輸光束的偏振狀態圖之二
[0022]圖8為本發明實施例1的傳輸光束的偏振狀態圖之三
[0023]圖9為本發明的實施例2的結構示意及光路圖

【具體實施方式】
[0024]以下結合實施例和附圖對本發明做詳細描述:
[0025]圖1是非互易性法拉第磁光晶體在飽和磁場作用下，其對線偏振光的旋轉角和波長的色散關係，一定溫度下，波長越長，旋轉角越小。
[0026]圖2是非互易性法拉第磁光晶體在飽和磁場作用下，其對線偏振光的旋轉角和溫度的關係，對一定波長，溫度越高，旋轉角越小。
[0027]圖3是諾馬斯基稜鏡的結構示意圖，由兩塊雙折射晶體楔角組成的複合雙折射晶體，圖中的箭頭分別示意了兩塊雙折射晶體楔角的光軸方向，一個平行紙面，另一個垂直紙面。
[0028]圖4是尋常光和非尋常光的光強度高斯分布示意圖，示意了尋常光和非尋常光在光路中一定距離上的光能量部分重疊情況。
[0029][實施例1]
[0030]圖5中的與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡包含一個單模單光纖準直器11，一個諾馬斯基稜鏡12，其光軸Xl與X軸一致，其光軸X2處於y-z平面內，一個法拉第旋轉器13，一個介質光學薄膜平面反射鏡14。
[0031]圖5中從單模單光纖準直器11出射的光線100，沿直角坐標系z軸傳輸，射到諾馬斯基稜鏡12上先是分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光尋常光111和非尋常光121，經過稜鏡的兩塊楔角界面時又匯聚，經由法拉第旋轉器13，振動面均旋轉約45度，成為束光112和122，並相交於平面反射鏡14，光束112和122分別地成為反射光113和123，光路發生了相互交換，沿z軸負方向傳輸的反射光113和123第二次通過法拉第旋轉器13，振動面也再次同向旋轉約45度，累積旋轉約90度，光束成為114和124，進入諾馬斯基稜鏡12後，光束124被諾馬斯基稜鏡12分為非尋常光125和尋常光126，光束125來自光束124中的y-z面內的偏振分量，光束114被諾馬斯基稜鏡12分為尋常光115和非尋常光116，光束115來自光束114中的X軸方向的偏振分量,光束116和126在空間上被合併,離開諾馬斯基稜鏡12後成為光束200，而光束115和125則在空間上分開了距離，偏離了主光束200，最後光束200耦合到單模單光纖準直器11。
[0032]本實施例中的諾馬斯基稜鏡12同時起到了偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的作用。
[0033]圖5中光線的傳輸過程位置㈧、⑶、(C)、⑶、(E)、(F)橫截面處所對應的偏振態依次在圖6、圖7、圖8中對應序號的圖中指不。
[0034]本實施例的波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡通過分離旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振分量，實現了嚴格90度旋轉角偏振分量的輸出，與法拉第旋轉器的波長和溫度特性無關。
[0035][實施例2]
[0036]圖9中的與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡包含一個單模單光纖準直器21，一個偏振光束偏移器22，其光軸X3處於y-z平面內，一個沃拉斯頓稜鏡23，其光軸X4平行x軸，光軸X5處於y-z平面內，其稜邊平行於X軸，一個法拉第旋轉器24，一個介質光學薄膜平面反射鏡25。
[0037]圖4中從單模單光纖準直器21出射的光線300，沿直角坐標系z軸傳輸，射到偏振光束偏移器22上分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光非尋常光311和尋常光321，通過沃拉斯頓稜鏡23後匯聚，經由法拉第旋轉器24，振動面均旋轉約45度，成為匯聚的兩束光312和322，並相交於平面反射鏡25，光束312和322分別地成為反射光313和323，光路發生了相互交換，沿z軸負方向傳輸的反射光313和323第二次通過法拉第旋轉器24，振動面也再次同向旋轉約45度，累積旋轉約90度，光束成為314和324，通過沃拉斯頓稜鏡23後，光束324被偏振光束偏移器22分為尋常光325和非尋常光326，光束325來自光束324中的X軸方向的偏振分量，光束314被偏振光束偏移器22分為非尋常光315和尋常光316,光束315來自光束314中的y-z面內的偏振分量，光束316和326在空間上被合併，離開偏振光束偏移器22後成為光束400，而光束315和325則在空間上分開了距離，偏離了主光束400，最後光束400耦合到單模單光纖準直器21。
[0038]沃拉斯頓稜鏡23起到了雙折射晶體偏振光束交匯器的作用。
[0039]本實施例的波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡通過分離旋轉角偏離90度的沿旋轉角度色散方向的偏振分量，實現了嚴格90度旋轉角偏振分量的輸出，與法拉第旋轉器的波長和溫度特性無關。
【權利要求】
1.一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:光從光輸入耦合元件入射，依次經過偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉器、反射鏡、法拉第旋轉器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器，由光輸入f禹合兀件原路反向輸出。
2.根據權利要求1所述的一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:其特徵是:所述的雙折射晶體偏振光束交匯器是雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件。
3.根據權利要求2所述的一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:其特徵是:所述的雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件是沃拉斯頓稜鏡偏振器，偏振光束偏移器，洛匈稜鏡，尼科爾稜鏡，雙折射楔角片，塞拿蒙稜鏡或諾馬斯基稜鏡。
4.根據權利要求1所述的一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:其特徵是:所述的偏振分光器是偏振分光光學幹涉薄膜元件、雙折射晶體元件或雙折射晶體複合元件。
5.—種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:光從光輸入稱合兀件入射，依次經過偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的複合元件、法拉第旋轉器、反射鏡、法拉第旋轉器、偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的複合兀件，由光輸入f禹合兀件原路反向輸出。
6.根據權利要求5所述的一種與波長和溫度無關的法拉第旋轉鏡:其特徵是:所述的偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的複合元件是是諾馬斯基稜鏡。
【文檔編號】G02F1/09GK104317072SQ201410539249
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月13日 優先權日:2014年10月13日
【發明者】陳思思 申請人:匠研光學科技（上海）有限公司