CN103777361A - 消除法拉第旋转镜旋转角与波长温度相关的方法及旋转镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的方法及其波长和温度无关的法拉第旋转镜。它是将被法拉第旋转器作用后的旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量除去，使各波长剩余的光都处于相同的单一方向的线偏振态，从而消除由法拉第旋转器的波长温度相关而引起的法拉第旋转镜的光的旋转角度变化，使法拉第旋转镜的输出光的偏振态与波长温度无关。本发明的优点是能够消除任何种类旋光晶体导致的法拉第旋转器旋转角度色散及温度相关的影响，它适用于任何使用法拉第旋光晶体的场合。

Description

消除法拉第旋转镜旋转角与波长温度相关的方法及旋转镜
技术领域
本发明属于光纤传感和光纤通讯领域，更具体地涉及一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的方法及其波长温度无关的法拉第旋转镜。
背景技术
光信号解调为了达到高分辨力，一般都使用干涉式解调方法，光纤干涉仪的研制是一项关键技术。保偏光纤价格高昂，且保偏耦合器在有些关键技术上还不是很完善，限制了其应用。普通单模光纤由于双折射效应，干涉仪两臂的偏振态会随机变化，导致输出干涉信号的可见度随之变化，此即为偏振诱导信号衰落效应。
光信号进行干涉式解调时，干涉条纹可见度的波动将直接影响解调结果的稳定性，因此，光纤干涉仪的偏振控制已成为影响光信号解调器件的一个关键问题。国内外已提出多种消除偏振诱导信号衰落的方法，其中利用法拉第旋转镜进行双折射补偿的方法可得到良好的消偏效果。然而由于法拉第旋转晶体材料固有的旋转角度色散和温度相关特性，使得上述补偿方法无法对宽带波长和大温度范围同时有效。专利号为201180026083.6的发明专利利用透镜、双折射元件等成功地克服了法拉第旋转晶体的波长温度特性带来的不良影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，将法拉第旋转器作用后的旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量消除，使剩下的各波长的光都具有相同的线偏振态，从而消除由法拉第旋转器旋转角度与波长、温度相关引起的法拉第旋转镜对光的旋转角度随波长变化以及温度引起的旋转角度随温度变化的影响，使法拉第旋转镜与波长无关、与温度无关。
本发明的技术方案是：光路交换器将偏振分光器出射的两束光在反射镜处光路交换，光束各自沿对方光路反向传输，偏振分光器将法拉第旋光晶体两次同向旋转后的偏振光重新合并到入射主光路，同时使其中旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量偏离主传输光路，从而消除法拉第旋转器与波长温度相关的旋转角度的影响，使法拉第旋转镜与波长和温度无关。
本发明较好的技术方案是：光路经过光输入耦合元件、偏振分光器、法拉第旋转器、光束交换器、反射镜、光束交换器、法拉第旋转器、偏振分光器至光输入耦合元件。被偏振分光器分出的两光束经过光束交换器后两束光沿对方的路经反向传输，两次经过法拉第旋光晶体后两束光的电场振动面旋转接近90度，反向进入偏振分光器后两束光被在空间重新合并，而两束光旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量光则被在空间拉大角度和距离，无法沿主光路传输，消除了旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量对主光路光偏振态的影响，实现了各种波长都具有相同的偏振态输出。
本发明另一较好的技术方案是：光路经过光输入耦合元件、偏振分光器、光束交换器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、光束交换器、偏振分光器至光输入耦合元件。被偏振分光器分出的两光束经过光束交换器后两束光沿对方的路经反向传输，两次经过法拉第旋转器后两束光的电场振动面旋转接近90度，反向进入偏振分光器后两束光被在空间重新合并，而两束光旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量光则被在空间拉大角度和距离，无法沿主光路传输，消除了旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量对主光路光偏振态的影响，实现了各种波长都具有相同的偏振态输出。
本发明更好的技术方案是：上述几种技术方案中所述的偏振分光器可以是双折射晶体材料构成的元件，包括但不限于沃拉斯顿(Wollaston)棱镜偏振器，偏振光束偏移器（PBD Polarization BeamDisplacer），洛匈（Rochon）棱镜,尼科尔（Nicol）棱镜，双折射楔角片（Birefringent Crystal Wedge），塞拿蒙棱镜（SenarmontPrism）或诺马斯基棱镜（Nomarski Prism）。所述的光路交换器可以是棱镜，包括但不限于菲涅耳双棱镜（Fresnel Biprism），普罗（Porro）棱镜。所述的光输入耦合元件可以是光纤准直器，包括但不限于单模单光纤准直器、单模双光纤准直器，单模四光纤准直器或单模多光纤准直器阵列。
为实现上述方法，本发明采用下述法拉第旋转镜实现。
一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、法拉第旋转器、光束交换器、反射镜、光束交换器、法拉第旋转器、偏振分光器，由光输入耦合元件原路反向输出。
本发明另一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、光束交换器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、光束交换器、偏振分光器，由光输入耦合元件原路反向输出。
本发明中提到的法拉第旋转器:是利用磁光效应将光的偏振方向旋转的光学器件。法拉第旋转器通常包含非互易性磁光晶体和为晶体提供饱和磁场的永久磁体。
本发明提供一种方法完全消除法拉第非互易旋光晶体的旋转角度色散以及旋转角度与温度相关对法拉第旋转镜旋转角的影响。本发明的第一个优点是能够消除任何种类法拉第旋光晶体的旋转器旋转角度色散及温度相关的影响，第二个优点是可以适用于任何使用法拉第旋光晶体的场合，第三个优点是消除法拉第旋转器旋转角度色散及温度相关的能力只取决于偏振分光器本身，与其它元件无关。
附图说明
图1为法拉第晶体的角度色散曲线图
图2为法拉第晶体的角度温度相关曲线图
图3为本发明的实施例1的结构示意及光路图
图4为本发明的实施例2的结构示意及光路图
图5为本发明的实施例3的结构示意及光路图
图6为本发明实施例1、例2、例3的传输光束的偏振状态图之一
图7为本发明实施例1、例2、例3的传输光束的偏振状态图之二
图8为本发明实施例1、例2、例3的传输光束的偏振状态图之三
图9为本发明实施例4的结构示意及光路图之一
图10为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之一
图11为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之二
图12为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之三
图13为本发明实施例4的结构示意及光路图之二
图14为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之四
图15为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之五
图16为本发明实施例4的传输光束的偏振状态图之六
图17为本发明的实施例5的结构示意及光路图
图18为本发明实施例5的传输光束的偏振状态图之一
图19为本发明实施例5的传输光束的偏振状态图之二
图20为本发明实施例5的传输光束的偏振状态图之三
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做详细描述：
图1是非互易性法拉第磁光晶体在饱和磁场作用下，其对线偏振光的旋转角和波长的色散关系，一定温度下，波长越长，旋转角越小。
图2是非互易性法拉第磁光晶体在饱和磁场作用下，其对线偏振光的旋转角和温度的关系，对一定波长，温度越高，旋转角越小。
[实施例1]
图3中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器11，一个偏振光束偏移器12，其光轴X1处于y-z平面内，一个法拉第旋转器13，一个菲涅耳双棱镜14，其棱边平行于x轴，一个介质光学薄膜平面反射镜15。
图3中从单模单光纤准直器11出射的光线100，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器12上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光111和寻常光121，然后经由法拉第旋转器13，振动面均旋转约45度，再通过菲涅耳双棱镜14后，成为汇聚的两束光112和122，并相交于平面反射镜15，光束112和122分别地成为反射光113和123，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光113和123第二次通过菲涅耳双棱镜14和法拉第旋转器13，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为114和124，光束124被偏振光束偏移器12分为寻常光125和非寻常光126，光束125来自光束124中的x轴方向的偏振分量，光束114被偏振光束偏移器12分为非寻常光115和寻常光116，光束115来自光束114中的y-z面内的偏振分量，光束116和126在空间上被合并，离开偏振光束偏移器12后成为光束200，而光束115和125则在空间上分开了距离，偏离了主光束200，最后光束200耦合到单模单光纤准直器11。
图3中光线的传输过程位置（A）、（B）、（C）、（D）、（E）、（F）横截面处所对应的偏振态依次在图6、图7、图8中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。
[实施例2]
图4中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器21，一个偏振光束偏移器22，其光轴X2处于y-z平面内，一个菲涅耳双棱镜23，其棱边平行于x轴，一个法拉第旋转器24，一个介质光学薄膜平面反射镜25。
图4中从单模单光纤准直器21出射的光线300，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器22上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光311和寻常光321，通过菲涅耳双棱镜23后汇聚，经由法拉第旋转器24，振动面均旋转约45度，成为汇聚的两束光312和322，并相交于平面反射镜25，光束312和322分别地成为反射光313和323，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光313和323第二次通过法拉第旋转器24，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为314和324，通过菲涅耳双棱镜23后，光束324被偏振光束偏移器22分为寻常光325和非寻常光326，光束325来自光束324中的x轴方向的偏振分量，光束314被偏振光束偏移器22分为非寻常光315和寻常光316，光束315来自光束314中的y-z面内的偏振分量，光束316和326在空间上被合并，离开偏振光束偏移器22后成为光束400，而光束315和325则在空间上分开了距离，偏离了主光束400，最后光束400耦合到单模单光纤准直器21。
图4中光线的传输过程位置（G）、（H）、（I）、（J）、（K）、（L）横截面处所对应的偏振态依次在图6、图7、图8中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。
[实施例3]
图5中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器31，一个偏振光束偏移器32，其光轴X3处于y-z平面内，一个法拉第旋转器33，一个全反射普罗棱镜34，其棱边平行于x轴。
图5中从单模单光纤准直器31出射的光线500，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器32上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光511和寻常光521，经由法拉第旋转器33，振动面均旋转约45度，成为平行的两束光512和522，入射普罗棱镜34，光束512和522分别地成为反射光513和523，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光513和523第二次通过法拉第旋转器33，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为514和524，光束524被偏振光束偏移器32分为寻常光525和非寻常光526，光束525来自光束524中的x轴方向的偏振分量，光束514被偏振光束偏移器32分为非寻常光515和寻常光516，光束515来自光束514中的y-z面内的偏振分量，光束516和526在空间上被合并，离开偏振光束偏移器32后成为光束600，而光束515和525则在空间上分开了距离，偏离了主光束600，最后光束600耦合到单模单光纤准直器21。
图5中光线的传输过程位置（M）、（N）、（O）、（P）、（Q）、（R）横截面处所对应的偏振态依次在图6、图7、图8中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。
[实施例4]
图9、图13中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模双光纤准直器41，光纤1和光纤2处于y-z平面内，一个偏振光束偏移器42，其光轴X4处于y-z平面内，一个法拉第旋转器43，一个全反射普罗棱镜44，其棱边平行于x轴。
图9中从单模双光纤准直器41的光纤1出射的光线700，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器42上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光711和寻常光721，经由法拉第旋转器43，振动面均旋转约45度，成为平行的两束光712和722，入射普罗棱镜44，光束712和722分别地成为反射光713和723，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光713和723第二次通过法拉第旋转器43，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为714和724，光束724被偏振光束偏移器42分为寻常光725和非寻常光726，光束725来自光束724中的x轴方向的偏振分量，光束714被偏振光束偏移器42分为非寻常光715和寻常光716，光束715来自光束714中的y-z面内的偏振分量，光束716和726在空间上被合并，离开偏振光束偏移器42后成为光束800，而光束715和725则在空间上分开了距离，偏离了主光束800，最后光束800耦合到单模双光纤准直器41的光纤1中。
图9中光线的传输过程位置（S）、（T）、（U）、（V）、（W）、（X）横截面处所对应的偏振态依次在图10、图11、图12中对应序号的图中指示。
图13中从单模双光纤准直器41的光纤2出射的光线900，沿直角坐标系z轴传输，射到偏振光束偏移器42上分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光非寻常光911和寻常光921，经由法拉第旋转器43，振动面均旋转约45度，成为平行的两束光912和922，入射普罗棱镜44，光束912和922分别地成为反射光913和923，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光913和923第二次通过法拉第旋转器43，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为914和924，光束924被偏振光束偏移器42分为寻常光925和非寻常光926，光束925来自光束924中的x轴方向的偏振分量，光束914被偏振光束偏移器42分为非寻常光915和寻常光916，光束915来自光束914中的y-z面内的偏振分量，光束916和926在空间上被合并，离开偏振光束偏移器42后成为光束1000，而光束915和925则在空间上分开了距离，偏离了主光束1000，最后光束1000耦合到单模双光纤准直器41的光纤2中。
图13中光线的传输过程位置（Y）、（Z）、（AA）、（BB）、（CC）、（DD）横截面处所对应的偏振态依次在图14、图15、图16中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关；由于双光纤准直器的两套光路利用了共同的光学元件，从而可减少器件体积和降低成本。
[实施例5]
图17中的与波长和温度无关的法拉第旋转镜包含一个单模单光纤准直器51，一个诺马斯基棱镜52，其光轴X5与x轴一致,其光轴X6处于y-z平面内，一个法拉第旋转器53，一个介质光学薄膜平面反射镜54。
图17中从单模单光纤准直器51出射的光线A00，沿直角坐标系z轴传输，射到诺马斯基棱镜52上先是分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光寻常光A11和非寻常光A21，后又汇聚，经由法拉第旋转器53，振动面均旋转约45度，成为束光A12和A22，并相交于平面反射镜54，光束A12和A22分别地成为反射光A13和A23，光路发生了相互交换，沿z轴负方向传输的反射光A13和A23第二次通过法拉第旋转器53，振动面也再次同向旋转约45度，累积旋转约90度，光束成为A14和A24，进入诺马斯基棱镜52后，光束A24被诺马斯基棱镜52分为非寻常光A25和寻常光A26，光束A25来自光束A24中的y-z面内的偏振分量，光束A14被诺马斯基棱镜52分为寻常光A15和非寻常光A16，光束A15来自光束A14中的x轴方向的偏振分量，光束A16和A26在空间上被合并，离开诺马斯基棱镜52后成为光束B00，而光束A15和A25则在空间上分开了距离，偏离了主光束B00，最后光束B00耦合到单模单光纤准直器51。
本实施例中的诺马斯基棱镜52同时起到了偏振分光器和光束交换器的作用。
图17中光线的传输过程位置（EE）、（FF）、（GG）、（HH）、（II）、（JJ）横截面处所对应的偏振态依次在图18、图19、图20中对应序号的图中指示。
本实施例的波长和温度无关的法拉第旋转镜通过分离旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量，实现了严格90度旋转角偏振分量的输出，与法拉第旋转器的波长和温度特性无关。由于使用了诺马斯基棱镜，从而也简化了法拉第旋转镜的光路。

Claims (8)

1.一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜,其特征是：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、法拉第旋转器、光束交换器、反射镜、光束交换器、法拉第旋转器、偏振分光器，由光输入耦合元件原路反向输出。
2.一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：光从光输入耦合元件入射，依次经过偏振分光器、光束交换器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、光束交换器、偏振分光器，由光输入耦合元件原路反向输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是所述的偏振分光器是沃拉斯顿棱镜偏振器、偏振光束偏移器、洛匈棱镜、尼科尔棱镜、双折射楔角片、塞拿蒙棱镜或诺马斯基棱镜。
4.根据权利要求1或2所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是所述的光路交换器是棱镜。
5.根据权利要求1或2所述的一种与波长和温度无关的法拉第旋转镜：其特征是所述的光输入耦合元件是光纤准直器。
6.一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的方法，其特征是：光路交换器将偏振分光器出射的两束光在反射镜处交换光路，光束各自沿对方光路反向传输，偏振分光器将法拉第旋转器两次同向旋转后的偏振光重新合并到入射主光路，同时使其中含有旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量偏离主传输光路，从而消除法拉第旋转器与波长温度相关的旋转角度的影响，使法拉第旋转镜与波长和温度无关。
7.根据权利要求6所述的一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的方法，其特征是：光路经过光输入耦合元件、偏振分光器、法拉第旋转器、光束交换器、反射镜、光束交换器、法拉第旋转器、偏振分光器至光输入耦合元件，被偏振分光器分出的两光束经过光束交换器后两束光沿对方的路径反向传输，两次经过法拉第旋转器后两束光的电场振动面旋转接近90度，反向进入偏振分光器后两束光被在空间重新合并，而两束光中旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量则被在空间拉大角度和距离，无法沿主光路传输，消除了旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量对主光路光偏振态的影响，实现了各种波长都具有相同的偏振态输出。
8.根据权利要求6所述的一种消除法拉第旋转镜旋转角与波长和温度相关的方法，其特征是：光路经过光输入耦合元件、偏振分光器、光束交换器、法拉第旋转器、反射镜、法拉第旋转器、光束交换器、偏振分光器至光输入耦合元件，被偏振分光器分出的两光束经过光束交换器后两束光沿对方的路径反向传输，两次经过法拉第旋转器后两束光的电场振动面旋转接近90度，反向进入偏振分光器后两束光被在空间重新合并，而两束光中旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振分量光则被在空间拉大角度和距离，无法沿主光路传输，消除了旋转角偏离90度的沿旋转角度色散方向的偏振光分量对主光路光偏振态的影响，实现了各种波长都具有相同的偏振态输出。
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