CN106526903A - 一种偏振控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振控制器，属于光电子技术领域。该偏振控制器包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈，所述光纤线圈为λ/4光纤线圈。所述光纤线圈用于将入射的第一光束转换为第二光束输出，所述筒状压电陶瓷用于在外加电压的控制下调节所述第二光束的偏振态。相比于现有技术，本发明提供的偏振控制器有效地提高了偏振态控制精度。

Description

一种偏振控制器

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体而言，涉及一种偏振控制器。

背景技术

通常情况下，由于热应力、机械应力及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射效应的影响，光纤中传输的线偏振光的偏振态将随着传输距离不断变换，最终输出的光可能为部分偏振光。为了便于后续光纤监测***例如光纤分布式传感***的进一步处理，需要将光纤输出的部分偏振光转换为线偏振光。现有的偏振控制器大多利用1/4波片的双折射效应实现线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光与线偏振光之间的转换。为了实现***的全光纤化，进一步采用与1/4波片等效的光纤线圈。然而，由于制作工艺及封装的对光纤线圈的各参数尤其是弯曲半径的影响，导致光纤线圈的偏振态控制精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种偏振控制器，能够有效地提高偏振态控制精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种偏振控制器，包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈，所述光纤线圈为λ/4光纤线圈。所述光纤线圈用于将入射的第一光束转换为第二光束输出，所述筒状压电陶瓷用于在外加电压的控制下调节所述第二光束的偏振态。

在本发明较佳的实施例中，上述偏振控制器还包括电压输出装置，所述筒状压电陶瓷与所述电压输出装置电连接，所述电压输出装置用于输出所述外加电压。

在本发明较佳的实施例中，上述偏振控制器还包括第一壳体，所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。

在本发明较佳的实施例中，上述第一壳体内灌装有环氧树脂，所述环氧树脂用于将所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。

在本发明较佳的实施例中，上述偏振控制器还包括电机及传动轴，所述电机的转轴与所述传动轴连接，所述电机通过所述传动轴与设置于所述第一壳体底部的转动连接口连接，所述电机与所述电压输出装置电连接。所述电机用于驱动所述光纤线圈转动至预设位置以使所述光纤线圈将入射的第一光束转换为预设偏振方向的第二光束输出。

在本发明较佳的实施例中，上述电机为步进电机。

在本发明较佳的实施例中，上述偏振控制器还包括第二壳体，封装有所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈的所述第一壳体设置在所述第二壳体内。所述第二壳体设置有第一开口、第二开口和第三开口，所述第一开口用于穿入所述传动轴，所述第二开口用于穿出所述光纤线圈的线圈入线，所述第三开口用于穿出所述光纤线圈的线圈出线。

在本发明较佳的实施例中，上述线圈入线通过第一固定件固定于设置在所述第二壳体内的线圈入线固定处，上述线圈出线通过第二固定件固定于设置在所述第二壳体内的线圈出线固定处。

在本发明较佳的实施例中，上述偏振控制器还包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口与所述光纤线圈的输入端光学耦合，所述第二端口与所述光纤线圈的输出端光学耦合，所述第三端口与所述筒状压电陶瓷的正极电连接，所述第四端口与所述筒状压电陶瓷的负极电连接。

在本发明较佳的实施例中，上述光纤为单模耐弯曲光纤。

相比于现有技术，本发明实施例提供的偏振控制器，将光纤绕制于筒状压电陶瓷的外壁制成λ/4光纤线圈，λ/4光纤线圈能够等效于四分之一波片，通过控制压电陶瓷的外加电压调节光纤线圈的参数，从而进一步调节光纤线圈输出的第二光束的偏振态，有效地提高了偏振态控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的偏振控制器的一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的偏振控制器的第一壳体在第一视角下的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的偏振控制器的第一壳体在第二视角下的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的偏振控制器的另一种结构示意图；

图5示出了图4中的第二壳体在第二视角下的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的偏振控制器的一种应用场景的结构框图。

图中：10-偏振控制器；101-压电陶瓷；102-光纤线圈；102a-输入端；102b-输出端；103-电压输出装置；104-第一壳体；105-转动连接口；106-线圈入口；107-线圈出口；108-电机；109-传动轴；110-第二壳体；111-线圈入线；112-线圈出线；113-线圈入线固定处；114-线圈出线固定处；115-第一开口；116-第二开口；117-第三开口；118-第一端口；119-第二端口；120-第三端口；121-第四端口；11-第一偏振控制器；12-第二偏振控制器。

具体实施方式

现有的光纤偏振控制器大多为手动光纤偏振控制器，将光纤依次环绕在线轴上形成光纤线圈，通过控制光纤线圈的匝数使得光纤线圈能够等效于四分之一波片，以实现椭圆偏振光或圆偏振光与线偏振光之间的转换。并进一步通过手动调节光纤线圈的线圈平面的偏转方向，控制光纤偏振控制器输出光束的偏振方向。然而，由于制作工艺及封装的对光纤线圈的各参数尤其是弯曲半径的影响，导致光纤线圈的偏振态控制精度较低。

鉴于此，本发明实施例提供了一种偏振控制器，以有效地改善现有光纤线圈的偏振态控制精度较低的问题。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“电连接”、“光学耦合”应做广义理解，例如，可以是直接连接或耦合，也可以通过中间媒介间接连接或耦合，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所述，本发明实施例提供的偏振控制器10包括绕制于筒状压电陶瓷101的外壁的光纤线圈102。

其中，光纤线圈102的弯曲半径R(m，N)与光纤的缠绕匝数、分波系数的关系式如下：

式(1)中，a为常数，例如，对于二氧化硅作纤芯和包层的单模光纤，a＝0.133；r为光纤的半径；N为缠绕匝数；m为分波系数。

本实施例中，光纤线圈102为λ/4光纤线圈，能够等效于四分之一波片。具体的，选定半径为R的筒状压电陶瓷101，对于λ/4光纤线圈，m＝4，根据式(1)计算出相应的缠绕匝数N。光纤线圈102中的光纤优选采用单模耐弯曲光纤。将单模耐弯曲光纤在筒状压电陶瓷101的外壁按照周向方向在压电陶瓷101外壁上绕制N匝，利用光纤弯曲引起光纤横截面内的应力具有各向异性的分布，由于光弹效应，使光纤材料折射率分布发生变化，从而产生附加的应力双折射，引起导波偏振态的变化，以实现对偏振态的控制。λ/4光纤线圈能够实现椭圆偏振光或圆偏振光与线偏振光之间的转换。例如，当入射光束为椭圆偏振光时，λ/4光纤线圈能够输出线偏振光。

因此，当第一光束由光纤线圈102的输入端102a进入光纤线圈，在光纤线圈102中传输，由于受到光纤线圈102内的应力双折射效应的作用，第一光束转换为第二光束由光纤线圈102的输出端102b输出。理论上，对于λ/4光纤线圈，当第一光束为椭圆偏振光时，第二光束为线偏振光。然而，一方面，当第一光束并不是标准的椭圆偏振光，而是部分偏振光时，现有的λ/4光纤线圈无法得到较准确的线偏振光；另一方面，由于制作工艺及封装的对光纤线圈102的各参数尤其是弯曲半径的影响，导致光纤线圈102的弯曲半径R不精确，影响了光纤线圈102的线偏振态输出。因此，为了输出较准确的线偏振光，需要进一步对光纤线圈102的参数进行微调。

本发明实施例中，λ/4光纤线圈绕制于筒状压电陶瓷101的外壁，由于压电陶瓷101具有电磁伸缩效应，在压电陶瓷101的正极(+)和负极(-)通电时可以引起缠绕在压电陶瓷101外壁的单模耐弯曲光纤的长度、弯曲半径等参数发生变化，并能够通过挤压光纤产生附加的应力双折射效应。因此，筒状压电陶瓷101能够用于在外加电压的控制下调节第二光束的偏振态，即通过控制施加到压电陶瓷101上的电压数值对光纤线圈102的参数进行微调，从而实现光纤线圈102的偏振态控制。此时，能够根据用户的需要，调节施加到压电陶瓷101上的电压数值，确保第二光束为线偏振光。

因此，为了方便本发明实施例提供的偏振控制器10的使用，如图1所示，该偏振控制器10还包括电压输出装置103，筒状压电陶瓷101与电压输出装置103电连接。电压输出装置103用于输出外加电压至压电陶瓷101，以使得压电陶瓷101在外加电压的作用下产生电磁伸缩效应调节光纤线圈的长度、弯曲半径等参数，从而调节第二光束的偏振态。具体外加电压值的大小可以根据光纤线圈102实时输出的第二光束的偏振态调节，这种反馈调节方式能够有效地保证本偏振控制器10的偏振态控制精度。本实施例中，电压输出装置103可以为输出电压值可调节的电源模块。

进一步的，如图2所示，本发明实施例提供的偏振控制器10还包括第一壳体104，绕制于筒状压电陶瓷101的外壁的光纤线圈102封装于第一壳体104内。图2示出了偏振控制器10的第一壳体104的主视图，图3示出了图2的左视图。具体的，将缠绕完毕后的光纤线圈102放置在第一壳体104内，如图3所示，第一壳体104设置有线圈入口106和线圈出口107，将光纤线圈102的线圈入线111穿出线圈入口106，将光纤线圈102的线圈出线112穿出线圈出口107。其中，线圈入线111包括单模耐弯曲光纤的入线和压电陶瓷101的正电极入线，线圈出线112包括单模耐弯曲光纤的出线和压电陶瓷101的负电极出线。将环氧树脂胶灌入到第一壳体104内，从而将绕制于筒状压电陶瓷101的外壁的光纤线圈102封装在第一壳体104内。第一壳体104能够起到隔声、隔振、固定功能。

进一步的，为了更准确地调节光纤线圈102输出的第二光束的偏振方向，如图4所示，本发明实施例提供的偏振控制器10还包括电机108及传动轴109，第一壳体104的底部设置有转动连接口105。电机108的转轴与传动轴109连接，电机108通过传动轴109与设置于第一壳体104底部的转动连接口105连接，电机与电压输出装置103电连接。此时，通过控制电压输出装置103的输出电压实时控制电机108的转轴沿着ω方向转动即可以控制光纤线圈102的偏转角度，从而控制光纤线圈102输出的第二光束的偏振方向，以得到用户所需要的偏振方向，有效地提高了对第二光束的偏振方向的控制精度。本实施例中，电机108可以为步进电机。

光纤线圈102为λ/4光纤线圈，当第二光束为线偏振光时，线圈平面转过α，线偏振光的方向转过β，α与β的关系如式(2)所示。

β＝4(1-t)α (2)

式(2)中，t为反映光纤材料特性的常数，对于所有掺杂二氧化硅，t＝0.08。如图4所示，电机108的转轴转动第一预设角度时，带动传动轴109沿ω方向转动，进而带动光纤线圈102沿着ω方向转动第二预设角度，从而使得光纤线圈102的线圈平面由图4所示的初始位置转动至预设位置，实现预设偏振方向的线偏振光输出。上述预设偏振方向即为用户所需要的偏振方向。其中，第二预设角度根据上述预设偏振方向设置，第一预设角度根据电机108的转轴与λ/4光纤线圈之间的传动比设置。

进一步的，如图4所示，本发明实施例提供的偏振控制器10还包括第二壳体110。上述封装有绕制于筒状压电陶瓷101外壁的光纤线圈102的第一壳体104设置在第二壳体110内。第二壳体110具有隔离声音的功能，能够有效地避免外界声音信号对光纤线圈102的偏振态调制的干扰。需要说明的是，图4为偏振控制器10的主视图，图5为图4中所示的第二壳体110的左视图。为了穿过传动轴109、线圈入线111和线圈出线112，如图5所示，第二壳体110设置有第一开口115、第二开口116和第三开口117。其中，第一开口115用于穿入传动轴109，第二开口116用于穿出光纤线圈102的线圈入线111，第三开口117用于穿出光纤线圈102的线圈出线112。需要说明的是，为了尽量减小上述三个开口对第二壳体110的声音隔离功能的影响，第一开口115的开口面积应与传动轴109的横截面积适配，第二开口116的开口面积应与线圈入线111的横截面积适配，第三开口117的开口面积应与线圈出线112的横截面积适配。

为了避免线圈入线111和线圈出线112发生窜动，影响光纤线圈的参数，从而影响偏振控制器10的偏振态控制精度，如图4所示，将线圈入线111通过第一固定件固定于第二壳体110内的线圈入线固定处113，将线圈出线112通过第二固定件固定于第二壳体110内的线圈出线固定处114。例如，第一固定件和第二固定件可以均为环氧树脂胶，即将线圈入线111和线圈出线112分别使用环氧树脂胶点固在线圈入线固定处113和线圈出线固定处114。或者，第一固定件和第二固定件也可以是固线端子或粘胶。

为了便于第一光束的输入和第二光束的输出、以及压电陶瓷101的外加电压的施加，本发明实施例提供的偏振控制器10还可以包括第一端口118、第二端口119、第三端口120和第四端口121。其中，第一端口118与光纤线圈的输入端102a即光纤线圈102的光纤入线光学耦合，第二端口119与光纤线圈的输出端102b即光纤线圈102的光纤出线光学耦合，第三端口120与筒状压电陶瓷101的正极电连接，第四端口121与筒状压电陶瓷101的负极电连接。此时，第一端口118和第三端口120可以设置于第二壳体110的第二开口116处，也可以分别对应设置于光纤线圈102的光纤入线和压电陶瓷101的正电极入线处，如图4所示。第二端口119和第四端口121的设置方式与第一端口118和第三端口120类似，此处不再赘述。

使用时，第一光束由第一端口118输入光纤线圈102，根据第二端口119输出的第二光束的实时偏振态，调节电压输出装置103施加到压电陶瓷101的第一电压的电压值，利用压电陶瓷101具有的电磁伸缩效应，对光纤线圈102参数进行微调，从而实现光纤线圈102输出的第二光束的偏振态控制。此外，根据第二端口119输出的第二光束的实时偏振方向，调节电压输出装置103施加到电机108的第二电压的电压值，控制光纤线圈的线圈平面的偏转角度，从而控制第二光束的偏振方向。

例如，本发明实施例提供的偏振控制器10可用于图6所述的具体应用场景中。图6示出了一种光纤分布式传感监测***。如图6所示，超窄线宽激光器输出的激光进入到声光调制器，经过声光调制器将连续激光调制成脉冲脉宽为τ，周期为T的脉冲激光，脉冲激光依次经过第一光放大器和超窄线宽第一光滤波器后形成信号光。信号光进入第一环形器的C11端、经过第一环形器的C13端注入长度为Y的传感光纤。传感光纤中携带传感信号的背向瑞利散射光返回到第一环形器的C13端，经第一环形器的C12端输出，依次经过第二光放大器、超窄线宽第二光滤波器进入光分束器的E31端。经光分束器分束为第一信号光束和第二信号光束，第一信号光束由光分束器的第一分束端E32端输出进入到第一偏振控制器11的Q11端，第二信号光束由和光分束器的第二分束端E33输出进入到第二偏振控制器12的Q21端。

其中，背向瑞利散射光近似为椭圆偏振光，第一偏振控制器11用于将第一信号光束处理为第一线偏振光。第二偏振控制器12用于将第二信号光束处理为第二线偏振光，且第一线偏振光的偏振方向和第二线偏振光的偏振方向相互正交。第一偏振控制器11和第二偏振控制器12均采用本发明实施例提供的偏振控制器10。

第一偏振控制器11的Q12端输出的第一线偏振光依次经第二环形器的C21端和C23端，进入到第一3×3耦合器611的B11端，经过第一3×3耦合器分束，自第一3×3耦合器的B14端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第一法拉第旋转镜，自第一3×3耦合器的B15端输出的光经过长度为L2的光纤进入到第二法拉第旋转镜，其中，L1-L2＝S。两束光分别经第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射返回到第一3×3耦合器处发生干涉形成第一干涉信号。第一干涉信号分为三束光，第一束光经过第一3×3耦合器的B11端进入到第二环形器的C23，经第二环形器的C22端进入到第一偏振合束器的P11端，第二束光经第一3×3耦合器的B12端进入到第二偏振合束器的P21端，第三束光经第一3×3耦合器的B13端进入到第三偏振合束器的P31端。

第二偏振控制器12的Q22端输出的第二线偏振光依次经第三环形器的C31端和C33端进入到第二3×3耦合器的B21端，经过第二3×3耦合器分束，自第二3×3耦合器B24端输出的光经过长度为L1的光纤进入到第三法拉第旋转镜，自第二3×3耦合器B25端输出的光经过长度为L2的光纤进入到第四法拉第旋转镜，其中，L1-L2＝S，两束光分别经第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜反射返回到第二3×3耦合器处发生干涉形成第二干涉信号。第二干涉信号也分为三束光，第一束光经过第二3×3耦合器的B21端输出至第三环形器的C33端，经过第三环形器C32端进入到第一偏振合束器的P12端；第二束光经过第二3×3耦合器的B22端进入到第二偏振合束器的P22端；第三束光经过第二3×3耦合器的B23端进入到第三偏振合束器的P32端。

输入第一偏振合束器的P11端和P12端的光在第一偏振合束器合束后经P13端进入到第一光电探测器、经第一光电探测器转换为第一电信号输入至数据处理器。输入第二偏振合束器的P21端和P22端的光在第二偏振合束器合束后经P23端进入到第二光电探测器、经第二光电探测器转换为第二电信号输入至数据处理器。输入第三偏振合束器的P31端和P32端的光在第三偏振合束器合束后经P33端进入到第三光电探测器、经第三光电探测器转换为第三电信号输入至数据处理器。第一电信号、第二电信号和第三电信号同时送入数据处理器进行3×3耦合器算法解调，解调出相应传感信号。

根据第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器接收到的光强大小，数据处理器可以分别控制第一偏振控制器11中的电压输出装置103输出的第一电压，控制第二偏振控制器12中的电压输出装置103输出的第一电压，以实现第一线偏振光和第二线偏振光的输出。此外，数据处理器可以分别控制第一偏振控制器11中的电压输出装置103输出的第二电压和第二偏振控制器12中的电压输出装置103输出的第二电压，以分别调节第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向，使得第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互正交。

综上所述，相比于现有的偏振控制器，本发明实施例提供的偏振控制器10中，将λ/4光纤线圈绕制于筒状压电陶瓷101的外壁，利用反馈调节的方式调节施加在压电陶瓷101上的电压，能够有效地提高偏振态的控制精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种偏振控制器，其特征在于，包括绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈，所述光纤线圈为λ/4光纤线圈，所述光纤线圈用于将入射的第一光束转换为第二光束输出，所述筒状压电陶瓷用于在外加电压的控制下调节所述第二光束的偏振态。

2.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括电压输出装置，所述筒状压电陶瓷与所述电压输出装置电连接，所述电压输出装置用于输出所述外加电压。

3.根据权利要求2所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括第一壳体，所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。

4.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述第一壳体内灌装有环氧树脂，所述环氧树脂用于将所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈封装于所述第一壳体内。

5.根据权利要求3所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括电机及传动轴，所述电机通过所述传动轴与设置于所述第一壳体底部的转动连接口连接，所述电机与所述电压输出装置电连接；

所述电机用于驱动所述光纤线圈转动至预设位置以使所述光纤线圈将入射的第一光束转换为预设偏振方向的第二光束输出。

6.根据权利要求5所述的偏振控制器，其特征在于，所述电机为步进电机。

7.根据权利要求5所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括第二壳体，封装有所述绕制于筒状压电陶瓷的外壁的光纤线圈的所述第一壳体设置在所述第二壳体内，所述第二壳体设置有第一开口、第二开口和第三开口，所述第一开口用于穿入所述传动轴，所述第二开口用于穿出所述光纤线圈的线圈入线，所述第三开口用于穿出所述光纤线圈的线圈出线。

8.根据权利要求7所述的偏振控制器，其特征在于，所述线圈入线通过第一固定件固定于设置在所述第二壳体内的线圈入线固定处，所述线圈出线通过第二固定件固定于设置在所述第二壳体内的线圈出线固定处。

9.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口与所述光纤线圈的输入端光学耦合，所述第二端口与所述光纤线圈的输出端光学耦合，所述第三端口与所述筒状压电陶瓷的正极电连接，所述第四端口与所述筒状压电陶瓷的负极电连接。

10.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述光纤为单模耐弯曲光纤。