新型单色光退偏器研究

贺谭斌

摘要：将本文提出新型PMBCD退偏器，从构成方式、实现方法、使用范围及退偏效果等诸方面与传统常用的退偏器进行深入分析；同时使用斯托克斯参量、琼斯矩阵及密勒矩阵进行了理论分析。其后分别使用LD及DFB光源进行实验，证明理论计算结果与实验测试结果相一致。得出一种性能稳定、适用单色性好的光源及便于批量生产的新型退偏器。新型PMBCD型具有光源的SOP影响小、受外界应力影响较少、退偏效率高于LYOT型保偏光纤250、退偏效率和体积更小等优点

关键词：PMBCD型退偏器；LYOT型退偏器；晶体型退偏器；拉曼放大器；

1 引言

在工业刻蚀、光纤通讯的光电探测转换器中（PD）、光纤陀螺和光纤拉曼放大器等一些特殊场合中，如果没有消除偏振现象的情况下会导致产品或测量的整体性能下降。

在实际生产中，极少的光源能发出用于光纤传输或探测的非偏振光。经过科学人员长期的深入研究，光通讯领域中将偏振光退偏成非偏振光的光纤退偏器就应时而生。其出现后就广泛用于光纤通讯中。目前国内、外退偏器就其实现方式而言主要分为：空间偏振态均分型；光谱偏振态均分型；时域均分退偏；环型退偏器：

在光通信行业主要的代表结构有双楔型、LYOT型及长条晶体型退偏器。而本文提出一种体积小，成本低，能用于单色性好的单色光退偏器。其主要特点是能退偏小于10GHZ的光源，达到了行业的领先水平。同时也填补了对小带宽光源退偏的局限，增加了退偏器的应用范围。

2 结构与光路

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

图1 新型单色光退偏器结构示意图

Fig.1 New design of the Novel monochromatic depolarizer

每个部分均可单独由相关部分的光无源器件组成，同时也可以将此六部分的功能或部件集成在同一个平台上。本文采用的偏振分光器件与偏振合光器件采用渥拉斯顿分光棱镜来实现；时延光纤使用熊猫型保偏光纤进行制作；偏振合光器件1和偏振分光器件2偏振相差 的相位关系

3 光路分析

当输入光源通过渥拉斯顿通过偏振分光器件1后，其偏振态输入时可使用马吕斯定义进行计算两光纤中的光强比：

时延光纤产生的相位差则为以下公式所述：

式中为入射光源的中心波长；n为时延光纤折射率；d为时延光纤纤长。

偏振度描述是符合以下公式：

式中的S0，S1，S2和S3是斯托克斯函数，用其相干矩阵表达式可以将S0，S1，S2和S3表示为：

式中，EX表示光传输时的电场特性，可以使用傅利叶变化使用频谱函数f（ω）进行表示：

这里j表示虚数单位，初始相位的ω<时f（ω）；x与y分别表示为垂直或平行于晶体的方向。在偏振合光器件2出来的EX与EY存在以下关系：

平均时间的相关函数有如下关系：

因此斯托克斯向量可以表示为：

由于存在帕塞瓦尔（Parseval）等式：

将12式代入11式中，计算S0可得：

同理，利用上述的计算方法可计算出S1，S2和S3。

其中由于X与Y轴分别表示垂直或平行于晶體的方向的相关参数——即t时刻时存在的时延：

将式13、式14、式15及式16代入式3中，通过简化计算公式则可得为：

为简单计算准单色光的情况下，将单色性好的LD光源简化成为矩形光源进行研究计算，其可使用以下傅利叶变换频谱函数进行描述：

式中：为光波的频率宽度；E0为中心波长找电场强度；ω0为中心波长的频率；Φ为光源电场矢量的初始相位。

对于拉曼放大器中常用的nm的DFB光源（其包络面的带宽为FWHM△ω=45HZ；纵模间隔0.11nm；带宽为4.8GHZ），则需要9mm则可达到DOP<5%的退偏效果。

4 实验验证

采用1550LD光源。使用式17计算可以得到该光源的退偏效果图：

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

从上计算可知图可知，时延并不是越长越好，而且在一定长度内是呈周期性变化的。不同时延时DOP会有不同

使用曼放大器泵浦光源常用的DFB半导体激光器光源得到的（1550nm其包络面的带宽为FWHM？ω=45HZ；纵模间隔0.11nm），

Fig. 3 The Spectrum of DFB semiconductor laser

利用使用傅利叶级数将本多纵模的DFB光源进行展开，从而可以得到以下表达式：

式中A（│△ω│）的表示电场强度相关的函数。

实验得出的17组数据和理论计算后得到的退偏度对比数据图4-8如下所示：

Fig. 4 Comparison of DOP data and theoretical calculation

实验数据与理论数据对比后相一致。本多纵模DFB光源得出的退偏图随着时延的增加，其最高的退偏度振幅是在逐渐下降，且时延增长则越接近DOP为零。

5 结论

在概括全文，在研究工作中取得的成果如下：

1. PMBCD型退偏器由于采取两级光强分配方法，不受光源的SOP等因素影响

2. PMBCD型退偏器所使用器件小其时延效率是长条晶体型的5倍，是LYOT型光纤的250倍。

但本退偏器也存一定程度上的局限性：endprint

1. 由于采用分离式重组方式，其IL为1.5dB左右。如光源单色性较差的情况下，会相对传统的损耗大。不利于推广使用。

2. 当单色性不好的光源进行退偏时，本分离式的结构由于其元器件的价格还是相对昂贵。因此对光源单色性不好的光或退偏效果要求不高的场合由于成本问题也不推荐使用。

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