光纖偏振實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書V1.0

1、- 1 -目目 錄錄第一章第一章 實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明 .2一、產(chǎn)品介紹：.2第二章第二章 實(shí)驗(yàn)指南實(shí)驗(yàn)指南 .3一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.3三、實(shí)驗(yàn)儀器.3四、實(shí)驗(yàn)原理.3五、注意事項(xiàng).7六、實(shí)驗(yàn)步驟.72第一章第一章 實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明一、一、產(chǎn)品介紹：產(chǎn)品介紹：在相干光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感器、光纖陀螺以及其他相干檢測(cè)中，要求本振光與信號(hào)光的偏振方向一致。然而各系統(tǒng)中特別是相干光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)光由發(fā)射端至接收端光纖傳輸線路上，因外界因素導(dǎo)致輸出光的偏振態(tài)發(fā)生變化并且是隨機(jī)的，使檢測(cè)信號(hào)變壞而無(wú)法工作。因此必須采用保偏光纖或一般單模光纖加上偏振控制器，以獲得偏振匹配。在相干光纖通信

2、系統(tǒng)、干涉型光纖傳感器、光纖陀螺等采用的都是單模光纖，而單模光纖中傳輸光的偏振態(tài)因?yàn)楣饫w的彎曲、扭曲、外界的擾動(dòng)等原因使傳輸光的偏振態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光強(qiáng)、光穩(wěn)定性發(fā)生變化，其結(jié)果是使光纖傳感系統(tǒng)的輸出信號(hào)很不穩(wěn)定或者使通信系統(tǒng)發(fā)生紊亂。采用保偏光纖可以較好地解決光地偏振態(tài)問(wèn)題，但是價(jià)格很昂貴；若采用光纖偏振控制器則成本低、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，也能較好地解決光的偏振態(tài)問(wèn)題。偏振光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀把半導(dǎo)體激光光源注入到單模光纖，通過(guò)調(diào)整單模光纖偏振控制器，來(lái)改變經(jīng)過(guò)單模光纖偏振控制器后輸出光的偏振態(tài)，然后檢測(cè)輸出光光強(qiáng)的變化，從而得到光纖中所需要的線性偏振光，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果比較理想。光

3、纖偏振測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀采用的特種單模光纖，該實(shí)驗(yàn)儀重點(diǎn)研究特種光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、光路調(diào)整方法、光源的偏振特性、單模光纖偏振控制器的調(diào)節(jié)原理與方法、單模光纖偏振控制器的制作以及電路設(shè)計(jì)、偏振光偏振度的計(jì)算。3第二章第二章 實(shí)驗(yàn)指南實(shí)驗(yàn)指南一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解和掌握半導(dǎo)體激光器工作原理及發(fā)光特性2、了解和掌握特種光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3、掌握光纖涂覆層去除及斷面處理4、掌握光纖偏振控制器制作5、掌握單模光纖中傳輸光偏振態(tài)的調(diào)制二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光纖端面處理實(shí)驗(yàn)2、光源輸出光特性實(shí)驗(yàn)3、光路組裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)4、光源光纖耦合實(shí)驗(yàn)5、光纖傳輸特性實(shí)驗(yàn)6、光纖中獲得線性偏振光實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)

4、儀器1、半導(dǎo)體激光器 1 個(gè)2、光學(xué)平臺(tái)及組件 1 套3、光纖 1 根4、偏振片組件 2 套5、光纖偏振控制器 1 套6、物鏡 2 個(gè)四、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)原理1、半導(dǎo)體機(jī)關(guān)器工作原理光電子學(xué)的飛速發(fā)展主要是建立在量子力學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展上的，其中尤其矚目的就是光電子半導(dǎo)體的發(fā)展。LD,LED 這些神奇的電子器件便是這一發(fā)展的結(jié)果，尤其是近期有機(jī)光電材料的發(fā)展，更是極大的推動(dòng)著光電材料的進(jìn)步。首先半導(dǎo)體為什么會(huì)發(fā)光呢？當(dāng)電子從導(dǎo)帶跳下來(lái)進(jìn)入價(jià)帶的時(shí)候，會(huì)損失一定的能量，這些能量就變成了光子發(fā)射出來(lái)，通俗的說(shuō)就是發(fā)光了。半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)或 PIN 結(jié)為工作物質(zhì)的一

5、種小型化激光器。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)有幾十種。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式都是電注入，即給 Pn 結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說(shuō)是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管。對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，所以躍遷能量不是個(gè)確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上。它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在 0.3-34um 之間。其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見(jiàn)的是 ALGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為 750-890nm。世界上第一只半導(dǎo)體激光器是 1962

6、 年問(wèn)世，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各4項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高，器制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法（LPE） ，氣相外延法（VPE）,分子束外延法（MBE） ，MOCVD 方法（金屬有機(jī)化合物汽相淀積） ，化學(xué)束外延法（CBE）以及他們的各種結(jié)合型等多種工藝，其激射閉值電流由幾百 mA 降到幾十 mA，知道亞 mA，其壽命由幾百到幾萬(wàn)小時(shí)乃至百萬(wàn)小時(shí)，從最初的低溫 77K 下運(yùn)行發(fā)展到常溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)。具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高、便于直接

7、調(diào)制及省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)去常用的其它激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代。半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)是：激光性能手溫度影響大，光束發(fā)散角較大（一般在幾度到 20 度之間） ，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷提高，目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高。2、隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電信運(yùn)營(yíng)商們正在不斷地提高 WDM 系統(tǒng)中單信道的傳輸速率，以滿足人們對(duì)通信帶寬的需求。目前，單波長(zhǎng)傳輸速率為 10Gb/s 的 WDM 系統(tǒng)正在

8、建設(shè)使用中，而傳輸速率為 40Gb/s 的 WDM 系統(tǒng)也已經(jīng)進(jìn)入了人們的視野。在傳輸速率提高的同時(shí)，通信系統(tǒng)對(duì)光纖中的偏振模色散（ PMD ） 、電光調(diào)制器中的偏振相關(guān)調(diào)制（ PDM ） ，以及光放大器中的偏振相關(guān)增益（ PDG ）等一系列由偏振引起的損害也越來(lái)越敏感。這些損害主要是由光纖本身的缺陷造成的，在理想化的光纖中，傳輸光的偏振態(tài)（ SOP ）不會(huì)發(fā)生變化，這些由偏振效應(yīng)引起的損害也很容易消除。而在實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中，傳輸光的偏振態(tài)是沿光纖不斷變化的（一般來(lái)說(shuō)，普通光纖的輸出光為橢圓偏振光，橢圓度不斷變化，主軸相對(duì)于參考方向成任意角度） ，產(chǎn)生這種變化的原因是光纖中由熱應(yīng)力、機(jī)

9、械應(yīng)力以及纖芯的不規(guī)則性等因素引起的不規(guī)則雙折射。更糟糕的是，光纖中的雙折射效應(yīng)是隨溫度、壓力、應(yīng)力以及其它環(huán)境因素不斷變化的，這就大大增加了偏振相關(guān)損害的不可預(yù)知性。由于偏振相關(guān)損害是隨時(shí)間變化的，消除他們的方法必須是動(dòng)態(tài)的、可適應(yīng)隨機(jī)變化的。動(dòng)態(tài)偏振控制用于 PMD 補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)偏振控制器是克服這些損害的最重要的器件，它能夠?qū)⑷我饨o定的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降钠駪B(tài)。除了插入損耗低、回波損耗高等優(yōu)點(diǎn)外，理想的動(dòng)態(tài)偏振控制器還應(yīng)具備以下幾個(gè)重要的性能參數(shù)：1 ）高響應(yīng)速度是對(duì)快速變化的偏振態(tài)進(jìn)行跟蹤的必備要素。外界環(huán)境會(huì)對(duì)已鋪設(shè)的光纜造成不同程度的影響，如火車經(jīng)過(guò)時(shí)的振動(dòng)對(duì)沿鐵路鋪設(shè)的光纜、

10、海浪拍擊對(duì)海底光纜都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，使光纜中傳輸光的偏振狀態(tài)發(fā)生快速變化。目前，使用 PMD 記錄儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，已經(jīng)可以觀測(cè)到量級(jí)為幾個(gè)毫秒的快速起伏變化。因此，用于 PMD 補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)偏振控制器的響應(yīng)時(shí)間必需小于 1ms。在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)偏振控制器的響應(yīng)時(shí)間要求小于 100s 。2 )啟動(dòng)損耗，它量度了啟動(dòng)偏振控制器時(shí)所引入的插入損耗，定義為在所有可能的啟動(dòng)條件下最大插入損耗和最小插入損耗的差值。由于所有偏振相關(guān)損害的補(bǔ)償機(jī)制都是利用反饋信號(hào)來(lái)激活偏振控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏振控制的，所以，控制器啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的損耗和波動(dòng)都可能會(huì)使反饋信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤，從而直接導(dǎo)致儀器的性能下降。另外，在使用偏振控制器

11、進(jìn)行 PDL 測(cè)量的儀器中，啟動(dòng)損耗還會(huì)限制儀器測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確度。類似的，偏振控制器自身的 PDL 也會(huì)使反饋信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤，使補(bǔ)償?shù)能浖?、硬件設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。3)寬工作帶寬對(duì)密集波分復(fù)用( DWDM )系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。足夠?qū)挼墓ぷ鲙捒梢允蛊窨刂破髟诓煌诺谰哂邢嗤墓ぷ餍阅?，這樣不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低系5統(tǒng)成本，而且使系統(tǒng)帶寬擴(kuò)展成為可能。4)偏振控制器的無(wú)中斷調(diào)節(jié)也是非常重要的一個(gè)特性。因?yàn)?，在?duì)光網(wǎng)絡(luò)中，任何偏振狀態(tài)的重置都可能引起不可預(yù)料的信號(hào)中斷。 目前，商用的偏振控制器根據(jù)其技術(shù)原理可分為三類：一種是由多個(gè)延遲固定、方位角可變的波片組成的；另一種由單個(gè)延遲可調(diào)、

12、方位角可變的波片組成；還有一種由多個(gè)方位角固定、延遲可調(diào)的波片組成。其中，基于固定延遲波片的偏振控制器是波長(zhǎng)敏感的，依靠機(jī)械旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)波片的偏振控制器調(diào)節(jié)速度非常慢，除了這些固有的限制外，以上三種方法原則上都是可行的，但具體的實(shí)現(xiàn)手段將直接決定產(chǎn)品的性能、成本和可靠性。 圖 1 是一個(gè)典型的偏振控制器的結(jié)構(gòu)圖，它由三個(gè)可旋轉(zhuǎn)的波片組成，一個(gè) /2 （ HWP ）波片處于兩個(gè) /4 （ QWP ）波片中間，每個(gè)波片都可沿著光軸相對(duì)于其它波片自由轉(zhuǎn)動(dòng)。第一個(gè) /4 波片的作用是將任意輸入偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，然后 /2 波片將此線偏振光旋轉(zhuǎn)到任一希望得到的偏振方向，于是第二個(gè) /4 波片就能將該偏

13、振光轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。在這種實(shí)現(xiàn)方法中，波片的延遲是固定的，但波片的相對(duì)角度是可變的。雖然，這種方法應(yīng)用在商用化的產(chǎn)品中已經(jīng)頗見(jiàn)成效，但這項(xiàng)技術(shù)畢竟存在很多缺點(diǎn)。首先，光線的準(zhǔn)直、對(duì)軸、聚焦不僅費(fèi)時(shí)，而且耗費(fèi)眾多勞力。其次，波片、微透鏡等元件都價(jià)格不菲，并且需要鍍?cè)鐾改?、拋磨斜角以減少背向反射。再次，由于不可避免的要將光從一根光纖中耦合輸出，然后再將其聚焦進(jìn)入另一根光纖，以至于插入損耗大。而且，波片本身就對(duì)波長(zhǎng)敏感（任何分?jǐn)?shù)波片的確定都是針對(duì)某個(gè)固定波長(zhǎng)的） ，從而使得此種偏振控制器也對(duì)波長(zhǎng)敏感。最后，使用電動(dòng)機(jī)或其它機(jī)械器件旋轉(zhuǎn)波片，都會(huì)限制偏振控制器的控制速度。3、起偏與檢偏

14、 將非偏振光變成偏振光的過(guò)程稱為起偏，起偏的裝置稱為起偏器。本實(shí)驗(yàn)用到的是晶體起偏器。將偏振片用于檢偏時(shí)稱為檢偏器。 按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為 I0 的線偏振光通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為 ，式中 為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角。顯然，當(dāng)以光線6傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度 I 將發(fā)生周期性變化。當(dāng)= 時(shí)，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)= 時(shí)，透射光強(qiáng)度最?。ㄏ鉅顟B(tài)） ；當(dāng) 時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小之間。因此，根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別光的不同偏振狀態(tài)。 1）偏振態(tài)不變的情形（1）自然光通過(guò)波晶片，仍為自然光。（2）若入射光為線偏振光，則任何波長(zhǎng)片對(duì)它都不起作用，出射光仍為

15、原來(lái)的線偏振光。 2）/2 片與偏振光（1）若入射光為線偏振光，且與晶片光軸成角，則出射光仍為線偏振光，但與光軸成-角。即線偏振光經(jīng) /2 片電矢量振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)了 2角。（2）若入射光為橢圓偏振光，則半波片既改變橢圓偏振光長(zhǎng)（短）軸的取向，也改變橢圓偏振光（圓偏振光）的旋轉(zhuǎn)方向。 3）/4 片與偏振光（1）若入射為線偏振光，則出射光為橢圓（圓）偏振光。（2）若入射為圓偏振光，則出射光為線偏振光。（3）若入射為橢圓偏振光，則出射光一般仍為橢圓偏振光。對(duì)偏振光檢驗(yàn)的方法如表一所示。 7表 一 偏振光的檢驗(yàn)第一步令入射光通過(guò)偏振片 I，改變偏振片 I 的透振方向 Pl，觀察透射光強(qiáng)度的變化觀察到的現(xiàn)

16、象有消光強(qiáng)度無(wú)變化強(qiáng)度有變化，但無(wú)消光結(jié) 論線偏振自然光或圓偏振光部分偏振光或橢圓偏振光第二步a令入射光依次通過(guò) 4 片和偏振片，改變偏振片的透振方向 P2，觀察透射光的強(qiáng)度變化。b同 a， 只 是 4 片的光軸方向必須與第一步中偏振片I 產(chǎn)生的 強(qiáng)度極大或極小的透振方向重合。觀察到的現(xiàn)象有消光 無(wú)消光有消光 無(wú)消光結(jié) 論圓偏振光 自然光橢圓偏振光 部分偏振光 表中區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光，自然光和圓偏振光的方法是根據(jù)部分偏振光、自然光經(jīng)波晶片分解的兩個(gè)垂直振動(dòng) Eo 和 Ee 之間無(wú)固定位相差，而橢圓偏振光和圓偏振光分解的兩個(gè)互相垂直振動(dòng)之間有固定位相差的差別，利用表中第二步將它們區(qū)分開(kāi)的

17、。五、注意事項(xiàng)五、注意事項(xiàng)1、不要用肉眼直視激光器輸出光，防止造成傷害。2、不要折彎光纖，防止造成系統(tǒng)不能正常工作。六、實(shí)驗(yàn)步驟六、實(shí)驗(yàn)步驟1、光纖端面處理實(shí)驗(yàn)：、光纖端面處理實(shí)驗(yàn)：對(duì)于較細(xì)光纖，用光纖切割刀將光纖端部切掉一小截，然后用剝皮鉗剝掉光纖斷面2cm 長(zhǎng)的涂覆層。對(duì)于較粗光纖，直接切點(diǎn)光纖端部一小截，然后將端面在絨布上打磨直至平整。2、激光器輸出光特性試驗(yàn)、激光器輸出光特性試驗(yàn)半導(dǎo)體激光器接通電源，激光器輸出光斑（注意千萬(wàn)不要將激光器輸出光斑對(duì)著人的（注意千萬(wàn)不要將激光器輸出光斑對(duì)著人的眼睛）眼睛） ，觀察不同距離光斑的大小。調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器前端透鏡固定螺環(huán)，觀察光斑變化。3、光纖偏

18、振控制器制作實(shí)驗(yàn)、光纖偏振控制器制作實(shí)驗(yàn) 偏振控制器能將輸入的任何一種偏振態(tài)（橢圓偏振，圓偏振，線偏振）轉(zhuǎn)變成任意指定的偏振態(tài)輸出。光纖偏振控制器一般由兩個(gè)控制元件構(gòu)成，這是因?yàn)槠駪B(tài)的自由度是2，即橢圓度和方位角。 一：利用波片組合（延遲量固定但其方位角可變波片組成的偏振控制器一自由波片結(jié)構(gòu)）控制偏振態(tài)1）通常認(rèn)為 1/4 波片能夠把任何狀態(tài)偏振光（線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）轉(zhuǎn)化為線性偏振光或相反，而半波片則能實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)偏振態(tài)間的轉(zhuǎn)換，所以它們之間的組合可以實(shí)現(xiàn)偏振控制。注：1/4 波片能夠把任何狀態(tài)偏振光（線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）轉(zhuǎn)化為線性偏振光的前提條件是：1/4 波片的

19、光軸要與橢圓主軸（包括長(zhǎng)軸 x 和短軸 y ）平行。82）部分偏振光和自然光的兩個(gè)分量是不相干的，不能合成一個(gè)矢量。部分偏振光的兩個(gè)分量振幅大小是不等的；而自然光是相等的。二： 光纖打圈等效波片形式利用彎曲光纖引入應(yīng)力線性雙折射，通過(guò)控制光纖彎曲半徑及彎曲圈數(shù)制成在線單模光纖 1/4 波片和 1/2 波片。主軸方向可以改變的兩個(gè) 1/4 波片和一片 1/2 波片便可構(gòu)成一個(gè)偏振控制器。第一個(gè) 1/4 波片將光纖中傳播的橢圓偏振態(tài)變成線性偏振態(tài)。1/4 波片將此線性偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至所需要的方向。最后一個(gè) 1/4 波片將 1/2 波片輸出的線偏態(tài)變成所需的橢圓偏振態(tài)。這樣，偏振控制器就能實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。換句話講：無(wú)論光纖端口處輸入任何偏振態(tài)都可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器，在輸出端得到任意所需要的偏振態(tài)（即：可以實(shí)現(xiàn)任意確定輸入偏振態(tài)到任意確定輸出偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換） 。三：根據(jù)上述原理，繞制光纖偏振控制器。偏振控制器正視圖 取下橡皮限位器 A, B 和 C。擰緊螺絲 1, 2, 3 和 4。松螺絲 5 和 6。處理一段至少 1 米長(zhǎng)的單模光纖(不能扭曲)。把光纖的一端放在 5 處槽內(nèi),擰緊