光纤偏振实验仪实验指导书V1.0

1、- 1 -目目 录录第一章第一章 实验仪说明实验仪说明 .2一、产品介绍：.2第二章第二章 实验指南实验指南 .3一、实验目的.3二、实验内容.3三、实验仪器.3四、实验原理.3五、注意事项.7六、实验步骤.72第一章第一章 实验仪说明实验仪说明一、一、产品介绍：产品介绍：在相干光纤通信系统、光纤传感器、光纤陀螺以及其他相干检测中，要求本振光与信号光的偏振方向一致。然而各系统中特别是相干光纤通信系统中，信号光由发射端至接收端光纤传输线路上，因外界因素导致输出光的偏振态发生变化并且是随机的，使检测信号变坏而无法工作。因此必须采用保偏光纤或一般单模光纤加上偏振控制器，以获得偏振匹配。在相干光纤通信

2、系统、干涉型光纤传感器、光纤陀螺等采用的都是单模光纤，而单模光纤中传输光的偏振态因为光纤的弯曲、扭曲、外界的扰动等原因使传输光的偏振态发生变化，进而导致光强、光稳定性发生变化，其结果是使光纤传感系统的输出信号很不稳定或者使通信系统发生紊乱。采用保偏光纤可以较好地解决光地偏振态问题，但是价格很昂贵；若采用光纤偏振控制器则成本低、操作简单、实用性强，也能较好地解决光的偏振态问题。偏振光学综合实验仪把半导体激光光源注入到单模光纤，通过调整单模光纤偏振控制器，来改变经过单模光纤偏振控制器后输出光的偏振态，然后检测输出光光强的变化，从而得到光纤中所需要的线性偏振光，整个过程操作简单，实验效果比较理想。光

3、纤偏振测量系统实验仪采用的特种单模光纤，该实验仪重点研究特种光纤的结构特点、光路调整方法、光源的偏振特性、单模光纤偏振控制器的调节原理与方法、单模光纤偏振控制器的制作以及电路设计、偏振光偏振度的计算。3第二章第二章 实验指南实验指南一、实验目的一、实验目的1、了解和掌握半导体激光器工作原理及发光特性2、了解和掌握特种光纤的结构特点3、掌握光纤涂覆层去除及断面处理4、掌握光纤偏振控制器制作5、掌握单模光纤中传输光偏振态的调制二、实验内容二、实验内容1、光纤端面处理实验2、光源输出光特性实验3、光路组装调试实验4、光源光纤耦合实验5、光纤传输特性实验6、光纤中获得线性偏振光实验三、实验仪器三、实验

4、仪器1、半导体激光器 1 个2、光学平台及组件 1 套3、光纤 1 根4、偏振片组件 2 套5、光纤偏振控制器 1 套6、物镜 2 个四、实验原理四、实验原理1、半导体机关器工作原理光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。LD,LED 这些神奇的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更是极大的推动着光电材料的进步。首先半导体为什么会发光呢？当电子从导带跳下来进入价带的时候，会损失一定的能量，这些能量就变成了光子发射出来，通俗的说就是发光了。半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 PN 结或 PIN 结为工作物质的一

5、种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式都是电注入，即给 Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在 0.3-34um 之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是 ALGaA:双异质结激光器，其输出波长为 750-890nm。世界上第一只半导体激光器是 1962

6、 年问世，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各4项性能参数也有了很大的提高，器制作技术经历了由扩散法到液相外延法（LPE） ，气相外延法（VPE）,分子束外延法（MBE） ，MOCVD 方法（金属有机化合物汽相淀积） ，化学束外延法（CBE）以及他们的各种结合型等多种工艺，其激射闭值电流由几百 mA 降到几十 mA，知道亚 mA，其寿命由几百到几万小时乃至百万小时，从最初的低温 77K 下运行发展到常温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级。具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高、便于直接

7、调制及省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其它激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的缺点是：激光性能手温度影响大，光束发散角较大（一般在几度到 20 度之间） ，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的性能在不断提高，目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。2、随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高 WDM 系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。目前，单波长传输速率为 10Gb/s 的 WDM 系统正在

8、建设使用中，而传输速率为 40Gb/s 的 WDM 系统也已经进入了人们的视野。在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（ PMD ） 、电光调制器中的偏振相关调制（ PDM ） ，以及光放大器中的偏振相关增益（ PDG ）等一系列由偏振引起的损害也越来越敏感。这些损害主要是由光纤本身的缺陷造成的，在理想化的光纤中，传输光的偏振态（ SOP ）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害也很容易消除。而在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的（一般来说，普通光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度） ，产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机

9、械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。由于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的。动态偏振控制用于 PMD 补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态。除了插入损耗低、回波损耗高等优点外，理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数：1 ）高响应速度是对快速变化的偏振态进行跟踪的必备要素。外界环境会对已铺设的光缆造成不同程度的影响，如火车经过时的振动对沿铁路铺设的光缆、

10、海浪拍击对海底光缆都会产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化。目前，使用 PMD 记录仪现场测量，已经可以观测到量级为几个毫秒的快速起伏变化。因此，用于 PMD 补偿的动态偏振控制器的响应时间必需小于 1ms。在实际应用中，动态偏振控制器的响应时间要求小于 100s 。2 )启动损耗，它量度了启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值。由于所有偏振相关损害的补偿机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的，所以，控制器启动时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误，从而直接导致仪器的性能下降。另外，在使用偏振控制器

11、进行 PDL 测量的仪器中，启动损耗还会限制仪器测量的分辨率和准确度。类似的，偏振控制器自身的 PDL 也会使反馈信号产生错误，使补偿的软件、硬件设计变得非常复杂。3)宽工作带宽对密集波分复用( DWDM )系统来说是非常重要的。足够宽的工作带宽可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，这样不仅可以简化系统的设计，降低系5统成本，而且使系统带宽扩展成为可能。4)偏振控制器的无中断调节也是非常重要的一个特性。因为，在对光网络中，任何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断。 目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、

12、方位角可变的波片组成；还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敏感的，依靠机械旋转来调节波片的偏振控制器调节速度非常慢，除了这些固有的限制外，以上三种方法原则上都是可行的，但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性。 图 1 是一个典型的偏振控制器的结构图，它由三个可旋转的波片组成，一个 /2 （ HWP ）波片处于两个 /4 （ QWP ）波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。第一个 /4 波片的作用是将任意输入偏振光转变为线偏振光，然后 /2 波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏振方向，于是第二个 /4 波片就能将该偏

13、振光转变为任何希望得到的输出偏振态。在这种实现方法中，波片的延迟是固定的，但波片的相对角度是可变的。虽然，这种方法应用在商用化的产品中已经颇见成效，但这项技术毕竟存在很多缺点。首先，光线的准直、对轴、聚焦不仅费时，而且耗费众多劳力。其次，波片、微透镜等元件都价格不菲，并且需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射。再次，由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出，然后再将其聚焦进入另一根光纤，以至于插入损耗大。而且，波片本身就对波长敏感（任何分数波片的确定都是针对某个固定波长的） ，从而使得此种偏振控制器也对波长敏感。最后，使用电动机或其它机械器件旋转波片，都会限制偏振控制器的控制速度。3、起偏与检偏

14、 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。本实验用到的是晶体起偏器。将偏振片用于检偏时称为检偏器。 按照马吕斯定律，强度为 I0 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 ，式中 为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线6传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度 I 将发生周期性变化。当= 时，透射光强度最大；当= 时，透射光强度最小（消光状态） ；当 时，透射光强度介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。 1）偏振态不变的情形（1）自然光通过波晶片，仍为自然光。（2）若入射光为线偏振光，则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为

15、原来的线偏振光。 2）/2 片与偏振光（1）若入射光为线偏振光，且与晶片光轴成角，则出射光仍为线偏振光，但与光轴成-角。即线偏振光经 /2 片电矢量振动方向转过了 2角。（2）若入射光为椭圆偏振光，则半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。 3）/4 片与偏振光（1）若入射为线偏振光，则出射光为椭圆（圆）偏振光。（2）若入射为圆偏振光，则出射光为线偏振光。（3）若入射为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光。对偏振光检验的方法如表一所示。 7表 一 偏振光的检验第一步令入射光通过偏振片 I，改变偏振片 I 的透振方向 Pl，观察透射光强度的变化观察到的现

16、象有消光强度无变化强度有变化，但无消光结 论线偏振自然光或圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光第二步a令入射光依次通过 4 片和偏振片，改变偏振片的透振方向 P2，观察透射光的强度变化。b同 a， 只 是 4 片的光轴方向必须与第一步中偏振片I 产生的 强度极大或极小的透振方向重合。观察到的现象有消光 无消光有消光 无消光结 论圆偏振光 自然光椭圆偏振光 部分偏振光 表中区分部分偏振光和椭圆偏振光，自然光和圆偏振光的方法是根据部分偏振光、自然光经波晶片分解的两个垂直振动 Eo 和 Ee 之间无固定位相差，而椭圆偏振光和圆偏振光分解的两个互相垂直振动之间有固定位相差的差别，利用表中第二步将它们区分开的

17、。五、注意事项五、注意事项1、不要用肉眼直视激光器输出光，防止造成伤害。2、不要折弯光纤，防止造成系统不能正常工作。六、实验步骤六、实验步骤1、光纤端面处理实验：、光纤端面处理实验：对于较细光纤，用光纤切割刀将光纤端部切掉一小截，然后用剥皮钳剥掉光纤断面2cm 长的涂覆层。对于较粗光纤，直接切点光纤端部一小截，然后将端面在绒布上打磨直至平整。2、激光器输出光特性试验、激光器输出光特性试验半导体激光器接通电源，激光器输出光斑（注意千万不要将激光器输出光斑对着人的（注意千万不要将激光器输出光斑对着人的眼睛）眼睛） ，观察不同距离光斑的大小。调节半导体激光器前端透镜固定螺环，观察光斑变化。3、光纤偏

18、振控制器制作实验、光纤偏振控制器制作实验 偏振控制器能将输入的任何一种偏振态（椭圆偏振，圆偏振，线偏振）转变成任意指定的偏振态输出。光纤偏振控制器一般由两个控制元件构成，这是因为偏振态的自由度是2，即椭圆度和方位角。 一：利用波片组合（延迟量固定但其方位角可变波片组成的偏振控制器一自由波片结构）控制偏振态1）通常认为 1/4 波片能够把任何状态偏振光（线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光）转化为线性偏振光或相反，而半波片则能实现任意两个偏振态间的转换，所以它们之间的组合可以实现偏振控制。注：1/4 波片能够把任何状态偏振光（线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光）转化为线性偏振光的前提条件是：1/4 波片的

19、光轴要与椭圆主轴（包括长轴 x 和短轴 y ）平行。82）部分偏振光和自然光的两个分量是不相干的，不能合成一个矢量。部分偏振光的两个分量振幅大小是不等的；而自然光是相等的。二： 光纤打圈等效波片形式利用弯曲光纤引入应力线性双折射，通过控制光纤弯曲半径及弯曲圈数制成在线单模光纤 1/4 波片和 1/2 波片。主轴方向可以改变的两个 1/4 波片和一片 1/2 波片便可构成一个偏振控制器。第一个 1/4 波片将光纤中传播的椭圆偏振态变成线性偏振态。1/4 波片将此线性偏振态旋转至所需要的方向。最后一个 1/4 波片将 1/2 波片输出的线偏态变成所需的椭圆偏振态。这样，偏振控制器就能实现任意两个偏振态之间的转化。换句话讲：无论光纤端口处输入任何偏振态都可以通过调节偏振控制器，在输出端得到任意所需要的偏振态（即：可以实现任意确定输入偏振态到任意确定输出偏振态的转换） 。三：根据上述原理，绕制光纤偏振控制器。偏振控制器正视图 取下橡皮限位器 A, B 和 C。拧紧螺丝 1, 2, 3 和 4。松螺丝 5 和 6。处理一段至少 1 米长的单模光纤(不能扭曲)。把光纤的一端放在 5 处槽内,拧紧