专利名称：光时域退偏器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种实现光纤通信系统中光信号时域退偏的装置。
技术背景光退偏器普遍应用于长途高速光纤通信系统和光测量系统中。通常将光退偏器设计成将完全偏振光束和部分偏振光束转变成退偏振光束。在长途高速光通信系统中，由于宽带掺铒光纤放大器(EDFA)的广泛使用，当其级联数目达到几百个的时候，就会由于偏振相关增益(PDG)的作用使某些偏振态的光增益达到饱和而产生偏振烧孔(PHB)效应，Raman放大器的增益域内泵浦光的偏振方向相关等。在测试仪表制造中，为消除一些光学元件(如反射镜、光栅、棱镜、光探测器等)的偏振相关性而产生的偏振相关损耗(PDL)，也需要对光信号进行退偏。
现有的光退偏器从原理上可以分为空域退偏、频域退偏和时域退偏三大类。
光空域退偏通过采用加工成有一定的楔角双折射晶体或旋光晶体晶体，使光通过晶体后在不同位置相位差不同或旋转角不同，从而使输出光达到空间上的偏振态平均来实现退偏。这种结构退偏效果较差，所以只能满足对退偏效果要求不高的探测器前减小其偏振相关性等场合。
光频域退偏器包括Lyot退偏器，光纤环等，这种结构要求输入光必须有一定的光谱宽度。这种结构退偏效果中等，一般用于Raman Pump激光器退偏，光纤陀螺中光源退偏等。
光时域退偏器则是通过对输入光的偏振态快速调制，使输出光的SOP随时间快速变化，使得在一定时间内平均下来各种偏振态的出现概率相同来达到退偏效果。这种结构可以对单色光退偏，其退偏效果最好，多用于高速系统中光信号的退偏。从实现方法上分有电调方式和机械方式，从原理上分有相位调制和光轴旋转调制。其中主要有下面几种方式1、使用Z-cut或X-cut的LN波导，当加上调制电压后，相当于一个相位或光轴方向可变的波片，使输出光偏振态变化。2、先对输入光进行偏振分光，对其中一路进行调制，合波后输出，其原理与调节波片相位一样。3、旋转波片。4、使用压电陶瓷控制光纤(或保偏光纤)的双折射等。
以上光时域退偏结构实质上均是通过改变等效波片的相位或光轴方向来实现光信号的时域退偏。其中，较为典型的高速退偏结构是Fred Heismann在文章“CompactElectro-Optic Polarization Scramblers for Optically Amplified Lightwave Systems”(J.Lightwave Technol.，vol.14，pp.1801-1813，1996)中介绍的一种利用两个1/2波片和一个1/4波片结构组成的时域退偏结构。如图3所示，该结构通过选择特定的波片转速来实现较好的退偏效果。但如图5所示，该结构的最小退偏周期仍然是结构中波片的最低转速的1.5倍。可见，虽然选择特定的波片转速不失为一条提高退偏器性能的捷径，但为了进一步优化退偏器的退偏性能，还是需要从选择特定的波片组合方式和旋转方式两方面综合进行考虑。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种改进的光时域退偏器，应用在光纤通信系统中，将传输偏振光信号转变成退偏振光信号，它利用低速器件级联实现光信号的高速退偏，高效去除偏振相关损耗、偏振相关增益等偏振效应的影响，有利于降低成本和制造难度。
本实用新型的技术方案是一种光时域退偏器，其特征在于包括两个1/2波片阵列与一个1/4波片，1/4波片放在两1/2波片阵列之间，其两侧紧相邻的两个1/2波片旋转方向相反，每个1/2波片旋转速率相等但相邻波片转向相反，1/4波片旋转速率是1/2波片速率的两倍，所有波片在旋转过程中波片的晶轴始终与入射光线垂直。
如上所述的光时域退偏器，其特征在于两个1/2波片阵列具有相同的波片数目。
如上所述的光时域退偏器，其特征在于1/2波片阵列的波片数目为3～7片。
如上所述的光时域退偏器，其特征在于第二个1/2波片阵列可以用光路换向器和第一个1/2波片阵列替代。
如上所述的光时域退偏器，其特征在于光路换向器为180度换向的反射镜或棱镜。
本实用新型的原理是采用两个1/2波片阵列与一个1/4波片组合实现光信号的时域退偏。本实用新型结构有两个关键部分由旋转速率相等但相邻波片转向相反的多个1/2波片组成的阵列，以及由这样两个阵列与一个1/4波片组合而成的光时域退偏结构。其中，1/4波片放在两1/2波片阵列之间，其两侧紧相邻的两个1/2波片旋转方向相反，且1/4波片旋转速率是每个1/2波片速率的两倍，但其转向可任选。并且，所有波片在旋转过程中波片的晶轴始终与入射光线垂直。此外，为优化退偏效果，两个1/2波片阵列可选择相同的波片数目，并且阵列中的波片数目可根据器件设计要求在≥2中选择，考虑到效果、成本和制造因素，一般波片数目在3～7片之间选择即可满足各种使用要求。
本实用新型所涉及的实用新型结构可根据退偏器制造材料的不同而选择不同的实现方式。例如，当采用波导材料实现时，因为基本无需考虑波片增减所带来的材料成本问题，可直接采用1/2波片阵列与一个1/4波片组合的方式；而当采用晶体材料(如双折射晶体、电光晶体或磁光晶体)实现时，为了节约材料，可在光路中通过第一个1/2波片阵列和1/4波片后加入一对正交放置的全反射镜，两正交全反射镜的镜面方向均与光线传输方向成45°，使光信号再重新反向通过第一个1/2波片阵列。这可以实现同样的退偏效果。
使用本实用新型涉及的时域退偏器的优点在于1.采用低速器件级联实现系统中的偏振光信号的高速退偏，退偏后光信号的偏振度控制在4％以下。因此可高效去除偏振相关损耗、偏振相关增益等偏振效应的影响。
2.本退偏结构退偏效果与光信号的谱宽无关，且因为可利用低速器件级联实现光信号的高速退偏，有利于降低成本和制造难度。
图1是本实用新型的光时域退偏器的第一种具体实现方式。
图2是本实用新型的光时域退偏器的第二种具体实现方式。
图3是传统的光时域退偏器的一种具体实现方式。
图4是图1所示结构的退偏效果图。
图5是图3所示的传统时域退偏器的退偏效果。
具体实施方式
为实现本实用新型的目的，我们提供了实现这种目的的方法及其实现装置。
以下结合附图和实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式
和工作原理设DWDM系统中某通道输入偏振光的Stokes形式为Sin(β,θ)=S0S1S2S3=1cos(2β)cos(2θ)cos(2β)sin(2θ)sin(2β)]]>其中，θ为椭圆偏振光的方位角，即椭圆偏振光在Poincere球上与S1S2平面的夹角，且-π/2≤θ≤π/2；β为椭圆率角，-π/4≤β≤π/4。从时域上来说，因为光信号的偏振度(DOP)实际上指的是一段具体时间内光信号三个stokes分量能量在进行时间平均后归一化平方和的方均根，即DOP可以表示为DOP=[∫0TS1(t)dt]2+[∫0TS2(t)dt]2+[∫0TS3(t)dt]2/[∫0TS0(t)dt].]]>根据上述公式可知，光时域高速退偏器时域退偏的原理就是使光信号的三个Stokes分量在一定的积分周期T内积分为0。即
∫0TS1(t)dt=∫0TS2(t)dt=∫0TS3(t)dt=0]]>当然，如果我们通过采用一定的退偏结构，使得光信号在我们预先选择的积分周期之内有n个偏振度极低的点，这些点将原来选择的退偏周期又分成n-1个退偏子周期，这样就可以通过选择更小的退偏周期来实现退偏加速。也就是说，与传统的退偏结构相比，在这种特定的退偏结构中就可以用更低速器件来得到同样的退偏性能。
此外，因为Stokes空间内的任意偏振态均可以表示为三个基本偏振态，即0°线偏振态(1，1，0，0)T、45°线偏振态(1，0，1，0)T和圆偏振态(1，0，0，1)T的线性叠加，所以只要这三个基本偏振态的DOP值小于设计要求，就可以保证任意偏振态均能得到有效退偏。
以下结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式
和工作原理图1是本实用新型涉及的光时域退偏器的一种具体实现方式。可通过多个1/2波片组成的阵列与一个1/4波片组合实现光信号的时域退偏。其中，1/2波片可改变偏振光在Poincere球上的方位角θ，而1/4波片可将圆偏振光转换为线振偏光。而且，采用多个1/2波片级联可加速对方位角θ的旋转。设所有1/2波片的晶轴旋转速率(即θ的变化速率)均为v，每两个相邻波片的转动方向相反(“⊙”表示转向垂直纸面向内，“”表示转向垂直纸面向外)。1/4波片的转向任意，但转速是每个1/2波片转速的两倍。所有波片在旋转过程中波片的晶轴始终与入射光线垂直。
图2是本实用新型涉及的光时域退偏器的第二种具体实现方式。与图1相比，该结构中多了一对正交反射镜，两正交全反射镜的镜面方向均与光线传输方向成45°。通过这对正交反射镜改变光信号的传播方向，图1所示结构中1/4波片前后所经历的两个1/2波片阵列可采用同一个1/2波片阵列完成。
图3是传统的光时域退偏器的一种具体实现方式。其中，光信号进入该退偏器先后通过的三个波片的转向相同，但转速分别为10v/3，3v/2和v。
图4是当图1所示结构(也即图2所示结构，因为图1和图2光路等效)中每个1/2波片阵列均由5个1/2波片组成时，该退偏器的退偏效果图。其中，图4(a)是当图1所示结构中1/4波片转向与其左侧相邻1/2波片转向相同时的退偏效果；图4(b)是当图1所示结构中1/4波片转向与其右侧相邻1/2波片转向相同时的退偏效果。一方面，图1所示结构的退偏周期远小于设计周期，即可采用更低速器件来得到同样的退偏性能；另一方面，对比图4(a)、(b)可知，1/4波片的转向对整个结构的退偏效果影响很小。
图5是图3所示的传统时域退偏器的退偏效果。如图5所示，该结构的最小退偏周期仍然是其设计周期的1.5倍。
本实用新型涉及光学机构的一种改进。通过本实用新型我们可以实现偏振光信号的时域退偏，并且退偏效果与光信号的谱宽无关。虽然本实用新型所涉及的退偏结构中器件数量较传统的时域退偏结构略多，但相比其数十倍的退偏速率提升而言，采用更低速的器件就可以实现与传统时域退偏结构相同的退偏效果，这样不但可以降低制造成本，而且可以提高退偏器的使用寿命。
根据上面的描述，使本领域普通技术人员能制造和使用本实用新型，对本领域技术人员而言，本实用新型的多种变型是显而易见的，并且可以将此处的普遍原理应用于其它实施例。因此，本实用新型并不限于所示实施例，而与符合此处所述原理和特征的最宽范围相一致。
权利要求1.光时域退偏器，其特征在于包括两个1/2波片阵列与一个1/4波片，1/4波片放在两1/2波片阵列之间，其两侧紧相邻的两个1/2波片旋转方向相反，每个1/2波片旋转速率相等但相邻波片转向相反，1/4波片旋转速率是1/2波片速率的两倍，所有波片在旋转过程中波片的晶轴始终与入射光线垂直。
2.如权利要求1所述的光时域退偏器，其特征在于两个1/2波片阵列具有相同的波片数目。
3.如权利要求2所述的光时域退偏器，其特征在于1/2波片阵列的波片数目为3～7片。
4.如权利要求1或3所述的光时域退偏器，其特征在于第二个1/2波片阵列用光路换向器和第一个1/2波片阵列替代。
5.如权利要求4所述的光时域退偏器，其特征在于光路换向器为180度换向的反射镜或棱镜。
专利摘要光时域退偏器，应用在光纤通信系统中，将传输偏振光信号转变成退偏振光信号，其特征在于包括两个1/2波片阵列与一个1/4波片，1/4波片放在两1/2波片阵列之间，其两侧紧相邻的两个1/2波片旋转方向相反，每个1/2波片旋转速率相等但相邻波片转向相反，1/4波片旋转速率是1/2波片速率的两倍，所有波片在旋转过程中波片的晶轴始终与入射光线垂直。优点是采用低速器件级联高效去除偏振相关损耗、偏振相关增益等偏振效应的影响，有利于降低成本和制造难度。
文档编号H04B10/12GK2766258SQ20042005780
公开日2006年3月22日 申请日期2004年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者张璐, 胡强高, 许远忠, 刘 文, 罗勇, 肖远 申请人:武汉光迅科技有限责任公司