光矢量分析儀測量法拉第旋光鏡的偏轉(zhuǎn)角度

武漢東隆科技有限公司 2022-07-05 15:02:03 376  瀏覽

• 背景

  法拉第旋光鏡（FRM）是利用法拉第效應(yīng)，將輸入的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°后再輸出的無源器件，其由法拉第旋轉(zhuǎn)器和和反射鏡組成。輸入光經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器，將光的偏振態(tài)方向旋轉(zhuǎn)45°后經(jīng)過反射鏡反射回來，光再次通過法拉第旋轉(zhuǎn)器將光旋轉(zhuǎn)45°，這樣輸出光的偏振態(tài)就旋轉(zhuǎn)了90°。
  
  通常法拉第旋光鏡在光路中的作用為保證光的偏振模色散不變，其在光纖干涉儀中的作用尤其明顯。如在邁克爾遜干涉儀中，使用法拉第旋光鏡可以保證干涉儀中兩臂的偏振模色散不變，使干涉儀的干涉效果得到保證。
  
  然而法拉第旋光鏡對(duì)不同波長光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)角度并不完全一樣，而且在制造過程中還會(huì)有不良器件導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)角度誤差，這就使得其應(yīng)用到光鏈路中會(huì)造成系統(tǒng)誤差。本文中使用光矢量分析系統(tǒng)（OCI-V）來測量法拉第旋光鏡的旋轉(zhuǎn)角度，輕松甄別由法拉第旋光鏡的偏差角度。

  
  

  偏轉(zhuǎn)角度測試方案

  雖然使用OCI-V不能直接測試出法拉第旋光鏡（FRM）的偏差角度，但可以利用其能測試出鏈路中整體的偏振模色散（PMD）的方法間接測試出FRM的偏差角度。為此設(shè)計(jì)以下光路來進(jìn)行測試，測試光路圖如圖1所示。

  圖1a中的鏈路中保偏光纖的長度為9.288m，使用OCI-V透射式功能測試保偏光纖的PMD。鏈路中的總瓊斯矩陣為：

  （1）

  
  

  公式中ω為光頻率，τPM 為光通過保偏光纖快慢軸的時(shí)延。

  
  

  此時(shí)整個(gè)鏈路的PMD為：

  （2）

  圖1b鏈路中保偏光纖的長度為9.288m，法蘭對(duì)接上1.0645m的保偏光纖接一個(gè)法拉第旋光鏡，保偏光纖總長度為10.3525m，使用反射式測量鏈路PMD，則測試保偏光纖總長度為20.705m。FRM對(duì)輸入光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，光沿原路返回時(shí)PMD會(huì)直接抵消，但當(dāng)FRM的旋轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)偏差時(shí)，此時(shí)OCI-V測出整個(gè)鏈路的PMD實(shí)際是由于旋轉(zhuǎn)角誤差帶來的PMD。

  
  

  當(dāng)FRM旋轉(zhuǎn)角誤差角度為ε時(shí)，鏈路中總的瓊斯矩陣為：

  （3）

  JPM 和JFRM 的元素矩陣為：

  （4）

  
  

  （5）

  公式中ω為光頻率，τPM 光單向通過保偏光纖快慢軸的時(shí)延。

  
  

  所以總瓊斯矩陣JTOT 為：

  （6）

  此時(shí)整個(gè)鏈路的PMD為：

  （7）

  使用OCI-V分別測試出兩個(gè)鏈路的PMD，由于測試的保偏光纖長度不一致，需將兩個(gè)鏈路測試保偏光纖長度的比值計(jì)算進(jìn)公式，利用公式（2）和（7）的關(guān)系可求出偏差角ε為：

  （8）

  測試結(jié)果

  使用OCI-V對(duì)圖1a中的整個(gè)鏈路進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示，可以看出直接測試9.288m長的保偏光纖PMD平均值在13ps附近，且隨著波長的增加PMD有微微增大的趨勢，這是由于保偏光纖對(duì)不同波長的光群折射率不同的原因，保偏光纖的偏振模色散大約為1.4ps/m，測試結(jié)果符合理論值。

  圖2. 測試光路圖PMD

  
  

  使用OCI-V對(duì)圖1b中的整個(gè)鏈路進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示，可以看出，保偏光纖接法拉第旋光鏡測出的PMD值要小很多，波長在1528~1600nm波段的PMD在0~3.5ps之間，這是由于FRM消除鏈路中偏振態(tài)的原因，波長在1550附近有最小的PMD，當(dāng)波長超出1600nm后PMD出現(xiàn)震蕩，這是由于法拉第旋光鏡的工作帶寬不足以及1600nm波長后偏差角過大導(dǎo)致。

  圖3. 保偏光纖接法拉第旋光鏡的PMD

  使用公式8計(jì)算出法拉第旋光鏡的偏差角度如下圖所示，F(xiàn)RM在1528~1600nm波長段的偏差角度在0°~ 7°之間，1550nm波長附近偏差角最小，1600nm波長以后的偏差角過大，不進(jìn)行討論。從公式8可以看出，F(xiàn)RM的偏差角取決于兩次測量的PMD值，由于OCI-V系統(tǒng)測試PMD有誤差，可以通過加長保偏光纖的長度來增加鏈路的PMD，這樣可以盡量消除系統(tǒng)帶來的誤差。OCI-V測試PMD的精度為±0.1ps，換算為測試偏差角精度為±0.12°。

  
  

  圖4. 法拉第旋光鏡偏差角度

  結(jié)論

  使用OCI-V測試偏振模色散的方法可以計(jì)算出法拉第旋光鏡的偏差角度，其計(jì)算FRM偏差角度的精度可達(dá)±0.12°，這種方法能十分快速精準(zhǔn)地評(píng)估FRM的質(zhì)量。當(dāng)然使用這種方法也能評(píng)估帶有FRM的光纖系統(tǒng)，是否因FRM偏差角而帶來的PMD，如邁克爾遜干涉儀、環(huán)形激光器、光調(diào)制器等光學(xué)系統(tǒng)，并為這些系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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