零温度系数光学波片与偏振态变换器 技术领域 本发明属于电子学与信息系统中之敏感电子学与传感器领域， 以及电工学科之高 电压与大电流测量领域， 具体涉及具有零温度系数的各种光学波片， 特别是光纤波片， 这类 波片适用于需要对光的偏振态进行分析与控制的各种光学系统， 比如各种光纤传感器， 各 种全光纤式光学或光电测量系统等。 在这样的光学或光电系统中， 这种光学波片， 比如可用 作其中的光偏振态变换器， 光偏振面旋转器， 光隔离器， 分光可变的分光器， 光衰减器， 光开 关等。
背景技术
波片广泛应用于需要对光的偏振态进行分析与控制的各种光学系统， 比如各种光 纤传感器， 各种光学或光电测量系统等。 在这样的光学或光电系统中， 波片可用作其中的光 偏振态变换器， 光偏振面旋转器， 光隔离器， 分光可变的分光器， 光衰减器， 光开关等 [1]， 还 可在传输光子偏振态信息的卫星光量子通信中， 跟踪光子偏振态， 实现量子密钥编码 [2]。
传统的块状媒质波片， 制作时控制波片尺寸与光轴方向困难， 使用时与光纤、 集成 光波导器件的耦合困难， 不便于在日益盛行的纤维光学系统中采用， 为此开发出了光纤波 片。
光纤波片可由一段合适长度的高线双折射光纤 ( 简称 HiBi 光纤 ) 制成， 也可由一 段合适长度的高圆双折射光纤制成。前者见文献 [3]、 [4]、 [5]， 以及有关光纤电流 / 电压 传感器的国内外专利， 如中国专利 01801947.1、 01101389.3、 01812641.3、 03825967.2( 申 请 号 )、 200510076617.2( 申 请 号 )、 200810056486.5( 申 请 号 ) 等， 美 国 专 利 5953121、 6628869B2、 6636321B2、 6734657B2、 7046867B2、 7075286B2、 7339680B2、 5644397、 5987195、 6023331 、 6122415 、 6122425 、 6166816 、 6188811B1 、 6307632B1 、 6356351B1 、 7038786B2 、 6281672B1、 6831749B2、 7102757B2 等 ； 后者见中国专利 01112680.9、 80107389( 申请号 )、 91107430.9( 申请号 )、 200710111969.6( 申请号 )， 美国专利 4943132、 5096312、 7206468、 8810789 等。
以 HiBi 光纤波片为例。设 HiBi 光纤慢轴、 快轴折射率差为 An， 则偏振方向分别 平行于光纤快轴、 慢轴的两束光传播单位长度后， 慢轴方向光滞后于快轴方向光的相位差 ( 以下称为相位延迟 (retardation))， 即这种光纤的双折射 δ 为 ：
式中 λ0 是光波在真空中的波长。定义为该光纤对于真空中波长为 λ0 的光波的拍长 ( 简称拍长 )， 则光掠过长度为 L 的 这种光纤后， 相位延迟 φ(L) 为 ：
图 1 是 HiBi 光纤的偏振态转换功能与光纤长度的关系。由 (1) 式与图 1 可知， 截 取一段长度为 L、 拍长为 LB 的 HiBi 光纤， 就是一种相位差为 φ(L) ＝ 2πL/LB 的光纤波片。 现有光纤波片正是这样制成的， 所以图 1 也是现有光纤波片的结构。显然这样制作的光纤 波片， 不存在制作时块状波片碰到的光轴方向对准、 波片厚度精确加工的困难。
光纤波片除了可用一段线双折射光纤制作外， 也可用一段圆双折射光纤制成。中 国专利 80207389、 91107430、 CN01112680， 美国专利 4943132、 5096312、 7206468、 8810789 中 申请保护的或采用的就是具有特殊功能的圆双折射光纤波片。
由于光纤波片只是一段高双折射光纤， 所以它易于与光纤、 集成光波导器件耦合， 能广泛应用于各种先进的全光纤系统。图 2 所示的环路式 (Loop version)Sagnac 干涉仪 型光纤电流传感器 [5]， [6] 与图 3 所示的反射式 (In-line version)[3]， [6]Sagnac 干涉 仪型光纤电流传感器， 是采用光纤波片作为关键光学元件的典型光学系统。
两图中， 60 是光源， 61、 62 是光纤耦合器， 63 是光纤型起偏器， 64 是相位调制器， 65 是光电二极管， 66 是信号处理电路， 2、 3 是保偏型传输光纤， 4、 5 是对这两种光学系统的的 工作原理起关键作用的一种特殊光纤波片 ( 详细说明见后 )， S 是输送被测电流的导体， 1是 传感光纤圈， 3′是光反射器。 这两种光纤电流传感器中， 传感光纤圈以外的光路传输的是幅度相等、 偏振方向 互相垂直的两种线偏光 ； 每种线偏光进入传感光纤圈前又被转变为幅度相等、 旋转方向相 反的两种圆偏光。由于被测电流产生的磁场使得光纤中的电子磁矩产生围绕磁场旋转的 进动， 旋转方向只能在拇指指向磁场方向的右手螺旋法则规定的方向上， 这就使得旋转方 向与电子进动方向相同或相反的圆偏光产生幅度不同的频率移动， 从而导致两种圆偏光之 间的相位差。圆偏光返回传输光路转变为偏振方向互相垂直的两种线偏光后， 圆偏光的相 位差转换为线偏光的相位差， 于是对电流磁场的测量问题就转变为对线偏光相位的测量问 题， 可用成熟的光纤干涉仪技术实现。又由于线偏光相位便于用电压调制型光波导相位调 制器予以补偿， 因此这种光纤电流传感器容易实现闭环运行， 有利于提高系统的稳定性与 测量精度。
这种光纤电流传感器的这些优点， 都得益于光偏振特性的线 - 圆 - 线转换， 所以完 美实现这种转换是这种光纤电流传感器的关键技术。 实现这种关键技术的正是光纤波片中 的一种 - 四分之一波长光纤波片 ( 简称 λ/4 光纤波片或 λ/4 波片 )。光纤波片在现代光 学系统中的作用， 由此可见一斑。
光纤波片虽然有上述优点与作用， 但也存在一个致命弱点， 那就是这种波片的双 折射不是天然形成的， 而是人为地在光纤截面的两个互相垂直的方向上强加不同的机械应 力产生的。 由于机械应力对温度敏感， 因此光纤波片的双折射也对温度敏感， 这就使得光纤 波片的关键参数一拍长， 从而也就是延迟相位 φ 对温度敏感。多数光纤波片的延迟相位 的温度系数为负， 但也有延迟相位的温度系数为正的光纤波片， 比如， 文献 [3] 与美国专利 5987195 介绍的一种拍长很长的椭圆芯光纤波片的延迟相位的相对温度系数为 0.1％ /℃， 温度变化 100℃时， 这种光纤制成的 λ/4 光纤波片的延迟相位将变化 10％以上， 这将对采 用光纤波片的光学相同的性能产生严重的影响。
以 Sagnac 干涉仪型光纤电流传感器为例， λ/4 波片延迟相位的温度特性， 是影响 这种传感器性能稳定性的两大因素之一 ( 另一因素是传感头光纤的 Verdet 常数， 见美国专
利 7425820)， 这由前面介绍的这种光纤传感器的工作原理即可看出。
后面的分析还将表明， λ/4 波片延迟相位随温度变化不仅使系统输出与被测信 号之间的比例系数 S( 即系统的测量效率 ) 下降， 使 S 的线性度恶化， 还将带来干扰噪声。 Verdet 常数随温度变化则既不使 S 的线性度恶化， 也不带来干扰噪声， 只是使比例系数 S 下 降。所以影响系统性能稳定性的两大因素中， λ/4 波片延迟相位变化造成的影响更严重。
λ/4 波片的延迟相位 φ ＝ 90°时， 来自传输光纤的 X、 Y 方向的线偏光， 通过光轴 方向与传输光纤光轴方向成 45°夹角、 延迟相位 φ ＝ 90°的 λ/4 波片， 分别转变为右、 左 圆偏光， 再进、 出传感光纤圈返回传输光纤后， 仍是 X、 Y 方向 ( 环路式， 见图 2(b)) 或 Y、 X方 向 ( 反射式， 见图 3(b)) 的线偏光， 只是两者的相位差产生了与被测电流磁场有关的变化。
λ/4 波片的延迟相位受温度变化的影响偏离 90°时， 情况与 φ ＝ 90°时不同。 来 自传输光路的 X 方向的线偏光， 通过光轴方向与传输光纤光轴方向成 45°夹角、 φ ≠ 90° 的这种不完美的 λ/4 波片进入传感光纤圈后， 不再只转换为一束右圆偏光， 而是转换为一 束幅度大的右圆偏光 RX 与一束幅度小的左圆偏光 LXS ； 经 λ/4 波片返回传输光路后， 对反 射式而言， 不再只转换为一束 Y 方向的线偏光， 而是 4 束 X、 Y 方向的线偏光 ： 两束幅度、 相 位不同的 Y 方向线偏光 YR( 来自 RX) 与 YSL( 来自 LXS)， 两束幅度、 相位不同的 X 方向线偏光 XSR( 来自 RX) 与 XSSL( 来自 LXS)， 如图 3(c) 所示。同样， Y 方向的线偏光返回后也不再只转 换成一束 X 方向的线偏光， 而是两束幅度、 相位不同的 X 方向线偏光 XL 与 XSSR， 与两束幅度、 相位不同的 Y 方向线偏光 YSL 与 YSSR。这 8 束返回光中， 只有 XL 光与 YR 光干涉后的信息是 我们需要的被测电流信息， 另外的 6 束光要么引起测量误差， 要么以干扰噪声的方式增加 输出光的直流电平 ( 见美国专利 5987195， 7038786)。不仅如此， 这 6 束光还占用了 XL 光 与 YR 光的能量， 降低了它们的干涉效率， 从而降低了光电器件检测到的干涉信号的可见度 (Visibility， 或称对比度、 反衬度 )， 使系统检测小信号的能力下降。关于 λ/4 波片的延 迟相位偏离 90°对这种传感器测量误差影响的定量分析， 详见文献 [3]、 [5] 以及美国专利 5987195， 略。
对环路式的分析与反射式相同， 只须将返回线偏光的 X、 Y 方向互换即可。
采用 λ/4 波片的其它光学系统还有图 4、 图 5 所示的光纤 - 块状媒质混合光路电 压传感器与块状光学媒质电压传感器等。在这两图中， λ/4 波片的作用都是产生 90°的附 加偏置相位， 以使系统工作在灵敏度最高的线性段。
由上面的分析可知， 在环境温度变化的条件下， 保持波片的延迟相位为设定的理 想值， 对提高有关光电系统的性能有重要意义。 现有解决这种问题的方法， 都不能保持波片 的延迟相位不受温度变化的影响， 而是在延迟相位已偏离理想值的前提下， 即干涉信号的 可见度已下降， 系统检测小信号的能力已随之下降的情况下， 补偿延迟相位改变带来的测 量误差， 使测量准确度不受温度变化的影响。
以 Sagnac 干涉仪型光纤电流传感器为例， 现有的补偿 λ/4 延迟相位改变带来的 测量误差的方法， 有以下三种 ：
(1). 利用输出光的直流电平与 λ/4 波片延迟相位偏离 90°的偏离值 ε 有关的 特点， 由检测到的输出光的直流电平确定 ε， 再由分析出的 ε 与测量误差的关系修正测量 结果。详见 1998 年发表的文献 [3]、 [5] 以及 1999 年公开的美国专利 5987195 ； 2005 申请 的中国专利 200510076617.2( 申请号 )、 2008 年申请的中国专利 200810056486.5( 申请号 )采用的也是这种方法。
(2). 用温度传感器监测 λ/4 波片与传感光纤圈的温度， 由 λ/4 波片延迟相位的 温度系数确定 ε， 由传感光纤圈 Verdet 常数的温度系数确定实际的 Verdet 常数值， 由测量 误差与 ε 及 Verdet 常数的关系修正测量结果。详见美国专利 7425820。
(3). 利用 Verdet 常数的温度系数为正 (0.7×10-4/℃ )、 λ/4 波片延迟相位的温 度系数为负 ( 比如对某种椭圆芯 HiBi 光纤该温度系数为 -2.2×10-4/℃ ) 的特点。这种特 点使得温度增加时， 系统输出与被测信号之间的比例系数 S 将随 Verdet 常数的变化而增 加， 随 λ/4 波片延迟相位的变化而减少。室温下使 λ/4 波片延迟相位的偏离值 ε 为某一 优化值 ε0， 在规定的温度变化范围内， Verdet 常数变化与 λ/4 波片 ε 变化的互补结果， 就能使测量误差在允许的误差范围之内。这种方法详见文献 [5]， 美国专利 6734657， 中国 专利 01101389.3。
另外还有一种补偿 λ/4 波片延迟相位随温度变化造成的测量误差的方法， 那就 是利用光纤波片延迟相位与波长有关 ( 色散特性 ) 的特点， 通过改变光源的中心波长来减 少波片延迟相位随温度变化的幅度。改变光源波长又有两种方法 ： 利用光源的中心波长与 温度有关的特点， 通过改变光源所在处的环境温度来改变波长 ； 利用光波滤波器改变宽带 光源的工作波长。这种方法只能在很小的温度变化范围内补偿 λ/4 波片延迟相位变化造 成的误差， 实施起来也不方便， 不予置评， 此处只对前三种方法作进一步评述。 前两种方法任由波片的延迟相位随温度变化产生误差 ε， 任由系统因此而偏离最 佳工作状态， 任由比例系数 S( 见前 ) 偏离最佳值 Sopt 变为 Sε， 任由光路系统因此而产生附 加噪声， 然后修正 Sε， 消除 Sε 中因 ε 而产生的附加误差项以及非线性因子。后一种方法 甚至人为地使波片的延迟相位偏离理想值， 人为地使系统处于非最佳工作状态， 人为地增 加由此而产生的附加噪声。 所以这三种方法都以牺牲光纤波片具有理想延迟相位时获得的 最佳比例系数 Sopt 为代价， 都不能充分利用系统的最佳功能， 比如线性范围， 信噪比等。
由上面的说明可知， 迄今尚无一种延迟相位不受温度变化影响的光纤波片 ； 如果 光纤波片的延迟相位不受温度变化影响， 影响上述系统性能的两大因素之一就将被彻底排 除， 现有各种复杂的补偿波片延迟相位改变带来的测量误差的方法都没必要采用。因此应 寻求延迟相位不受温度变化影响的光纤波片。
参考专利
美 国 专 利： 5953121， 6628869B2， 6636321B2， 6734657B2， 7046867B2， 7075286B2， 7339680B2 ， 5644397 ， 5987195 ， 6023331 ， 6122425 ， 6166816 ， 6188811B1 ， 6307632B1 ， 6356351B1， 7038786B2， 6281672B1， 6831749B2， 7102757B2， 4943132， 5096312， 7206468， 8810789 ； 中国专利 ： 01801947.1， 01101389.3， 01812641.3， 01112680.9 ； 中国专利申请 ： 03825967.2， 200510076617.2， 200810056486.5， 80107389， 91107430.9， 200710111969.6。
参考文献
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[6].J.Blake ，P.Tantaswadi and R.T.de Carvalho ，In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor， IEEE Trans.Power Delivery， 1996， 11(1) ： 116-121. 发明内容 本发明的目的是消除温度变化对波片延迟相位的影响， 提高必须采用波片的的各 种系统 ( 比如各种光纤传感器， 各种光学或光电测量系统 ) 的灵敏度， 稳定性， 测量精度， 以 及线性工作范围等。
本发明的技术方案之一是提供各种延迟相位具有零温度系数的光纤波片， 包括 ： 一段长度为 L1 的一种 HiBi 光纤 HB1， 一段长度为 L2 的另一种 HiBi 光纤 HB2， 所述光纤段 HB1 与 HB2 以快轴方向互相垂直熔接成一段长度为 L1+L2 的光纤波片 FWP。
本发明的一种相位延迟 θ 的温度系数为零的光纤波片或光波偏振态变换器 ( 以 下统称 FWP)， 包括 ： 一段双折射光纤 HB1， 以及另一段双折射光纤 HB2 ； 所述 HB1 光纤段的长 度为 L1， 热膨胀系数为 KL1， 拍长为 LB1， 拍长的温度系数为 KB1 ； 所述 HB2 光纤段的长度为 L2， 热膨胀系数为 KL2， 拍长为 LB2， 拍长的温度系数为 KB2 ； 所述 HB2 的快轴垂直于所述 HB1 的快 轴熔接成一段长度为 L ＝ L1+L2 的 FWP， 所述 HB1 光纤段的长度 L1 与所述 HB2 光纤段的长度 L2 分别由以下公式确定 ：
式中， K1 ＝ KB1-KL1， K2 ＝ KB2-KL2。
本发明的一种相位延迟 θ 的温度系数为零的 FWP， 包括 ： 一段双折射光纤 HBp， 以 及另一段双折射光纤 HBn ； 所述 HBp 光纤段的长度为 Lp， 热膨胀系数为 KLp， 拍长为 LBp， 拍长 的温度系数为 KBp ≥ 0 ； 所述 HBn 光纤段的长度为 Ln， 热膨胀系数为 KLn， 拍长为 LBn， 拍长的温 度系数为 (-KBn) ＜ 0 ； HBn 的快轴平行于 HBp 的快轴熔接成一段长度为 L ＝ Lp+Ln 的 FWP， 所 述 HBp 光纤段的长度 Lp 与所述 HBn 光纤段的长度 Ln 分别由以下公式确定 ：
式中， Kp ＝ KBp-KLp， Kn ＝ KBn+KLn。
其中， 所述光纤段 HB1 的拍长为 LB1， 拍长的相对温度系数为 KB1， 热膨胀系数为 KL1， 对于偏振方向平行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 φ1 ；
其中， 所述光纤段 HB2 的拍长为 LB2， 拍长的相对温度系数为 KB2， 对于偏振方向平 行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 φ2。
其中， 所述光纤波片 FWP 对于偏振方向平行与垂直于它的入端光纤 ( 即所述光纤 段 HB1) 的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 θ 为 θ ＝ φ1-φ2。
本发明的技术方案之二是提供各种延迟相位具有零温度系数的光纤波片， 包括 ： 一段长度为 Lp 的一种 HiBi 光纤 HB1， 一段长度为 Ln 的另一种 HiBi 光纤 HB2， 所述光纤段 HB1 与 HB2 以快轴方向互相平行熔接成一段长度为 Lp+Ln 的光纤波片 FWP。
其中， 所述光纤段 HB1 的拍长为 LBp， 拍长的相对温度系数为 KBp ≥ 0， 热膨胀系 数为 KLp， 对于偏振方向平行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 φp ；
其中， 所述光纤段 HB2 的拍长为 LBn， 拍长的相对温度系数为 (-KBn) ＜ 0， 对于偏 振方向平行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 φn。
其中， 所述光纤波片 FWP 对于偏振方向平行与垂直于它的入端光纤 ( 即所述光纤 段 HB1) 的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 θ 为 θ ＝ φp+φn。
本发明的技术方案之三是提供各种延迟相位具有零温度系数的块状光学媒质波 片， 包括 ： 一段厚度为 L1 的一种双折射块状光学媒质 BC1， 一段厚度为 L2 的另一种双折射 块状光学媒质 BC2， 所述块状光学媒质 BC1 与 BC2 的异常光轴互相垂直， 并且都垂直于光波 传播方向 ； 它们的拍长定义与 HiBi 光纤相同， 即 LB ＝ λ0/Δn， 式中 λ0 是光波在真空中的 波长， Δn 是该块状光学媒质对于波长为的 λ0 的寻常光、 异常光的折射率之差。
其中， 所述块状光学媒质 BC1 的拍长为 LB1， 拍长的相对温度系数为 KB1， 热膨胀系 数为 KL1， 对于偏振方向平行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 Г1 ；
其中， 所述块状光学媒质 BC2 的拍长为 LB2， 拍长的相对温度系数为 KB2， 对于偏振 方向平行与垂直于它的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟为 Г2。
其中， 所述块状光学媒质波片 WP 对于偏振方向平行与垂直于它的入端光纤 ( 即所 述光纤段 HB1) 的快轴方向的两束线偏光产生的相对相位延迟 θ 为 θ ＝ Г1-Г2。
本发明的有益效果是 ：
(1) 依据本发明制作的波片， 可通过选择两种合适的 HiBi 来作为光纤段 HB1 与光 纤段 HB2， 或合适的块状光学媒质来作为 BC1 与 BC2， 使得光纤波片 FWP 或块状光学媒质波 片 WP 的相位延迟 θ 不受温度变化的影响， 从而提高必须采用波片的各种系统 ( 比如各种 光纤传感器， 各种光学或光电测量系统等 ) 的灵敏度， 稳定性， 测量精度以及线性工作范围 等重要性能指标。
(2) 依据本发明制作各种延迟相位的光纤波片时， 不存在制作时块状波片碰到的 光轴方向对准、 波片厚度精确加工的困难。
(3) 用本发明的光纤波片代替现有波片， 可省去现有系统中为补偿波片的延迟相 位改变带来的测量误差而采用的附加光路、 电路及相应的计算步骤， 简化了系统结构， 降低 了系统成本， 提高了系统的工作效率。附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图 1 是线偏振光通过不同长度的现有 HiBi 光纤波片 HB( 包括偏振态变换器 ) 后， 光波偏振态与波片长度的关系 ；
图 2(a)、 (b) 分别是 λ/4 光纤波片起关键作用的环路式 Sagnac 干涉仪型光纤电 流传感器的主要光路结构， 以及理想 λ/4 光纤波片时光路中偏振态转换示意图。
图 3(a)、 (b)、 (c) 分别是 λ/4 光纤波片起关键作用的反射式 Sagnac 干涉仪型光 纤电流传感器的主要光路结构， 以及理想、 非理性 λ/4 光纤波片时光路中偏振态转换示意 图。
图 4(a)、 (b)、 (c) 分别是 λ/4 波片在反射式光纤电压传感器以及光纤 - 块状媒 质混合型电压传感器中的应用。图中 ： 11 是光源， 12 是光耦合器， 13 是起偏器， 14、 16 是保 偏光纤， 15 是提供偏置与反馈相位的相位调制器， 17 是传感被测局部电压的电光效应传感 器， 18 是保偏光纤延迟线， 19 是 λ/4 光纤波片， 20 是光反射器， 21、 40、 41 是光电转换器， 22 是闭环信号处理器， 23 是积分器， 25 是法拉第旋转器， 26 是开环信号处理器， 29 代表光源发 出的非偏置光， 30 是起偏后的线偏振光， 31、 37 是分光器， 32、 33、 34、 36、 38、 39 代表不同相 位的线偏振光， 35、 46 是 λ/4 波片， 42 是信号处理器， 45 是被测量电压指示器。 图 5 是 λ/4 波片在采用块状光学媒质的电压传感器中的应用。
图 6(a)、 (b) 分别是本发明的一种 HiBi 光纤波片结构及波片的快轴、 慢轴相对于 入射光 X、 Y 偏振方向的取向。
图 7(a)、 (b) 分别是本发明的一种温度系数补偿型 HiBi 光纤波片结构及波片的快 轴、 慢轴相对于入射光 X、 Y 偏振方向的取向。
图 8 是本发明的一种采用两块光学晶体的光学波片 WP 结构及两块晶体中寻常光 轴 (o 光 )、 异常光轴 (e 光 ) 的取向， 其中， BC1 与 BC2 要么同为正晶体， 要么同为负晶体。
图 9 是本发明的一种采用正晶体与负晶体的光学波片 WP 结构及两块晶体中寻常光 轴 (o 光 )、 异常光轴 (e 光 ) 的取向， 其中， BC3 与 BC4 必须一个为正晶体， 另一个为负晶体。
图 10(d)、 (b) 分别是文献 [5]、 文献 [3] 提供的两种 HiBi 光纤波片的延迟相位 ( 纵坐标 ) 随环境温度 ( 横坐标 ) 变化的测量曲线， 前者的延迟相位的温度系数为负 ( 拍长 的温度系数为正 )， 后者的延迟相位的温度系数为正 ( 拍长的温度系数为负 )。
图 11 是按本发明提供的方法， 根据所用 HiBi 光纤拍长 LB1、 LB2、 温度系数 K1、 K2 或 KB1、 KB2， 以及要求的延迟相位 θ， 设计出的几种温度系数为零的光纤波片的几何参数 L1、 L2 之例。
图 12 是本发明的光纤波片的延迟相位与环境温度的关系曲线。
具体实施方式
实施例 1图 6 是依据本发明方法的基本实施方案 1， 其中 (a) 是本发明的光纤波片或光纤 偏振态变换器 ( 统称 FWP) 结构示意图， (b) 是 FWP 的快轴、 慢轴相对于入射光 X、 Y 偏振方 向的取向图。图 6(a) 中， HB1 是长度为 L1 的一段 HiBi 光纤， 该光纤的热膨胀系数为 KL1， 拍 长为 LB1， 拍长的温度系数为 KB1 ； HB2 是长度为 L2 的另一种 HiBi 光纤， 该光纤的热膨胀系数 为 KL2， 拍长为 LB2， 拍长的温度系数为 KB2。HB2 的快轴垂直于 HB1 的快轴熔接成一段长度为 L ＝ L1+L2 的 FWP(HB1、 HB2 的排列不分先后 )。
一束线偏光分解为偏振方向平行于 HB1 快轴 F1 的 X 光与偏振方向平行于 HB1 慢 轴 S1 的 Y 光通过 HB1 后， X 光的相位将超前于 Y 光。由 (1) 式， 超前的相位量， 即 X 光与 Y 光之间的相位延迟 φ1(L) 为 ：
在 HB1 不存在圆双折射的情况下， HiBi 光纤段 HB1 对应的 Jones 矩阵为 ( 见文献[4]) ：
同理， 在 X 光的偏振方向平行于 HB2 快轴 F2、 Y 光的偏振方向平行于 HB2 慢轴 S2 的情况下， HB2 产生的相位延迟 (retardation)φ2(L) 及对应的 Jones 矩阵 J2 分别为 ：
若 X 光的偏振方向平行于 HB2 慢轴 S2、 Y 光的偏振方向平行于 HB2 快轴 F2， 则这时 HB2 对应的 Jones 矩阵 为 ：
式中 * 代表复共轭。本发明实施例 1 属于后一种情况， 即 X 光平行于 S2 轴， Y光 平行于 F2 轴， 因此由 HB1、 HB2 组成的波片对于入射的 X 光、 Y 光的 Jones 矩阵 J 为 ：
式中就是图 6 所示光纤波片的延迟相位。根据 (2)、 (3) 两式， φ1、 φ2 的温度变化率分别为 ：式中， KB1、 KL1 是 HB1 光纤的拍长温度系数与热膨胀系数， KB2、 KL2 是 HB2 光纤的拍 长温度系数与热膨胀系数 ：
K1 ＝ KB1-KL1， K2 ＝ KB2-KL2
一种可简化这种光纤波片的设计计算的途径是 ： HB1、 HB2 用纤芯玻璃材料相同 ( 比如熔融石英玻璃 ) 的 HiBi 光纤制成， 这时，
KL1 ＝ KL2 ＝ KL， K1 ＝ KB1-KL， K2 ＝ KB2-KL
由 (2)、 (3)、 (5) 三式， 温度变化 ΔT 时， φ1、 φ2 以及图 6 光纤波片 FWP 延迟相位 θ 的变化分别为 ：
由以上三式得 ：
由以上分析， 要使 θ 不受温度变化的影响就得同时保证以下两式成立 ：联立求解以上两式得 ：将 (13)、 (14) 两式代入 (8) 式得 ：HB1、 HB2 用纤芯玻璃材料相同 ( 比如熔融石英玻璃 ) 的 HiBi 光纤制成时， KL1 ＝ KL2 ＝ KL， K1 ＝ KB1-KL， K2 ＝ KB2-KL， 这时 L1、 L2 的设计公式简化为 ：
一般情况下， KL ≈ 10-6， KB ≈ 10-4 ～ 10-3， K1 ＝ KB1-KL ≈ KB1， K2 ＝ KB2-KL ≈ KB2， 这 时 L1、 L2 的设计公式简化为 ：
根据选定的 HiBi 的拍长与拍长的温度系数， 按以上公式计算 HB1 的长度 L1 与 HB2 的长度 L2， 然后按图 6 构成的光纤波片， 就是延迟相位为 θ ＝ φ1-φ2， θ 的温度系数为 0 的光纤波片。
由 (11) ～ (12-2) 式可知， K2 ＞ K1 或 KB2 ＞ KB1 时， θ ＞ 0， K2 ＜ K1 或 KB2 ＜ KB1 时， θ ＜ 0。
图 11 是按上述方法， 根据所用 HiBi 光纤拍长 LB1、 LB2、 温度系数 K1、 K2 或 KB1、 KB2， 以及要求的延迟相位 θ， 设计出的几种温度系数为零的光纤波片的几何参数 L1、 L2 之例。
图 12(a) 是按本专利方法设计的 λ/4 光纤波片的有关参数， (b) 是 HB1 段的延迟 相位 φ1、 HB2 段的延迟相位 φ2、 波片的延迟相位 θ 随温度变化的曲线。 HB1 段 HiBi 光纤的 -4 参数与图 10(a) 相同 ( 见文献 [5]) ： LB1 ＝ 3.0mm， KB1 ＝ 2.2×10 /℃； HB2 段 HiBi 光纤的参 数为 ： LB2 ＝ 3.6mm， KB2 ＝ 1.5KB1 ＝ 3.3×10-4/℃， 设计出的 L1 ＝ 2.25mm， φ1 ＝ 270°， L2 ＝ -3 1.8mm， φ2 ＝ 180°， θ ＝ φ1-φ2 ＝ 90°， Δφ1/ΔT ＝ Δφ2/ΔT ＝ -1.037×10 rad./℃ ＝ -0.0594° /℃。
实施例 2
图 7 是依据本发明方法的温度互补型 FWP 基本实施方案， 其中 (a) 是这种 FWP 的 结构示意图， (b) 是 FWP 的快轴、 慢轴相对于入射光 X、 Y 偏振方向的取向图。图 7(a) 中， HBp 是长度为 Lp 的一段 HiBi 光纤， 该光纤的热膨胀系数为 KLp， 拍长为 LBp， 拍长的温度系数 为 KBp ≥ 0 ； HBn 是长度为 Ln 的另一种 HiBi 光纤， 该光纤的热膨胀系数为 KLn， 拍长为 LBn， 拍 长的温度系数为 (-KBn) ＜ 0。HBn 的快轴平行于 HBp 的快轴熔接成一段长度为 L ＝ Lρ+Ln 的温度互补型 FWP(HBp、 HBn 的排列不分先后 )。
仿实施例 1 的分析， 这时
式中，
Kp ＝ KBp-KLp， Kn ＝ KBn+KLn
且 Kp、 Kn 均为正数 ( 注意 ： HBn 光纤段的拍长的温度系数为 (-KBn) ＜ 0， 故 KBn ＞ 0)
HBp、 HBn 用纤芯玻璃材料相同 ( 比如熔融石英玻璃 ) 的 HiBi 光纤制成时， KLp ＝ KLn ＝ KL，
Kp ＝ KBp-KL， Kn ＝ KBn+KL
温度变化 ΔT 时， φp、 φn 以及图 7 光纤波片 FWP 延迟相位 θ 的变化分别为 ：
这时保持 θ 不受温度变化影响的条件变为 ：
联立求解以上两式得 ：
将 (17)、 (18) 两式代入 (14) 式得 ：设计例 ：
以 LBp ＝ 3.0mm， KLp ≈ KBp ＝ (1/LBp)(dLBp/dT) ＝ -(1/φp)(dφp/dT) ＝ 2.2×10-4/℃ 的 HiBi 光纤 ( 见图 11(a) 与文献 [5]) 为 HBp， 以 LBn ＝ 32.64mm， KLn ≈ KBn ＝ -(1/φn)(dφn/ -3 dT) ＝ -1.0×10 /℃的 HiBi 光纤 ( 见图 11(b) 与文献 [3]) 为 HBn， 设计温度互补型一阶 λ/4 波片， 即 θ ＝ (2n+1)×π/2 ＝ 3×π/2 的 λ/4 波片。
设计结果 ：
校核 ：
实施例 3
图 8 是依据本发明的基本实施方案 2， 其中 BC1 是光传播方向上厚度为 L1 的一种 正晶体 ( 或负晶体 ) 双折射光学媒质， BC2 是光传播方向上厚度为 L2 的另一种正晶体 ( 或 负晶体 ) 双折射光学媒质， BC1、 BC2 的光轴互相垂直， 并且都垂直于光传播方向。当 L1、 L2 满足公式 (11)、 (12)， 或 (11-1)、 (12-1)， 或 (11-2)、 (12-2) 的要求时， BC1、 BC2 组成的延 迟相位为 θ 的波片的温度系数为零。
实施例 4
图 9 是依据本发明的基本实施方案 3， 其中 BC3 是光传播方向上厚度为 L1 的一种 正晶体 ( 或负晶体 ) 双折射光学媒质， BC4 是光传播方向上厚度为 L2 的一种负晶体 ( 正晶 体 ) 双折射光学媒质， BC3、 BC4 的光轴互相平行， 并且垂直于光传播方向。当 L1、 L2 满足公 式 (11)、 (12)， 或 (11-1)、 (12-1)， 或 (11-2)、 (12-2) 的要求时， BC3、 BC4 组成的延迟相位 为 θ 的波片的温度系数为零。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。 对本领域的技术人员来 说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。 示例性的实施例仅仅 是例证性的， 而不是对本发明的范围的限制， 本发明的范围由所附的权利要求定义。