保偏熔接机原理

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1、作者：Hiroyuki Taya,Kenichiro Ito,Takeshi Yamada and Mikio Yoshinuma  Fujikura Ltd    译者：魏岱  北京凌云光子技术有限公司         校对：李鹏  北京凌云光子技术有限公司     在相干光通讯领域[1]和传感领域[2]的应用中，保偏光纤已成为一个热点。因此，熔接光纤时，低熔接损耗、低消光比损失的熔接技术已变得越来越重要。    正是由此，我们开发了新型保偏光纤熔接机。FSM-45PM是一台全自动熔接机，不需任何额外设备辅助，如光源、起偏器、检偏器、功率计、光学传感

2、器等。它采用公认的新型场检测技术——侧面投影对轴系统（PAS），可以实现平均熔接损耗0.06dB，平均消光比大于40dB的熔接。 1. 引言  　近年来，保偏光纤作为相干光通讯系统的传输介质以及光纤传感器件的应用引起了人们的极大兴趣。    对于这些系统和器件，保偏光纤的熔接技术是不可或缺的。保偏光纤熔接机不仅要对齐X轴和Y轴，还要对齐偏振轴。保偏光纤的熔接技术至今都是靠监测透射功率来完成对轴的，这需要许多额外设备，如光源、起偏器、检偏器、功率计和光学传感器。此外，为了在光源端注入和探测端检测偏振光，起偏器和检偏器还要经过复杂的调节过程。因此，为了实现

3、简易的熔接，我们提出了一种通过折射率剖面对准系统（PAS）来对轴的新型保偏光纤熔接方法。 2. PANDA光纤的结构    这里以PANDA（保偏和减吸型）光纤 [7,8] 为例。图1所示是PANDA光纤的结构图和折射率剖面图。应力区对称分布于纤芯的两侧，由热膨胀系数比包层高的玻璃制成。在拉制光纤的急速冷却过程中，由热膨胀系数差异引起的残留应力作用于纤芯，在光纤中引入了模式双折射。由于掺杂杂质，应力区折射率将会低于包层。            图1. PANDA光纤横截面和折射率剖面图            图2. 保偏光纤的偏振模式 3. 对轴原理 

4、  保偏光纤有两个正交偏振模HE11x和HE11y（图2），增强光纤中的双折射效应减少了这两个模式间的耦合。当HE11x模被激励到光纤的一个偏振轴传输，它的一部分光功率会转化为HE11y模。这两个传输模式间光功率的比率就叫做消光比，即   消光比(dB)=10log(Px/Py)………………………………………(1)   其中Px为 HE11x模输出功率，Py为 HE11y模输出功率。   对于保偏光纤的熔接，最重要的就是避免消光比的降低。偏振轴必须以尽可能高的精度互相对准。图3给出了消光比和偏振轴错位角关系的变化曲线。偏振轴的错位角θ严重影响消光比，其

5、关系可通过方程2给出[9]。         P(dB)=10log(tan2θ)……………………………………(2)　　　　    　　　　图3. 消光比和错位角之间的关系 　　　　   　　　　 图4. 透射功率监测方法    当两侧光纤的偏振轴对轴一致时，消光比最大。当错位角为1.8度时，消光比将下降为30dB。在光纤传感的应用上，通常要求消光比达到20dB以上，因此，偏振轴的错位角必须小于5.7度。   图4所示是以前的保偏光纤熔接系统[10]。它通过监测透射功率来调节偏振轴，需要很多额外设备。起偏器和检偏器由格兰－汤普森棱镜制成，以产生线偏振光

6、。且起偏器和检偏器的偏振轴必须与光纤的偏振轴对准，以达到最大消光比。这些过程将耗费大约40分钟。   为了实现简易的熔接程序，我们开发了使用PAS方法的新系统 [11]。图5画出了PAS的检测原理。这套系统已被用于单模光纤的纤芯对准，也可用于PANDA光纤的对准。系统包含一个光源、物镜和一个CCD相机。当光透过光纤时，由于应力区和包层的折射率差异，应力区会产生一个阴影，CCD相机可以捕捉到这些阴影。　　　　   　　　　 图5. PAS对齐原理    通过光线追迹方法的计算机模拟，可得出光强的分布图像。图6(a)中，应力区位于竖直位置。在光强分布上，两

7、个高亮点对称分布于光纤中心的两侧，A和B分别是从中心到两个高亮点的距离。在这种情况下，A与B相等。这种情况也被定义为旋转角0度。　　　　  　　　　  图6. 保偏光纤PAS检测原理    70度旋转角时，光强分布如图6(c)所示。与0度相比，距离A增大了，而距离B减小了。90度旋转角时{图6(e)}，两个高亮部分也像0度一样，对称的分布在中心两侧。但此时，A与B的值比0度时对应的值要大。　　　　 　　　　   图7. 间距差A-B与光纤旋转角的关系     图7示出了间距差A-B与光纤旋转角的变化关系，这些数据可通过计算机数值模拟得出。A-B的两个峰

8、值出现在90度最低点处的两侧。在90度附近，A-B的斜率变得很大，通过观察间距差A-B，光纤可