基于熔融拉錐技術(shù)的雙折射晶體包層型光纖偏振器的研究

趙海軍，謝良平，曹 陽，董彩霞，王少華，張佳全

（西安飛行自動控制研究所，陜西 西安710065）

引言

光纖偏振器根據(jù)偏振原理不同，可以分為2大類［1］：一類是衰減型的，增加2個偏振模的衰減差；如環(huán)形線圈光纖偏振器［2］、微孔光纖偏振器［3］等；另一類是截止型的，讓其中的一個偏振模截止，如金屬包層光纖偏振器［4］、雙折射晶體包層光纖偏振器［5］等。根據(jù)性能和應(yīng)用場合不同，已分別應(yīng)用于光纖水聽器［6］、電流互感器［7］等光學(xué)系統(tǒng)中，其中不乏高精度和高可靠性光纖偏振器，但其制作工藝復(fù)雜、成本較高。相比而言，基于熔融拉錐技術(shù)的雙折射晶體包層型光纖偏振器具有制造成本低、工藝簡單、體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點，具有很高的應(yīng)用潛力，目前已應(yīng)用于開環(huán)光纖陀螺儀中［8－10］。

對于該類型的偏振器國內(nèi)外的一些學(xué)者和研究機構(gòu)也進行過相應(yīng)的研究，如 Wang Daogang［11］等報道了將一段光纖包層全部化學(xué)腐蝕，裸芯周圍生長五硼酸鉀得到在工作波長為1.25μm～1.6μm時消光比為40dB插入損耗為1dB的偏振器。Wang Zihua［12］等報道了在1.53μm 時得到的消光比為37dB，插入損耗小于1dB的偏振器。M.Wakaki［13］等報道了在工作波長為1 310nm～1 550nm時得到消光比為31.2dB的偏振器。通過建立簡單模型，分析了影響該型光纖偏振器消光比的主要因素，兼顧性能和可靠性要求，對偏振器制作參數(shù)進行優(yōu)化分析，并進行了相應(yīng)的試驗研究。

1 理論分析

圖1 基于熔融拉錐技術(shù)的雙折射晶體包層型光纖偏振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of birefringent crystal－clad fiber－optic polarizer based on fused biconical taper

圖1所示為晶體包層型光纖偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖，整個結(jié)構(gòu)包括底座、基底、拉錐光纖和雙折射晶體。這種偏振器是將光纖去除涂覆層后經(jīng)過高溫加熱拉伸成雙錐型，采用定向溫度梯度法在光纖錐腰部分生長雙折射晶體，然后進行封裝制作成偏振器，最小封裝尺寸為3mm×3mm×10mm。

當光纖被拉伸至幾個微米時，錐腰區(qū)域為直徑幾乎相等的均勻光纖［14］，如圖2所示為光纖熔融拉錐后錐區(qū)光纖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 拉錐光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of fused biconical taper

為研究消光比與錐腰直徑、晶體包層長度的關(guān)系，可建立如圖3所示的簡單模型，將拉錐光纖的錐腰區(qū)域等效成新芯層，雙折射晶體等效成新包層，d為錐腰區(qū)域直徑；b為晶體包層長度；ne為e光偏振方向的折射率；no為o光偏振方向的折射率；nk為錐腰區(qū)域的等效折射率。e光滿足全反射條件無損耗通過錐區(qū)光纖（ne＜nk），o光不滿足全反射條件部分通過錐區(qū)光纖（n0＞nk），部分泄露出去。

圖3 （a）和（b）分別為錐腰部分e光和o光幾何傳輸光路示意圖Fig.3 Schematics of geometrical optical transmission of e and o waves in waist of fused biconical taper

假設(shè)o光的透射率和反射率分別為T和R，根據(jù)消光比的定義，偏振器消光比可表示為［15］

式中m為反射數(shù)。

由于晶體包層長度很短，可以忽略高階模傳輸，只考慮一階模傳輸，依據(jù)波導(dǎo)橫向諧振條件有：

式中：θ為反射角，由于d為微米量級，可知cosθ很小，θ值接近90°。對于o光，根據(jù)折射定律有：

式中ψ為折射角。

反射數(shù)可近似表示為

根據(jù)菲涅耳公式，對于o光，其界面反射比為

將（4）式和（5）式帶入（1）式可得：

對上式進行麥克勞林展開，取一階近似可以得到消光比表達式如下：

從（7）式可以看出，影響偏振器消光比的主要參數(shù)有錐腰直徑d和晶體包層長度b，且消光比與錐腰直徑的3次方成反比，對消光比性能影響最大。錐腰直徑越小，晶體包層長度越長，消光比越高。

2 優(yōu)化分析

由以上理論分析可知，通過減小錐腰直徑可以提高偏振器的消光比，但當錐腰光纖直徑過小時，雖然偏振器的消光比很高，但偏振器在經(jīng)受外界振動沖擊和溫度沖擊時，容易出現(xiàn)由于內(nèi)應(yīng)力不匹配而導(dǎo)致錐腰光纖斷裂的問題。錐腰光纖的斷裂強度（或極限張力）可反映該型光纖偏振器經(jīng)受外界環(huán)境沖擊的能力，根據(jù)分子鍵合力理論，石英光纖的斷裂強度σ表示為［16］

式中：E為石英玻璃的彈性模量；γ為石英玻璃的表面能；A為硅氧化學(xué)鍵的鍵長。錐腰光纖的理論可承受的極限張力可以表示為

從（9）式可以看出，影響錐腰光纖極限張力的主要參數(shù)為錐腰直徑d。錐腰直徑越小，光纖極限張力越小，偏振器可經(jīng)受外界環(huán)境沖擊能力越差，可靠性越低。因此，在偏振器設(shè)計時，必須兼顧消光比性能要求和可靠性要求。

3 實驗研究和結(jié)果分析

為研究偏振器的消光比，采用橢圓應(yīng)力區(qū)型保偏光纖，雙折射晶體采用硝酸鈉（NaNO3）負單軸晶體。實驗中分別改變錐腰直徑d和晶體包層長度b，對偏振器的消光比進行測試，每組參數(shù)下制作5個偏振器，取其平均值作為該組參數(shù)下的消光比測試結(jié)果，如圖4所示，圖4（a）為b＝2mm時錐腰直徑發(fā)生變化時的仿真曲線，圖4（b）為d＝7μm時包層長度發(fā)生變化時的仿真曲線。從圖中可以看出，隨著錐腰直徑的逐漸增大，偏振器消光比迅速降低；隨著晶體包層長度的逐漸增大，偏振器消光比基本呈線性增加趨勢。

為研究偏振器的可靠性，對不同錐腰直徑d，使用高精度數(shù)顯式推拉力計對拉錐后的雙錐光纖進行極限張力實驗，每組參數(shù)下拉錐光纖5組，并進行拉斷實驗，取拉斷張力平均值作為該組參數(shù)下的極限張力測試結(jié)果，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著錐腰直徑的逐漸增大，拉錐光纖極限張力增加。

圖4 （a）和（b）分別為錐腰直徑和包層長度變化時消光比的實測值和仿真曲線Fig.4 Simulated curve and test data of extinction ratio versus diameter of biconical taper waist and length of cladding

圖5 錐腰直徑變化時極限張力的實測值和仿真曲線Fig.5 Simulated curve and test data of max tension versus diameter of biconical taper waist

基于以上理論分析和實驗結(jié)果，綜合考慮偏振器消光比和錐腰光纖強度，確定一組合適的參數(shù)制作光纖偏振器。當d＝7μm，b＝4mm時，共制作7個光纖偏振器，消光比測試結(jié)果見表1，在同一組制作參數(shù)下，當工作波長為850nm時，消光比優(yōu)于30dB，損耗小于0.5dB。

表1 消光比和損耗的測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of extinction ratio and loss

圖6所示為隨機抽取一個偏振器的全溫消光比變化曲線，從圖中可以看出，在－50℃～＋70℃溫度范圍內(nèi)消光比變化小于1.5dB，損耗變化小于0.5dB。

圖6 （a）和（b）變溫度下晶體包層型光纖偏振器的消光比和損耗測試結(jié)果Fig.6 Test result of PER and IS in－50℃ ～ ＋70℃

4 結(jié)論

分析了錐腰直徑和包層長度的變化對晶體包層型光纖偏振器的影響關(guān)系，為該型偏振器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。實驗結(jié)果表明該型偏振器具有很好的溫度性能和穩(wěn)定性。目前已應(yīng)用于開環(huán)光纖陀螺中，取得了很好的經(jīng)濟效益。該型偏振器也可推廣應(yīng)用于石油鉆井、鐵道軌檢車等系統(tǒng)中。

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