偏振分析仪

2025-04-18 16:43:07, 韵翔光电江阴韵翔光电技术有限公司

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应用领域

用于耦合进保偏光纤的偏振对准

SK010PA偏振分析仪提供了相关操作流程，用于将光源入射光的偏振方向与光纤的偏振轴进行对准，并测量由此产生的偏振消光比（PER）。

保偏单模光纤以两种相互垂直的主态来传输耦合辐射，即光纤的偏振轴（也称为慢轴和快轴，见下图）。

保偏光纤的偏振轴

光纤耦合辐射的偏振消光比（PER）是耦合到光纤两个偏振轴上的光功率水平之比。偏振分析仪通过旋转光源的输入偏振轴，来优化光源的偏振轴与光纤偏振轴的偏振对准，见左图。

对于这两个偏振轴，光的传播速度是不同的。当线偏振辐射没有精确地耦合到其中一个偏振态时，该辐射会被分解为两个相互垂直的分量，分别耦合到光纤的偏振轴上。在光纤的出射端，传播速度的差异会导致相位差，该相位差也取决于光纤的长度。如果这个相位差小于激光源的相干长度，辐射会重新组合成椭圆偏振态。

如果激光源的相干长度小于相位差，出射的辐射会部分退偏振。偏振分析仪支持对这两种情况进行调整。

保偏光纤的轴取向

利用庞加莱球进行调整

如果相位差导致辐射重新组合成椭圆偏振态，就会使用庞加莱球来进行评估分析。

两根光纤轴的速度差异以及由此产生的相位差取决于温度和应力。因此，当存在对准失配的情况时，光纤轴上的偏振态是不稳定的。当触碰光纤时，偏振态会发生变化，并且会随温度波动。但出射光的偏振态并非是完全随机的。当把这些偏振态映射到庞加莱球上时，很明显所有可能的出射态都位于同一个圆上。

这个圆的半径表明了对准的质量，因为它显示了光纤偏振轴与入射辐射偏振轴之间的角度偏差。对于理想的、最佳对准的光纤，数据圆会收敛到一个点，即圆心。一般来说，这个圆心代表了特定对准情况下的平均偏振态。对于理想的保偏光纤，这个圆心位于庞加莱球的赤道上。

在偏振分析仪的光纤对准过程中，会利用圆半径与偏振对准之间的对应关系来进行操作。

步骤1：初始对准情况的测量

该操作流程首先要记录出射光的偏振态，在此过程中改变温度或者小心地弯曲光纤，以使出射光的偏振态产生波动。然后会自动将一个圆拟合到这些数据点上，并显示出平均偏振消光比（PER）和最小偏振消光比。在所示的示例中，庞加莱球上的圆半径较大。

SK010PA偏振消光比（PER）调整程序——对准情况不佳

步骤2：带有反馈的实时调整以及对优化后对准情况的最终测量

在持续测量出射光偏振态的过程中，然后相对于激光源的偏振轴旋转光纤轴。当出射光偏振态尽可能接近庞加莱球上的圆心时，就达到了最佳对准状态。一个带有颜色编码的对数条形图有助于找到最小距离。

然后进行第二次测量，从而得出光纤优化后的偏振对准参数。

SK010PA偏振消光比（PER）调整程序——对准情况良好

利用偏振度（DOP）椭圆进行调整

如果激光源的相干长度小于由传播速度差异所导致的相位差，那么光会部分退偏振，此时需利用偏振度（DOP）椭圆来进行调整。

如上文所述，只有当激光源的相干长度大于由传播速度差异所导致的相位差时，光才有可能重新组合成椭圆偏振态。如果激光源的相干长度小于由传播速度差异所导致的相位差，那么光会部分退偏振，这种重新组合就无法实现。

此时，在庞加莱球上就观察不到前文所述的那个圆了——所有出射光的偏振态都处于一个单点上。相反，这种对准偏差只会导致偏振度（DOP）降低。

在这种情况下，会使用偏振度（DOP）椭圆表示法来进行光纤对准，此时模拟的是用一个旋转的线偏振器进行偏振测量。对于完全退偏振的光，偏振度（DOP）椭圆（虚线）会变成一个圆。

偏振度（DOP）椭圆变得越窄，就表明入射光的偏振轴与光纤的某一个偏振轴对准得越好。对于理想的对准情况，这个椭圆会退化为一条线。

自由光束测量

偏振分析仪也可用于为自由光束应用设置明确的偏振态。对于这类测量，将激光束轴与偏振分析仪正确对准至关重要。这可以通过使用微工作台或40毫米笼式系统，并利用带有四根杆的连接件或导轨系统来完成。

四分之一波片的调整与量化

SK010PA偏振分析仪可用于对准和量化相位延迟光学元件，例如集成了四分之一波片的60FC-Q系列光纤准直器。

对于这些准直器，通过使用一种特殊工具旋转四分之一波片来调整出射光的偏振态。旋转一整圈对应于在庞加莱球上形成一个数字“8”的轨迹。当达到极点时，就设置成了圆偏振光，右旋圆偏振光位于北极，左旋圆偏振光位于南极。如果光学元件的实际相位延迟与期望值存在偏差，那么极值就无法到达极点。因此，偏振分析仪能够测量出光学元件的实际相位延迟。

保偏光纤（PM光纤）的特性表征

实际的保偏光纤光缆

理想情况下，保偏光纤光缆能够保持耦合进光纤的光的线偏振态（线偏振态，即linear SOP）。然而，实际的保偏光纤光缆会在一定程度上影响光的偏振态。因此，从光纤光缆出射的光会略带椭圆偏振。

保偏光纤光缆的示意图。由于光纤连接器的端接情况，光缆出射端的偏振态通常可能会略微呈椭圆偏振。

消光比V和偏振消光比（PER）的定义

保偏光纤光缆对线偏振态（SOP）的保持能力由消光比V来表征。消光比V是指耦合进光纤的线偏振光中，在光缆末端能透过偏振器（检偏器）的部分（功率为Pp）与被偏振器阻挡的部分（功率为Ps）的比值。

消光比V通常表示为以对数形式呈现的偏振消光比（PER）：

消光比是衡量光的椭圆率η的一个指标，并且其情况如下：

庞加莱表示法

偏振态（SOP）可以在庞加莱球上直观呈现出来，就像SK010PA系列偏振分析仪所做的那样，如下图所示。在这种表示法中，线偏振态位于球体的赤道上，而圆偏振态则位于球体的两个极点处。请注意，偏振方向的定义与传播方向相反。

保偏光纤光缆输出端预期的偏振态可能会与赤道略有偏差。在这种表示中，倾斜角度就是椭圆率η。

庞加莱球与椭圆率的定义

庞加莱球用于表示任意的偏振态。此处描绘了一种略微椭圆的偏振态，这种偏振态例如可能出现在保偏光纤光缆的输出端。

平均椭圆率与变化的椭圆率

保偏光纤光缆对偏振态的保持能力由椭圆率η来表征。光纤本身通常具有良好的偏振保持性能。基于这一假设，椭圆率仅受光缆两端的影响，也就是说，干扰出现在光纤光缆端接的连接器处（或者在光的输入和输出耦合器处）。椭圆率η由两部分组成，这两部分在偏振测量中呈现出不同的表现，并且在使用光纤光缆时可能会产生不同的影响。

第一个分量是平均椭圆率η，它可能是由输出耦合端的干扰因素（例如应力双折射）所导致的。

第二个分量△η是在光耦合进光纤时产生的，在这个过程中，入射光会在光纤的两个主偏振轴之间进行分配。由于光纤的两个主偏振轴存在非恒定的群时延差，耦合进这两个偏振轴的光分量会经历一个随时间变化的光程差。这个光程差会受到温度变化或者光纤弯曲的影响。那么从光纤光缆出射的光就会具有一个任意的椭圆偏振态（SOP）。

假设激光源的相干长度足够长，椭圆率的变化分量△η可以在庞加莱球上直观显示出来，并且由一些测量点组成，这些测量点分布在围绕着稳定椭圆率状态的一个圆周上。

从保偏光纤光缆出射的椭圆偏振态的庞加莱图

保偏光纤光缆输出端偏振态的庞加莱图。由于波动（例如热效应引起的波动），偏振态在庞加莱球上沿一个圆周移动。随着时间推移，偏振态相当稳定，但明显呈现为椭圆偏振态。