CN102508364A - 宽带波片及实现相位延迟相等的方法和偏振控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带波片及实现相位延迟相等的方法和偏振控制器，宽带波片依次由第一色散元件、楔形双折射波片和第二色散元件贴合而成，所述第一色散元件将输入的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，所述楔形双折射波片将所述相应波长的色散波产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，所述第二色散元件将所述相应波长的延迟波汇聚为宽带波。本发明，利用色散元件将宽频光谱在空间上分开并经过楔形波片，实现在宽频带范围内得到相等的相位延迟。利用这种宽波片组合的偏振控制器，带宽可达到数百纳米级。

Description

宽带波片及实现相位延迟相等的方法和偏振控制器

技术领域

本发明涉及光学器件，具体涉及宽带波片及偏振控制器。

背景技术

偏振控制器是一种重要的光器件，在光纤通信和传感领域都有着广泛的应用。特别是在光纤通信系统中，利用偏振控制器准确地控制光纤中光信号的偏振态，对提高光纤通信系统的稳定性和降低数据传输的误码率起着关键的作用。

偏振控制器的典型结构是由三片可旋转的波片组成的，其中的一个λ/2(HWP)波片位于两个λ/4(QWP)波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。第一个λ/4波片的作用是将任意输入的偏振光转变为线偏振光，然后通过λ/2波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏振方向，最后通过第二个λ/4波片将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态。

偏振控制器中，输入光束的相位改变是通过HWP波片及QWP波片的相位延迟来实现的。由于波片的相位延迟是固定的，因此，当输入光束的波长为固定值时，输出想要的偏振光是很容易做到的。但是，众所周知，相位延迟是随波长的变化而改变的，当输入光束为一个波长范围较大的宽带波时，由于不同波长的相位延迟不同，因此，不可能同时输出整体宽带波的偏振光。

经过以上的分析可知，普通波片对输入光束的带宽是有一定限制的，因此，普通波片在对宽带波的处理上受到很大的限制。目前，解决波片带宽限制问题的方法主要有两种：

(1)、利用全内反射原理制造波片，使光束的两偏振分量在全反射时相位变化量相差π，以实现1/4波片或1/2波片的功能，如中国发明专利CN1258849公开的三等腰棱镜组成的消色差1/4波片。钽是，该波片利用全反射棱镜的方式产生相位延迟，带宽范围较窄，已无法满足更宽的波段和高精度的要求。

(2)、利用复合式波片消除色差(中国激光，Vol.31，No.3，2004，《红外复合宽带波片的研制》)。然而，该技术方案中要求由三片波片组成的复合波片，三片波片必须为零级波片，而零级波片很薄，即使使用石英(o、e光的折射率差不大)制作，零级半波片也只有81um左右。三片复合的厚度共0.24mm左右。这种厚度的光学件，加工有难度，成品率较低。

综上所述，现有技术制造的宽带波片，或者带宽范围较窄，或者加工有难度大、成品率低，急需一种生产加工简单的宽带波片，适合用于对波长范围较宽的光束进行相位延迟。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决宽带波片或者带宽范围较窄，或者加工有难度大、成品率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种宽带波片实现相位延迟相等的方法，由第一色散元件将掠入射的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，所述相应波长的色散波经过楔形双折射波片产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，所述相应波长的延迟波由所述第二色散元件汇聚为宽带波。

本发明还提供了一种宽带波片，依次由第一色散元件、楔形双折射波片和第二色散元件贴合而成，所述第一色散元件将输入的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，所述楔形双折射波片将所述相应波长的色散波产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，所述第二色散元件将所述相应波长的延迟波汇聚为宽带波。

在上述宽带波片中，所述第一、第二色散元件为三棱镜或衍射光栅。在上述带波片中，所述楔形双折射波片的楔角为

其中a为宽频光谱内最大波长与最小波长经三棱镜色散在三棱镜出光面上的位置偏移，l为宽频光谱内最大波长与最小波长的同级波片的厚度差。

在上述带波片中，宽频光谱内最大波长与最小波长经三棱镜色散在三棱镜出光面上的位置偏移

$a=\sqrt{{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)}^2+{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)}^2-2\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}$

其中θ2和θ1分别代表波长不同的光线的折射角，θ1为短波长光线的折射角，θ2为长波长光线的折射角，α为三棱镜的顶角，A为三棱镜通光面尺寸。

在上述带波片中，所述宽带波片为半波片，所述三棱镜由纯硅材料制成，色散系数为4.522×10^-5/nm，顶角为16.7°，通光面尺寸为5mm，所述楔形双折射波片采用五级HWP石英波片，楔角为17°。

本发明还提供了一种偏振控制器，包括上述结构的宽带波片。

本发明，利用色散元件将宽频光谱在空间上分开并经过楔形波片，实现在宽频带范围内得到相等的相位延迟。利用这种宽波片组合的偏振控制器，带宽可达到数百纳米级。

附图说明

图1是相位延迟相等的波片其波长与厚度的关系图；

图2是三棱镜的色散；

图3是本发明提供的宽带波片结构示意图；

图4是本发明提供的偏振控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图3所示，本发明提供的宽带波片依次由第一色散元件102、楔形双折射波片103和第二色散元件104紧密贴合而成。

第一、第二色散元件102、104为三棱镜或衍射光栅，第一色散元件102将输入的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，楔形双折射波片103将所述相应波长的色散波产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，第二色散元件104将所述相应波长的延迟波汇聚为宽带波输出。

本发明的创新点在于：利用色散元件将宽频光谱在空间上分开并经过楔形波片，实现在宽频带范围内得到相等的相位延迟。即，宽带波经过第一色散元件102后，由于不同波长的折射角不同，于是各波长在空间上分开，再经过楔形双折射波片103，使波长长的光束经过较长的光程，而波长短的光束经过较短的光程，通过选择第一色散棱镜102的顶角以及楔形双折射波片103的楔角，使所有波长的光波相位延迟相同，最后再通过第二色散元件104将不同波长的光束再次汇聚输出。

下面结合说明书附图对本发明的实现原理加以详细说明。

众所周知，光学波片的相位延迟Φ为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\mathrm{\Δn}\·d---\left(1\right)$

其中，Δn为o光和e光的折射率差，d为光学波片的厚度，λ为波长。因此，波片的厚度为：

$d=\frac{\mathrm{\φ}\·\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}\·2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

石英材料的o光和e光的折射率方程为：入射的光振动分解成垂直于光轴(o振动)和平行于光轴(e振动)两个分量，它们对应晶片中的o光和e光。

$n_o\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{a_0+a_1\·{\mathrm{\λ}}^2+a_2\·{\mathrm{\λ}}^{-2}+a_3\·{\mathrm{\λ}}^{-4}+a_4\·{\mathrm{\λ}}^{-6}+a_5\·{\mathrm{\λ}}^{-8}}---\left(3\right)$

$n_e\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{A_0+A_1\·{\mathrm{\λ}}^2+A_2\·{\mathrm{\λ}}^{-2}+A_3\·{\mathrm{\λ}}^{-4}+A_4\·{\mathrm{\λ}}^{-6}+A_5\·{\mathrm{\λ}}^{-8}}---\left(4\right)$

其中，λ为波长，a0…a5，A0…A5为常数，测量值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_0=2.35676495\\ a_1=-1.13996924\×{10}^{-2}\\ a_2=1.08741656\×{10}^{-2}\\ a_3=3.32066914\×{10}^{-5}\\ a_4=1.0860934\×{10}^{-5}\\ a_5=-3.10123984\×{10}^{-7}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{A}_0=2.38421862\\ A_1=-1.20653449\×{10}^{-2}\\ A_2=1.10138430\×{10}^{-2}\\ A_3=1.28863130\×{10}^{-4}\\ A_4=1.68747314\×{10}^{-7}\\ A_5=4.92022338\×{10}^{-8}\end{array}\right.$

通过计算得知，Δn＝n_o(λ)-n_e(λ)在波长1450nm到1650nm范围内为常数0.0085，这样，可以得出，在波长1450nm到1650nm范围内，石英材料的折射率近似与波长呈线性关系，如图1所示。

基于上述分析可知，如果将波片加工成楔形波片，通过对楔角的选择，就可以利用波片的厚度在高度方向上线性增加，使得宽带波在其波段范围内得到相同的相位延迟。

再参见图2，宽带光束中的不同波长经过三棱镜后发生折射，并且折射角度不同，由折射定律可推导出，不同波长的光线产生的偏移a为：

$a=\sqrt{{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)}^2+{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)}^2-2\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(5\right)$

其中θ2和θ1分别代表波长不同的光线的折射角，θ1为短波长光线的折射角，θ2为长波长光线的折射角，α为三棱镜的顶角，A为三棱镜通光面尺寸。

假设不同波长的同级波片厚度相差为l，为使得所有波长的相位延迟相等，则楔形波片的楔角(侧边与底边的夹角)应为：

$a\tan \left(\frac{l}{a}\right)---\left(6\right)$

制作色散棱镜102的材料可选以下材料：

材料	材料色散值dn/dλ(/nm)
		SiO2	1.195×10-5

Si	4.522×10-5
		YVO4	3.193×10-5
CaF2	4.841×10-6
		MgF2	5.339×10-6
TiO2	6.206×10-5
		冰洲石	1.727×10-5

下面通过具体实施例具体说明如何根据色散棱镜102的顶角选择楔形双折射波片103的楔角，本实施例为HWP波片。

色散棱镜102选用纯硅材料，色散系数(dn/dλ)为4.522×10^-5/nm，宽带波以88°角掠入射，则波长为1530nm和1630nm的光束的折射角θ1＝16.509，θ2＝16.485，二者相差θ2-θ1＝0.024°，若色散棱镜102的顶角α＝16.7°，在通光面上尺寸A＝5mm，则由式(5)计算，宽带波经过三棱镜后两波长分开a＝228um。楔形双折射波片103采用五级HWP石英波片，由式子(2)计算得到1530nm和1630nm的波片厚度相差d＝1017.5μm-947.8μm＝69.7μm，因此楔形双折射波片103的楔角为：atan(69.7/228)＝17°。

本发明还提供了一种采用了上述宽带波片的偏振控制器。其结构如图4所示。光纤输出的光经准直透镜201准直后依次输入宽带λ/4(QWP)波片202，宽带λ/2(HWP)波片203，和宽带λ/4(QWP)波片204，再经过耦合透镜205输入至光纤中，波片202、203和204采用上述结构的宽带波片。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.宽带波片实现相位延迟相等的方法，其特征在于，由第一色散元件将掠入射的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，所述相应波长的色散波经过楔形双折射波片产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，所述相应波长的延迟波由所述第二色散元件汇聚为宽带波。

2.宽带波片，其特征在于，依次由第一色散元件、楔形双折射波片和第二色散元件贴合而成，所述第一色散元件将输入的宽带波按波长大小的顺序依次展开输出相应波长的色散波，所述楔形双折射波片将所述相应波长的色散波产生相同的相位延迟输出相应波长的延迟波，所述第二色散元件将所述相应波长的延迟波汇聚为宽带波。

3.如权利要求2所述的宽带波片，其特征在于，所述第一、第二色散元件为三棱镜或衍射光栅。

4.如权利要求3所述的宽带波片，其特征在于，所述楔形双折射波片的楔角为其中a为宽频光谱内最大波长与最小波长经三棱镜色散在三棱镜出光面上的位置偏移，l为宽频光谱内最大波长与最小波长的同级波片的厚度差。

5.如权利要求2所述的宽带波片，其特征在于，宽频光谱内最大波长与最小波长经三棱镜色散在三棱镜出光面上的位置偏移

$a=\sqrt{{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)}^2+{\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)}^2-2\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\α})}\right)\left(\frac{A\×\tan \mathrm{\α}}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\α})}\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}$

其中θ2和θ1分别代表波长不同的光线的折射角，θ1为短波长光线的折射角，θ2为长波长光线的折射角，α为三棱镜的顶角，A为三棱镜通光面尺寸。

6.如权利要求5所述的宽带波片，其特征在于，所述宽带波片为半波片，所述三棱镜由纯硅材料制成，色散系数为4.522×10^-5/nm，顶角为16.7°，通光面尺寸为5mm，所述楔形双折射波片采用五级HWP石英波片，楔角为17°。

7.偏振控制器，其特征在于包括权利要求2-6项任一项所述的宽带波片。

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