基于寬譜光源的保偏尾纖對(duì)軸的在線(xiàn)解算

基于寬譜光源的保偏尾纖對(duì)軸的在線(xiàn)解算

0apelin—引言蔡氏反射噪聲抑制是高光學(xué)結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容之一。具有高位移消光比的質(zhì)酸鋁（apelibo3）波是目前的一種通用技術(shù)選擇。然而，由于芯片與襯底寬度的捕獲性能對(duì)傳輸?shù)母呔冗M(jìn)行了影響。因此，高性能光纖螺釘需要具有高精度的原材料調(diào)整。傳統(tǒng)的對(duì)軸方法是手動(dòng)調(diào)整薄帶寬度與波后橫截面的相對(duì)位置，這種情況不能用于在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。由于襯底寬度和波形的理想形狀沒(méi)有得到很好的測(cè)量，因此精度很低。波導(dǎo)與普通單模光纖之間的耦合對(duì)接通常有半值法、質(zhì)心法、遺傳法等,但這些方法不適合波導(dǎo)與有雙折射主軸的保偏光纖對(duì)軸.文獻(xiàn)中已經(jīng)提出光源出射光經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后光譜形狀會(huì)改變并研究了對(duì)相干函數(shù)的影響,即文獻(xiàn)中的偏光干涉效應(yīng)在相干函數(shù)上的反映,但文獻(xiàn)中沒(méi)有考慮到尾纖與波導(dǎo)芯片的耦合角度.文獻(xiàn)基于麥克爾遜干涉儀提出了兩段保偏光纖的對(duì)軸方法,但光源后有起偏裝置,檢測(cè)部分有可動(dòng)部件,且操作復(fù)雜.本文在前人基礎(chǔ)上研究了光源保偏尾纖長(zhǎng)度、APELiNbO3波導(dǎo)保偏尾纖長(zhǎng)度、以及APELiNbO3波導(dǎo)保偏尾纖與APELiNbO3波導(dǎo)之間的耦合角度、APELiNbO3波導(dǎo)保偏尾纖與光源保偏尾纖之間的熔接角度對(duì)偏光干涉效應(yīng)的影響,為APELiNbO3波導(dǎo)與其保偏尾纖在線(xiàn)對(duì)軸和角度估算提出了一種簡(jiǎn)單易行且無(wú)任何可動(dòng)部件的方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.1入射干合成qp3保鮮的路徑選擇當(dāng)部分偏振光經(jīng)過(guò)保偏光纖傳輸,再經(jīng)過(guò)起偏器后,輸出光譜被調(diào)制,反映到相干函數(shù)上即新增不同的次峰,這是文獻(xiàn)中偏光干涉效應(yīng)的推廣.本文基于該效應(yīng),利用相干函數(shù)中新增次峰的位置信息和幅值信息來(lái)解算APELiNbO3波導(dǎo)與其尾纖的耦合角度,并反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)軸,其原理如圖1.圖1中,光源(SLD)出射光為寬譜光,且包含TE模和TM模.基于寬譜光的性質(zhì),在頻域中其對(duì)應(yīng)的瓊斯向量為EΙΝ=∞∑i=0[ΤEiΤΜi]ejωitEIN=∑i=0∞[TEiTMi]ejωit,其中ωi表示在有效譜寬內(nèi)的第i個(gè)頻率,TEi表示頻率為ωi的光波對(duì)應(yīng)的TE模振幅,TMi表示頻率為ωi的光波對(duì)應(yīng)的TM模振幅.光源保偏尾纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,與SLD芯片耦合角度為θ1,APELiNbO3波導(dǎo)保偏尾纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,與光源尾纖對(duì)軸角度為θ2,與APELiNbO3波導(dǎo)耦合角度為θ3,APELiNbO3波導(dǎo)振幅消光比為ε=30dB,經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后的輸出光為[Eo_xiEo_yi]=ΡR(θ3)Μ(L2)R(θ2)Μ(L1)R(θ1)EΙΝ[Eo_xiEo_yi]=PR(θ3)M(L2)R(θ2)M(L1)R(θ1)EIN其中Ρ=[100ε]?R(θk)=[cosθksinθk-sinθkcosθk]?Μ(Lk)=[e-jΔβiLk001]P=[100ε]?R(θk)=[cosθk?sinθksinθkcosθk]?M(Lk)=[e?jΔβiLk001]式中k=1,2,3,Δβi=2πΔnωi/c,Δn為保偏光纖快慢軸折射率差(假設(shè)波導(dǎo)保偏尾纖和光源保偏尾纖的Δn相同).經(jīng)化簡(jiǎn)并忽略小項(xiàng)和直流項(xiàng),可得輸出光強(qiáng)為Ι=∞∑i=0Ιi=∞∑i=0(Eo_x2i+Eo_y2i)=∞∑i=0{-ExiEyi?sin(2θ3)sin2θ2cos(Δβi(L1-L2))+12(E2yi-E2xi)sin(2θ2)sin(2θ3)cos(ΔβiL2)+ExiEyi?sin(2θ2)cos(2θ3)cos(ΔβiL1)+ExiEyi?sin(2θ3)cos2θ2cos(Δβi(L1+L2))}(1)I=∑i=0∞Ii=∑i=0∞(Eo_x2i+Eo_y2i)=∑i=0∞{?ExiEyi?sin(2θ3)sin2θ2cos(Δβi(L1?L2))+12(E2yi?E2xi)sin(2θ2)sin(2θ3)cos(ΔβiL2)+ExiEyi?sin(2θ2)cos(2θ3)cos(ΔβiL1)+ExiEyi?sin(2θ3)cos2θ2cos(Δβi(L1+L2))}(1)式中Ii表示寬譜光中頻率為ωi的光波經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后的輸出光強(qiáng),Exi=cosθ1·TEi+sinθ1·TMi,Eyi=-sinθ1·TEi+cosθ1·TMi由式(1)可知,由于偏光干涉效應(yīng),SLD光源的光譜通過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后出現(xiàn)四個(gè)調(diào)制項(xiàng),通過(guò)傅里葉逆變換將光譜變換成時(shí)域上的相干函數(shù),則這四個(gè)調(diào)制項(xiàng)反映在相干函數(shù)中會(huì)對(duì)應(yīng)地出現(xiàn)四個(gè)次峰P1,P2,P3,P4,其離主峰的距離分別設(shè)為D1,D2,D3,D4,其大小分別設(shè)為A1,A2,A3,A4,則D1∶D2∶D3∶D4≈|L1-L2|∶L2∶L1∶(L1+L2)(2)A1∶A2∶A3∶A4≈∞∑i=0|ExiEyisin(2θ3)sin2θ2|∶∞∑i=0|12(E2yi-E2xi)sin(2θ2)sin(2θ3)|∶∞∑i=0|ExiEyisin(2θ2)cos(2θ3)|∶∞∑i=0|ExiEyisin(2θ3)cos2θ2|(3)A1∶A2∶A3∶A4≈∑i=0∞|ExiEyisin(2θ3)sin2θ2|∶∑i=0∞|12(E2yi?E2xi)sin(2θ2)sin(2θ3)|∶∑i=0∞|ExiEyisin(2θ2)cos(2θ3)|∶∑i=0∞|ExiEyisin(2θ3)cos2θ2|(3)由式(2),(3)可知,當(dāng)各段保偏光纖長(zhǎng)度一定時(shí),相干函數(shù)上各次峰的位置就會(huì)固定,各個(gè)熔接和耦合角度只影響峰值大小,且有tan(2θ3)=2A4A3tanθ2?有tan(2θ3)=2A4A3tanθ2?此時(shí)該式右邊與各頻率光波對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)Exi,Eyi無(wú)關(guān).因此只需利用次峰P3,P4大小及其熔接角度θ2即可估計(jì)波導(dǎo)尾纖與芯片的耦合角度,若將該信息反饋給對(duì)軸執(zhí)行裝置,就可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)軸.2耦合角度大小的估計(jì)對(duì)于一理想高斯光譜,其相干函數(shù)如圖2.按照?qǐng)D1所示原理,為不失一般性,取L1=1.5m,L2=1m,θ1=10°,θ2=43°,θ3=15°,則可以得到該理想高斯光譜經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后的調(diào)制光譜所對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)如圖3.比較圖2和圖3知,由于偏光干涉效應(yīng),經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后,相干函數(shù)上增加了四個(gè)次峰P1,P2,P3,P4,其位置分別為D1=0.824×10-12s,D2=1.648×10-12s,D3=2.5×10-12s,D4=4.155×10-12s,大小分別為A1=0.08077,A2=0.16415,A3=0.29911,A4=0.092211.則根據(jù)以上參量可估算出θ3=12arctan(A4A3?2tan43)=14.95°θ3=12arctan(A4A3?2tan43)=14.95°,這與原始仿真參量θ3=15°很接近.因此利用次峰P3,P4的信息能準(zhǔn)確地估算耦合角度大小.另外,在對(duì)軸過(guò)程中,隨著耦合角度θ3的變化(-90°～+90°),各個(gè)次峰大小變化如圖4.其次峰P4,P3的幅值之比A4A3變化如圖5.在此過(guò)程中,它會(huì)出現(xiàn)三個(gè)極小值R1,R2和R3,其中R1出現(xiàn)在θ3=0°,即APELiNbO3波導(dǎo)快慢軸和其保偏尾纖的快慢軸完全對(duì)軸時(shí).R2和R3分別出現(xiàn)在θ3=±90°,即APELiNbO3波導(dǎo)的快慢軸和其保偏尾纖的慢快軸完全對(duì)軸時(shí).由圖4可知,θ3=0°時(shí)次峰P3的幅值要小于θ3=±90°時(shí)P3的幅值,所以在實(shí)際中由于噪音的存在,R1>R2=R3≠0.因此當(dāng)掃描到極小值R1時(shí),即表明APELiNbO3波導(dǎo)與其保偏尾纖已經(jīng)對(duì)軸.設(shè)此時(shí)次峰P4,P3幅值大小分別為Al4,Al3,則其對(duì)軸角度對(duì)應(yīng)的串音約為20log(tan(12arctan(Al4Al3?2tanθ2))dB,最終準(zhǔn)確度受光譜儀噪音限制.3apelin—實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如圖6,為了增強(qiáng)偏光干涉效應(yīng),使其中光源保偏尾纖與待對(duì)軸的波導(dǎo)保偏尾纖以45°熔接,其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1≈0.65m,L2≈0.5m,并且兩尾纖的性能參量基本相同.通過(guò)測(cè)試光源出射光譜及其經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)之后的光譜,經(jīng)過(guò)逆傅里葉變換后可分別算得對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)如圖7和圖8.比較圖7和圖8可知,由于偏光干涉效應(yīng),經(jīng)過(guò)APELiNbO3波導(dǎo)后,相干函數(shù)上明顯增加了三個(gè)次峰P2,P3,P4,其位置分別為D2=0.83×10-12s,D3=1.08×10-12s,D4=1.9×10-12s,大小分別為A2=3.8×10-3,A3=0.031,A4=7.7×10-4,其中D2∶D3∶D4≈L2∶L1∶L1+L2.根據(jù)以上參量可估算出APELiNbO3波導(dǎo)尾纖對(duì)軸角度約為1.42°,對(duì)應(yīng)的串音為20log(tan(12arctan(A4A3?2tanθ2))=-32.1dB,這與實(shí)際測(cè)試出來(lái)的串音-31.2dB,對(duì)應(yīng)角度為1.57°很接近.根據(jù)上述理論分析和仿真結(jié)果,還有另外一個(gè)次峰P1,其位置應(yīng)該在D1=0.25×10-12s,但是由于其距離主峰很近,并且其幅值A(chǔ)1相對(duì)主峰來(lái)說(shuō)很小,所以圖8的相干函數(shù)中沒(méi)有顯現(xiàn)該次峰.因此在對(duì)軸時(shí),為了更全面的掌握各次峰信息,可以適當(dāng)加長(zhǎng)光源尾纖和待對(duì)軸的APELiNbO3波導(dǎo)尾纖的長(zhǎng)度及其兩者差值,使其均在相干函數(shù)的平坦區(qū)域,并且避開(kāi)光源相干函數(shù)本身存在的次峰和主峰位置.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)