光纤偏振实验仪实验指导书V1.0模板.doc

目 录第一章 实验仪说明 2一、产品介绍： 2第二章 实验指南 3一、实验目的 3二、实验内容 3三、实验仪器 3四、实验原理 3五、注意事项 7六、实验步骤 7- 1 -第一章 实验仪说明一、产品介绍：在相干光纤通信系统、 光纤传感器、 光纤陀螺以及其他相干检测中， 要求本振光与信号光的偏振方向一致 然而各系统中特别是相干光纤通信系统中， 信号光由发射端至接收端光纤传输线路上， 因外界因素导致输出光的偏振态发生变化并且是随机的， 使检测信号变坏而无法工作因此必须采用保偏光纤或一般单模光纤加上偏振控制器，以获得偏振匹配在相干光纤通信系统、 干涉型光纤传感器、 光纤陀螺等采用的都是单模光纤， 而单模光纤中传输光的偏振态因为光纤的弯曲、 扭曲、外界的扰动等原因使传输光的偏振态发生变化，进而导致光强、 光稳定性发生变化， 其结果是使光纤传感系统的输出信号很不稳定或者使通信系统发生紊乱 采用保偏光纤可以较好地解决光地偏振态问题， 但是价格很昂贵； 若采用光纤偏振控制器则成本低、操作简单、实用性强，也能较好地解决光的偏振态问题偏振光学综合实验仪把半导体激光光源注入到单模光纤，通过调整单模光纤偏振控制器，来改变经过单模光纤偏振控制器后输出光的偏振态， 然后检测输出光光强的变化， 从而得到光纤中所需要的线性偏振光， 整个过程操作简单， 实验效果比较理想。

光纤偏振测量系统实验仪采用的特种单模光纤， 该实验仪重点研究特种光纤的结构特点、 光路调整方法、 光源的偏振特性、 单模光纤偏振控制器的调节原理与方法、 单模光纤偏振控制器的制作以及电路设计、偏振光偏振度的计算2第二章 实验指南一、实验目的1、了解和掌握半导体激光器工作原理及发光特性2、了解和掌握特种光纤的结构特点3、掌握光纤涂覆层去除及断面处理4、掌握光纤偏振控制器制作5、掌握单模光纤中传输光偏振态的调制二、实验内容1、光纤端面处理实验2、光源输出光特性实验3、光路组装调试实验4、光源光纤耦合实验5、光纤传输特性实验6、光纤中获得线性偏振光实验三、实验仪器1、半导体激光器1个2、光学平台及组件1套3、光纤1根4、偏振片组件2套5、光纤偏振控制器1套6、物镜2个四、实验原理1、半导体机关器工作原理光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的， 其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展 LD,LED 这些神奇的电子器件便是这一发展的结果， 尤其是近期有机光电材料的发展，更是极大的推动着光电材料的进步首先半导体为什么会发光呢？当电子从导带跳下来进入价带的时候， 会损失一定的能量， 这些能量就变成了光子发射出来，通俗的说就是发光了。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 PN结或 PIN 结为工作物质的一种小型化激光器半导体激光器工作物质有几十种半导体激光器的激励方式主要有三种， 即电注入式、 光泵式和高能电子束激励式 绝大多数半导体激光器的激励方式都是电注入，即给 Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管对半导体来说， 由于电子是在各能带之间进行跃迁， 所以跃迁能量不是个确定值， 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上它们所发出的波长在 0.3-34um 之间其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是 ALGaA:双异质结激光器，其输出波长为750-890nm世界上第一只半导体激光器是 1962 年问世， 经过几十年来的研究， 半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、 红光到蓝绿光， 覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数3也有了很大的提高，器制作技术经历了由扩散法到液相外延法（ LPE），气相外延法（ VPE）,分子束外延法（ MBE），MOCVD方法（金属有机化合物汽相淀积） ，化学束外延法（ CBE）以及他们的各种结合型等多种工艺， 其激射闭值电流由几百 mA降到几十 mA，知道亚 mA，其寿命由几百到几万小时乃至百万小时， 从最初的低温 77K 下运行发展到常温下连续工作， 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级。

具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高、便于直接调制及省电等优点，因此应用领域日益扩大目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首， 某些重要的应用领域过去常用的其它激光器，已逐渐为半导体激光器所取代半导体激光器最大的缺点是： 激光性能手温度影响大， 光束发散角较大 （一般在几度到20 度之间），所以在方向性、单色性和相干性等方面较差但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的性能在不断提高， 目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平， 而且光束质量也有了很大的提高2、随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高WDM 系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求目前，单波长传输速率为10Gb/s的 WDM 系统正在建设使用中，而传输速率为 40Gb/s的 WDM 系统也已经进入了人们的视野在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（ PMD ）、电光调制器中的偏振相关调制（ PDM ），以及光放大器中的偏振相关增益（PDG ）等一系列由偏振引起的损害也越来越敏感 这些损害主要是由光纤本身的缺陷造成的，在理想化的光纤中， 传输光的偏振态（ SOP ）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害也很容易消除。

而在实际使用的标准通信光纤中， 传输光的偏振态是沿光纤不断变化的（一般来说， 普通光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度），产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性由于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的动态偏振控制用于 PMD 补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态 除了插入损耗低、 回波损耗高等优点外， 理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数：1 ）高响应速度是对快速变化的偏振态进行跟踪的必备要素 外界环境会对已铺设的光缆造成不同程度的影响， 如火车经过时的振动对沿铁路铺设的光缆、 海浪拍击对海底光缆都会产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化目前，使用 PMD 记录仪现场测量，已经可以观测到量级为几个毫秒的快速起伏变化因此，用于 PMD 补偿的动态偏振控制器的响应时间必需小于 1ms。

在实际应用中，动态偏振控制器的响应时间要求小于100μ s 2 ) 启动损耗，它量度了启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值 由于所有偏振相关损害的补偿机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的， 所以，控制器启动时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误， 从而直接导致仪器的性能下降 另外，在使用偏振控制器进行 PDL 测量的仪器中，启动损耗还会限制仪器测量的分辨率和准确度类似的，偏振控制器自身的 PDL 也会使反馈信号产生错误，使补偿的软件、硬件设计变得非常复杂3) 宽工作带宽对密集波分复用 ( DWDM)系统来说是非常重要的足够宽的工作带宽可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，这样不仅可以简化系统的设计， 降低系统成4本，而且使系统带宽扩展成为可能4) 偏振控制器的无中断调节也是非常重要的一个特性 因为，在对光网络中， 任何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类： 一种是由多个延迟固定、 方位角可变的波片组成的； 另一种由单个延迟可调、 方位角可变的波片组成； 还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。

其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敏感的， 依靠机械旋转来调节波片的偏振控制器调节速度非常慢， 除了这些固有的限制外， 以上三种方法原则上都是可行的， 但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性图 1 是一个典型的偏振控制器的结构图，它由三个可旋转的波片组成， 一个 λ /2 （ HWP ）波片处于两个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偏振光转变为线偏振光，然后λ /2 波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏振方向，于是第二个λ /4波片就能将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态 在这种实现方法中， 波片的延迟是固定的，但波片的相对角度是可变的虽然，这种方法应用在商用化的产品中已经颇见成效，但这项技术毕竟存在很多缺点首先，光线的准直、对轴、聚焦不仅费时，而且耗费众多劳力其次，波片、微透镜等元件都价格不菲，并且需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射再次，由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出， 然后再将其聚焦进入另一根光纤，以至于插入损耗大而且，波片本身就对波长敏感（任何分数波片的确定都是针对某个固定波长的），从而使得此种偏振控制器也对波长敏感。

最后， 使用电动机或其它机械器件旋转波片，都会限制偏振控制器的控制速度3、起偏与检偏将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏， 起偏的装置称为起偏。