光无源器件——偏振分光棱镜的设计
Harbin Institute of Technology
设计报告
课程名称： 光纤技术与应用 设计题目： 偏振分光棱镜 院 系： 航天学院 班 级： 0921103 姓 名： 董涛 学 号： 1092110319 指导教师： 张爱红 设计时间： 2012 年 04 月
哈尔滨工业大学
偏振分光棱镜的设计
设计目的
光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。常见的光无源器件有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关、环形器、隔离器、衰减器等。
目前，光无源器件正朝着高性能、高集成、低损耗的方向发展，由一个双光纤头配合一个自聚焦透镜构成的双光纤准直器来替代两个单光纤准直器，大大缩小了器件的尺寸，在解波分复用器中已得到广泛应用，而且三端口或三端口以上的光无源器件也越来越多地采用这种结构。但是，由于共用一个自聚焦透镜，通过双光纤准直器出射的两条光束并不严格平行，往往需要用棱镜或棱镜组通过特定的耦合角度与其匹配。常用的棱镜组有屋脊棱镜和渥拉斯顿棱镜。另外在许多偏振无关的光无源器件中，往往需要将输入光束中正交的偏振态分光、处理，然后再合光，因此偏振光合束器有着重要作用。
本文设计一种新型偏振分光棱镜组，在实现双光纤准直器角度匹配的同时，实现合光功能。其结构简单，加工、检测方便，可以将这种结构应用于光环行器和偏振光合束器中。
设计原理
既然是一种棱镜光学元件，其工作原理遵守光学的基本规律、几何光学理论和物理光学理论，各项技术指标、计算公式和测试方法对其都适用。
在设计之前，需要计算双光纤准直器的角度匹配。其光路图（图1）：
图1：双光纤准直器光路图
图 1为双光纤准直器的结构，为减小回波损耗，常将自聚焦透镜与光纤头的对接面磨一小的楔角?。本文所用的双光纤准直器两光纤的排列方向沿楔角方向。设光纤头至自聚焦的端面的距离为d0，自聚焦透镜的聚焦常数为A，轴线折射率为n0，长度为L。
设光从光纤头出射的为高斯光束，束腰处在出射面，束腰半径为w0，经自聚焦透镜准直输出的传输矩阵
?A1??C1?sin(AL)?B1??cos(AL)??1d0?n0??? （1） ??D1??01???nAsin(AL)cos(AL)???0?其中L为光束进入自聚焦透镜的入射点至自聚焦透镜输出端面的轴向距离。计算得到最终出射光束的模场半径w1和波振面半径R1，以此确定所用自聚焦透镜的工作距离2Z，其中Z为
Z?R1/[1?(?R1/?w12)2]（2）
对于所需的特定工作距离，通过改变d0值获得。对于双光纤准直器，两根光纤并排位于自聚焦透镜的轴线两侧，r0为光纤直径，所以有r11?r0，r21?r0。
由于?角的存在，从光纤出射的中心光线的方向角j11=j21=arcsin(nfsin?)，其中nf为光纤芯层折射率。由此可以得到两光束经过光纤头和自聚焦透镜中间间隙后到达自聚焦透镜端面的参数r11，r22，j12，j22以及入射点到轴线端点的水平位移x1，x2，那么可将有楔角的自聚焦透镜等效为两个长度分别为(L?x1)和(L?x2)的垂直圆柱体，由于自聚焦透镜的折射率相对离轴位移成二次分布
n(r)?n0(1?Ar2/2) （3）
（4）
由两入射点的位置求出两光束的等效入射角度j12'和j22'
j12'?arcsin{n(r12)sin[arcsin(sinj12/n(r12))??)]}
j22'?arcsin{n(r22)sin[arcsin(sinj22/n(r22))??)]}
（5）
j12'和j22'分别为两圆柱形自聚焦透镜的假想入射角，再由圆柱形自聚焦透镜的传
输矩阵计算出最终出射光线的方向
cos[A(L?x1)]sin[A(L?x1)]/n0A??r12??r13????'? （6） ?????jcos[A(L?x1)]??13??n0Asin[Asin(L?x1)]??j12?cos[A(L?x2)]sin[A(L?x2)]/n0A??r22??r23????'? （7） ?????cos[A(L?x2)]??j23??n0Asin[Asin(L?x2)]??j22?两光线的夹角j23?j13。
设计图案
棱镜的结构如图2，它与渥拉斯顿棱镜相似，由两块楔形单轴双折射晶体粘结而成，其中晶块I的光轴与入射面平行且与水平方向成θ角；晶块II光轴与两晶体的粘结面平行。由于两晶体的光轴相互垂直，则从左端入射的一束普通光线，经过晶体I分为两束偏振态相互垂直的线偏光，然后由于它们各自的偏振态在两块晶体中的折射率不同，发生如图2所示的折射现象，使最终出射光线夹角正好与所用双光纤准直器匹配，能同时完好地耦合进入两条光纤中。
图2：棱镜结构
光束环路部件的设计
如图2所示，任意偏振态的一束光从左至右入射该棱镜，在晶体I中发生双折射，寻常光（O光）和非寻常光（e光）间产生一个离散角而被分离。由于晶体I和晶体II的光轴相互垂直，则在晶体I中的O光和e光分为晶体II中的e光和O光。
光无源器件——偏振分光棱镜的设计
