基于熔融拉锥技术的双折射晶体包层型光纤偏振器的研究

赵海军，谢良平，曹 阳，董彩霞，王少华，张佳全

（西安飞行自动控制研究所，陕西 西安710065）

引言

光纤偏振器根据偏振原理不同，可以分为2大类［1］：一类是衰减型的，增加2个偏振模的衰减差；如环形线圈光纤偏振器［2］、微孔光纤偏振器［3］等；另一类是截止型的，让其中的一个偏振模截止，如金属包层光纤偏振器［4］、双折射晶体包层光纤偏振器［5］等。根据性能和应用场合不同，已分别应用于光纤水听器［6］、电流互感器［7］等光学系统中，其中不乏高精度和高可靠性光纤偏振器，但其制作工艺复杂、成本较高。相比而言，基于熔融拉锥技术的双折射晶体包层型光纤偏振器具有制造成本低、工艺简单、体积小、性能稳定、可靠性高等优点，具有很高的应用潜力，目前已应用于开环光纤陀螺仪中［8－10］。

对于该类型的偏振器国内外的一些学者和研究机构也进行过相应的研究，如 Wang Daogang［11］等报道了将一段光纤包层全部化学腐蚀，裸芯周围生长五硼酸钾得到在工作波长为1.25μm～1.6μm时消光比为40dB插入损耗为1dB的偏振器。Wang Zihua［12］等报道了在1.53μm 时得到的消光比为37dB，插入损耗小于1dB的偏振器。M.Wakaki［13］等报道了在工作波长为1 310nm～1 550nm时得到消光比为31.2dB的偏振器。通过建立简单模型，分析了影响该型光纤偏振器消光比的主要因素，兼顾性能和可靠性要求，对偏振器制作参数进行优化分析，并进行了相应的试验研究。

1 理论分析

图1 基于熔融拉锥技术的双折射晶体包层型光纤偏振器结构示意图Fig.1 Schematic of birefringent crystal－clad fiber－optic polarizer based on fused biconical taper

图1所示为晶体包层型光纤偏振器的结构示意图，整个结构包括底座、基底、拉锥光纤和双折射晶体。这种偏振器是将光纤去除涂覆层后经过高温加热拉伸成双锥型，采用定向温度梯度法在光纤锥腰部分生长双折射晶体，然后进行封装制作成偏振器，最小封装尺寸为3mm×3mm×10mm。

当光纤被拉伸至几个微米时，锥腰区域为直径几乎相等的均匀光纤［14］，如图2所示为光纤熔融拉锥后锥区光纤结构示意图。

图2 拉锥光纤结构示意图Fig.2 Schematic of fused biconical taper

为研究消光比与锥腰直径、晶体包层长度的关系，可建立如图3所示的简单模型，将拉锥光纤的锥腰区域等效成新芯层，双折射晶体等效成新包层，d为锥腰区域直径；b为晶体包层长度；ne为e光偏振方向的折射率；no为o光偏振方向的折射率；nk为锥腰区域的等效折射率。e光满足全反射条件无损耗通过锥区光纤（ne＜nk），o光不满足全反射条件部分通过锥区光纤（n0＞nk），部分泄露出去。

图3 （a）和（b）分别为锥腰部分e光和o光几何传输光路示意图Fig.3 Schematics of geometrical optical transmission of e and o waves in waist of fused biconical taper

假设o光的透射率和反射率分别为T和R，根据消光比的定义，偏振器消光比可表示为［15］

式中m为反射数。

由于晶体包层长度很短，可以忽略高阶模传输，只考虑一阶模传输，依据波导横向谐振条件有：

式中：θ为反射角，由于d为微米量级，可知cosθ很小，θ值接近90°。对于o光，根据折射定律有：

式中ψ为折射角。

反射数可近似表示为

根据菲涅耳公式，对于o光，其界面反射比为

将（4）式和（5）式带入（1）式可得：

对上式进行麦克劳林展开，取一阶近似可以得到消光比表达式如下：

从（7）式可以看出，影响偏振器消光比的主要参数有锥腰直径d和晶体包层长度b，且消光比与锥腰直径的3次方成反比，对消光比性能影响最大。锥腰直径越小，晶体包层长度越长，消光比越高。

2 优化分析

由以上理论分析可知，通过减小锥腰直径可以提高偏振器的消光比，但当锥腰光纤直径过小时，虽然偏振器的消光比很高，但偏振器在经受外界振动冲击和温度冲击时，容易出现由于内应力不匹配而导致锥腰光纤断裂的问题。锥腰光纤的断裂强度（或极限张力）可反映该型光纤偏振器经受外界环境冲击的能力，根据分子键合力理论，石英光纤的断裂强度σ表示为［16］

式中：E为石英玻璃的弹性模量；γ为石英玻璃的表面能；A为硅氧化学键的键长。锥腰光纤的理论可承受的极限张力可以表示为

从（9）式可以看出，影响锥腰光纤极限张力的主要参数为锥腰直径d。锥腰直径越小，光纤极限张力越小，偏振器可经受外界环境冲击能力越差，可靠性越低。因此，在偏振器设计时，必须兼顾消光比性能要求和可靠性要求。

3 实验研究和结果分析

为研究偏振器的消光比，采用椭圆应力区型保偏光纤，双折射晶体采用硝酸钠（NaNO3）负单轴晶体。实验中分别改变锥腰直径d和晶体包层长度b，对偏振器的消光比进行测试，每组参数下制作5个偏振器，取其平均值作为该组参数下的消光比测试结果，如图4所示，图4（a）为b＝2mm时锥腰直径发生变化时的仿真曲线，图4（b）为d＝7μm时包层长度发生变化时的仿真曲线。从图中可以看出，随着锥腰直径的逐渐增大，偏振器消光比迅速降低；随着晶体包层长度的逐渐增大，偏振器消光比基本呈线性增加趋势。

为研究偏振器的可靠性，对不同锥腰直径d，使用高精度数显式推拉力计对拉锥后的双锥光纤进行极限张力实验，每组参数下拉锥光纤5组，并进行拉断实验，取拉断张力平均值作为该组参数下的极限张力测试结果，如图5所示。从图中可以看出，随着锥腰直径的逐渐增大，拉锥光纤极限张力增加。

图4 （a）和（b）分别为锥腰直径和包层长度变化时消光比的实测值和仿真曲线Fig.4 Simulated curve and test data of extinction ratio versus diameter of biconical taper waist and length of cladding

图5 锥腰直径变化时极限张力的实测值和仿真曲线Fig.5 Simulated curve and test data of max tension versus diameter of biconical taper waist

基于以上理论分析和实验结果，综合考虑偏振器消光比和锥腰光纤强度，确定一组合适的参数制作光纤偏振器。当d＝7μm，b＝4mm时，共制作7个光纤偏振器，消光比测试结果见表1，在同一组制作参数下，当工作波长为850nm时，消光比优于30dB，损耗小于0.5dB。

表1 消光比和损耗的测试数据Table 1 Test data of extinction ratio and loss

图6所示为随机抽取一个偏振器的全温消光比变化曲线，从图中可以看出，在－50℃～＋70℃温度范围内消光比变化小于1.5dB，损耗变化小于0.5dB。

图6 （a）和（b）变温度下晶体包层型光纤偏振器的消光比和损耗测试结果Fig.6 Test result of PER and IS in－50℃ ～ ＋70℃

4 结论

分析了锥腰直径和包层长度的变化对晶体包层型光纤偏振器的影响关系，为该型偏振器的优化设计提供了理论依据。实验结果表明该型偏振器具有很好的温度性能和稳定性。目前已应用于开环光纤陀螺中，取得了很好的经济效益。该型偏振器也可推广应用于石油钻井、铁道轨检车等系统中。

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