激光消偏技术和偏振干涉滤波理论研究

论文摘要

激光消偏技术是消除单模光纤应用系统中偏振相关效应的一种有效方法，在长距离光纤通信、相干传感与测量等系统中具有重要作用。偏振干涉光滤波器是光学滤波器的一个重要分支，广泛用于光纤通信、光学信息处理等领域。本文对激光消偏技术作了系统的理论和实验研究，并从理论上研究了晶体型偏振干涉光滤波器的设计问题，取得了如下成果： 在阐述激光消偏原理的基础上，提出了一种等效双折射结构，基于此结构设计的消偏器包括：1) 新型偏振无关消偏器。设计了透射式和反射式两类偏振无关消偏器结构，研制了基于透射式结构的消偏器样机，实验室对半峰全宽度为0.13nm的激光消偏，消偏光偏振度小于2％，插入损耗和偏振相关损耗分别是1.0dB和0.09dB；封装的消偏器样机对半峰全宽度为0.2nm的激光消偏，消偏光偏振度小于1.2％，插入损耗为1.6dB。2) 提出了具有隔离功能的消偏器结构，理论分析表明该器件同时具有良好的隔离度和消偏性能。3) 与输入线偏振光振动方向无关的消偏器。通过在偏振相关型消偏器输入端增加一个1／4波片，消除了器件对入射线偏振光振动方向的相关性，实验中对半峰全宽度为0.13nm的激光消偏，消偏光偏振度小于2.6％。4) 用于多纵模线偏振激光的消偏器。在理论上深入研究了该类消偏器的参数优化问题，提出了具有隔离功能、与入射多纵模线偏振激光振动方向无关的消偏器结构，对任意方向振动的多纵模线偏振激光消偏，消偏光偏振度小于10％，隔离度大于27dB。 在偏振干涉滤波理论部分，提出了两种设计晶体型偏振干涉光滤波器的方法：1) 基于琼斯矩阵的单通晶体光滤波器设计算法；2) 基于z变换和格滤波器理论的双通功率半带晶体光滤波器设计算法。使用提出的算法设计晶体光滤波器可以获得可行的滤波器参数，并且算法性能可靠，过程简单。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 激光消偏技术概况
• 1.1.1 单模光纤系统中的偏振相关效应
• 1.1.2 激光消偏器的典型应用
• 1.1.3 激光消偏技术发展历史与研究现状
• 1.2 偏振干涉滤波理论概述
• 1.2.1 偏振干涉光学滤波器
• 1.2.2 晶体型偏振干涉光滤波器及其应用
• 1.2.3 晶体型偏振干涉光滤波器的设计方法
• 1.3 本论文的工作
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 主要内容与章节安排
• 第二章 偏振光理论与激光消偏原理
• 2.1 偏振光与偏振光学系统
• 2.1.1 光波的偏振态和偏振度
• 2.1.2 光学元件和偏振光学系统的琼斯矩阵
• 2.2 激光消偏原理
• 2.2.1 完全偏振光的描述
• 2.2.2 消偏光的偏振特性
• 2.2.3 激光消偏原理
• 2.3 频域消偏器的原理性结构与性能分析
• 2.3.1 频域消偏器的原理性结构
• 2.3.2 频域消偏器性能分析方法
• 2.4 消偏器的参数及测试
• 2.4.1 消偏器的偏振相关损耗特性
• 2.4.2 光波偏振度的测量方法
• 2.4.3 消偏光偏振度测量方法
• 第三章 偏振无关消偏器的设计与实验研究
• 3.1 等效双折射结构
• 3.2 基于等效双折射的消偏器结构设计
• 3.2.1 偏振相关型消偏器
• 3.2.2 偏振无关型消偏器结构与工作原理
• 3.3 偏振无关型消偏器的实验研究
• 3.3.1 实验光源和元件参数
• 3.3.2 消偏器结构参数设计
• 3.3.3 实验调试与测试方法
• 3.3.4 实验测试结果
• 3.3.5 和国内外消偏产品的比较
• 3.4 与入射线偏振光振动方向无关的消偏器
• 3.4.1 消偏器结构设计
• 3.4.2 QWP对消偏性能的影响
• 3.4.3 实验研究
• 第四章 用于多纵模激光的消偏器设计
• 4.1 引言
• 4.2 用于多纵模激光的消偏器分析与设计
• 4.2.1 消偏器参数设计与性能分析
• 4.2.2 消偏器性能与光源光谱参数关系的仿真分析
• 4.2.3 实际光源光谱特征对消偏性能的影响
• 4.3 用于多纵模激光的消偏器实验研究
• 4.3.1 消偏器实验装置
• 4.3.2 消偏实验结果
• 第五章 具有隔离功能的激光消偏器研究
• 5.1 引言
• 5.2 具有隔离功能的偏振无关型消偏器
• 5.2.1 透射式结构
• 5.2.2 反射式结构
• 5.3 具有隔离功能的消偏器性能分析
• 5.3.1 隔离度分析模型和理论计算式
• 5.3.2 隔离度数值分析结果
• 5.3.3 增加隔离功能对消偏器其它性能的影响
• 5.4 用于多纵模激光的隔离型消偏器
• 第六章 晶体型偏振干涉光滤波器的设计方法
• 6.1 基于琼斯矩阵的单通晶体光滤波器设计方法
• 6.1.1 晶体光滤波器的琼斯矩阵
• 6.1.2 单通晶体光滤波器的设计方法
• 6.1.3 设计举例与讨论
• 6.2 用z变换描述晶体光滤波器
• 6.2.1 z变换描述的意义
• 6.2.2 晶体光滤波器的z变换模型
• 6.3 基于z变换的双通晶体光滤波器设计方法
• 6.3.1 双通晶体光滤波器的滤波特性
• 6.3.2 功率半带滤波特性对滤波器结构的约束
• 6.3.3 功率半带频率响应的设计
• 6.3.4 频率响应到结构参数的映射
• 6.3.5 设计算法与举例
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文