偏振非互易保偏光纤耦合器研究

Optical couplers are very important devices in optical communication systems and optical sensor systems. Several types of optical couplers with different materials or different transmission characteristics have been investigated. In this project, we propose a polarization maintaining fiber (PMF) coupler with novel transmission characteristics, which is distinct from the typical PMF coupler and the polarization beam splitter. When input linearly polarized light, the novel coupler will act as a typical PMF coupler. When input elliptically or circularly polarized light, the transmission arm of the novel coupler will act as an in-line polarizer to translate the elliptically or circularly polarized light into linearly polarized light with high polarization extinction ratio (PER), and the coupling arm will act as a typical PMF coupler. In this project, we will analyze the transmission characteristics of the novel PMF coupler theoretically and experimentally. We investigate the transmission characteristics of the proposed coupler using the analytical equations based on coupled-mode theory for optical fibers, as well as the simulation using the finite different time domain method. Based on the theory and the simulation, we design and fabricate the proposed coupler with novel transmission characteristics. This novel PMF coupler can be widely used in coherent optical fiber communications, quantum communications and optical sensor systems.

光纤耦合器是光纤通信和光纤传感系统中的关键无源光器件，其理论分析和实验研究受到国内外科研人员的广泛关注。本项目将深入研究一种新概念的偏振非互易保偏光纤耦合器，这种耦合器不仅可对光信号进行分束合束，还可对光信号起偏振，其起偏振机理不同于现有的各类起偏器，是一种将传统的耦合器和起偏器的功能集于一身的新型光纤器件。采用这种新型耦合器可大幅减小系统插入损耗，从而提高系统的整体性能和可靠性。本项目拟从理论分析、仿真计算和实验验证三方面对这种耦合器展开研究。1、基于耦合模理论，导出两个正交偏振模式耦合系数的解析解，揭示新型耦合器的起偏振机理。2、采用时域有限差分法对新型耦合器进行建模、仿真研究，确定其关键参数设计原则。3、实验验证新型耦合器的独特传输特性。这种新概念的偏振非互易保偏光纤耦合器在相干光通信、量子通信和光纤传感等领域有广阔的应用前景，对其研究具有重要的科学意义和理论价值。

光纤耦合器是光纤通信和光纤传感系统中的关键无源光器件，本项目提出一种偏振非互易保偏光纤耦合器，不仅可对光信号进行分束合束，还可对光信号起偏振，其起偏振机理不同于现有的各类起偏器，是一种将传统的耦合器和起偏器的功能集于一身的新型光纤器件。该耦合器在相干光通信、光纤传感和量子通信等领域有广阔的应用前景，对其研究具有重要的科学意义和理论价值。项目组围绕偏振非互易耦合器的起偏振机理、设计理论和实验应用等方面展开研究，主要完成以下工作：1、基于耦合模理论，建立并求解了偏振非互易保偏光纤耦器合的双偏振耦合模方程，揭示了该耦合器的起偏振机理。2、建立应力双折射和形状双折射保偏光纤模型，采用时域有限差分法完成对耦合器的三维传输特性仿真，并确定其设计参数。3、根据耦合模理论和仿真分析结果所确定的设计参数，制作偏振非互易耦合器样品。设计耦合器评估测试系统，对耦合器的关键参数进行测试评估。当输入x线偏振光时，耦合器3、4端口的分光比52%:48%；当输入y线偏振光时，测得耦合器3、4端口的分光比0.042%:99.958%；当输入光为圆偏振光时，耦合器的最大输出消光比为31.8dB（@841.2nm），并且在中心波长840nm带宽大于25nm的范围内，耦合器的输出消光比大于20dB。实验证明，偏振非互易耦合器是将传统耦合器与起偏器的功能集成于一身的新型光纤器件。4、将偏振非互易保偏光纤耦合器应用于光纤陀螺系统中，实现了光纤陀螺仪的新型光路结构，使光纤陀螺仪的信噪比提高了1倍，高频噪声（角度随机游走）和低频漂移（零偏不稳定性）都降低了50%以上，系统性能得到了明显改善。该成果已在国内外多家油井测斜设备制造公司得到应用，取得了很好的经济效益和社会效益。5、在项目执行期间，在国内外重要学术期刊或会议上发表论文、论著8篇，其中SCI/EI收录6篇。参加国际学术会议3次，国际学术交流访问1次。培养博士研究生1名，硕士研究生4名。1名参与者在项目执行期间由讲师晋升为副教授。