DOI:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2008.12.001电子科技2008年第21卷第12期
一种新型偏振分束器的研制
李香华,刘永智,代志勇
(电子科技大学光电信息学院,四川成都 610054)
摘 要 偏振分束器能将非偏振光分成两束正交的线偏振光。文章详细的叙述了具有高消光比﹑高透射率的偏振分束器的结构设计、制作工艺及实验结果,并对实验结果进行了仔细分析,说明了研制过程中影响偏振分束器消光比、透射率的因素,最后介绍了偏振分束器的应用前景。研制的偏振束器能使入射光的振动方向相互垂直的O光E光均垂直于其输出端面输出,分束角约为102°,光强分束比近似为1,透射率为95%,消光比接近50dB。
关键词 消光比;透射率;偏振分束器;自聚焦透镜
中图分类号 TN202 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2008)12-024-04
ANovelFabricationMethodforPolarizationBeamSplittersLiXianghua,LiuYongzhi,DaiZhiyong
(SchoolofOpto-ElectronicInformation,UESTofChina,Chengdu610054,China)
Abstract Thestructuredesignandfabricationmethodofpolarizationbeamsplitters(PBS)withhighex-tinctionratioandtransmissivityhavebeenintroducedinthispaper.Theexperimentalresultsarediscussed,andthecontributingfactorstotheextinctionratioandthetransmissivityofPBSareanalyzed.TheprospectsofPBSareintroduced.
Keywords extinctionratio;transmissivity;polarizationbeamsplitters;self-focusinglens
偏振分束器就是将一路输入光分成两束正交的
信号光输出,随着光纤通信及光纤传感测量技术的迅猛发展,偏振分束器变得越来越重要,尤其是具有高消光比和高透射率的偏振分束器。到目前为止,研制的偏振分束器有:Ti扩散铌酸锂偏振分束器
[1]
1 偏振分束器的结构设计
图1为高消光比的偏振分束器结构,由带尾纤的自聚焦透镜(光纤准直器)和OE双输出棱镜(消
光比为50dB)组成,输入光经透镜准直成平行光垂直耦合进OE双输出棱镜,在棱镜的输出端将输出的两束正交线偏振光分别经透镜聚焦耦合进光纤,由光电探测器接收。此偏振分束器的结构设计可以获得低损耗、高透射率、高消光比,并且体积小,便于与其它器件封装在一起
。
,其TE/TM的消光比分别为21.2dB和
[2]
19.5dB;熔锥型光纤偏振分束器,其直通臂和耦
合臂的消光比分别为14.14dB和14.11dB。以上产品的消光比都不太理想,在输出端得不到纯净的正交线偏振光,影响对光纤中偏振态的精确分析。文中研制的偏振分束器可以获得较高的消光比,可达到约50dB,并且有较高的透射率约95%,从而减少了光路的损耗,具有非常大的应用潜力。
收稿日期:2008-03-11
作者简介:李香华(1977-),女,硕士研究生。研究方向:光纤传感器,光电信号处理。
图1 偏振分束器的结构
1.1 低损耗准直器的结构设计
低损耗准直器由1/4节距的自聚焦透镜和光纤
[3]
及插针组成,结构如图2所示。
图3 OE双输出棱镜结构设计
石晶体是负单轴晶体,设它的两个主折射率分别为n,E光的折射率取主折射率n光的折射o和nee,O
图2 光纤准直器
率取主折射率nnno且有no>e,它的折射率差(e-n较大。由光的全反射理论,当光由方解石晶体射o)
入折射率为n(n
n
iarcco=
noiarcce=ne
(3)(4)
本结构在设计时选用自聚焦透镜而不用普通透镜,原因是普通光学透镜材料的折射率是单一的,依靠透镜的表面形状使光线发生折射而达到设计所需的光学性能,其光束发散角较大;而自聚焦透镜是渐变折射率透镜,它的折射率服从平方律分布规律
[4]
n(r)=n1-Ar)0(
自聚焦透镜的聚焦常数。
222
(1)
由式(3)和式(4),得出ii,所以入射角co
度从小逐渐变大时,O光首先满足全反射条件,从而发生全反射,而E光不满足全反射条件而透射。空气隙棱镜的结构角
2[5]
式中,nr为离轴距离,A为0为轴线折射率,自聚焦透镜(GRIN)有很好的聚光,准直特性。根据自聚焦透镜的传光原理,对于1/4节距的自聚焦透镜,当汇聚光从光纤输出端输入进自聚焦透镜后,经准直变成平行光输出,可以获得很小的发散角,使输出的光束几乎全部垂直棱镜的入射面,从而很好地降低了光路的损耗。其次选用光纤作为尾纤,直接粘合在自聚焦透镜的焦点上,也较好的降低了光从光纤耦合进自聚焦透镜时带来的损耗。最后在自聚焦透镜的输出端面上镀上一层增透膜,可以大大地减少光在界面上的反射带来的损耗,提高了系统透射率。
1.2 高消光比、高透射率的OE双输出棱镜的设计
偏光镜消光比定义为
ρ=T2/T1
[5]
由下式给出
(n1+(n1o-e-tgS2
2
(5)
OE双输出棱镜的设计就是采用空气隙结构。设计适当的结构角S(iS
-5
(2)
其中T1、T2分别是入射光的振动方向对偏光镜主截面的平行分量和垂直分量的透射比,两者
统称为主透射比,通常TE双输出棱镜设1 T2。O计,如图3所示。
OE双输出棱镜由天然晶体冰洲石材料(方解石
[6]
晶体)制作的,由两半块晶体胶合而成,中间为圆形的空气隙结构
[7]
,空气隙垫片取26μm。方解
/月
低损耗。
2 偏振分束器的制作
实验器材有YSLD6215型波长为650nm可见光光源、电源、准直器、棱镜、光功率计、五维微调架组成。实验系统结构,如图4所示。
从表1中可以看出,O光和E光的透射率都很高,而且比较稳定。经计算,O光透射率平均为95%,E光的透射率平均为86%。E光的透射率比O光的透射率低,是因为在空气隙界面有部分E光发生了反射,从侧面输出。样品测试时,影响透射率有微小变化的原因是,光在光纤中传输时,光纤的弯曲,即受到外界的扰动时均引起光的损耗。设计的OE双输出棱镜的消光比,经高消光比测试系统测试接近50dB。在研制分束器时,精确调节五维调节架,可提高样品的消光比。其中O端面的消光比略低于E端面,因为O端面包含着反射的微弱的E光。
4 研制时影响消光比、透射率的因数
图4 偏振分束器制作系统
本系统自聚焦透镜的输出光束直径为0.46mm～0.5mm,工作距离15mm,OE双输出棱镜体积7×7×9mm,通光口径为5mm。准直器和棱镜、准直器和准直器之间的对准通过五维调节架手工调节,输出端接功率计检测耦合后输出光的光功率,以达到将损耗降到最小,输出最大光强的目的。
本实验首先加工一块符合条件的有机玻璃做基板,再加工数个中空的长方体有机玻璃,用以固定圆柱形准直器。选用一种特定的光学胶,使器件之间粘的牢固,且快速凝固。实验开始时先用无水乙醇清洁各种光学器件,然后将OE双输出棱镜用化学胶牢牢的固定在基板上。接着使用五维调节架调整准直器与棱镜,使输入光水平垂直的耦合进棱镜。采用650nm光作为输入光,当红光经棱镜分光后,在棱镜的输入光端面的正对面垂直输出E光;在侧面输出一强一弱两束光,经偏振片检测强光为O光,弱光为E光。当把输出的O光耦合进接收准直器时不必考虑弱E光,原因是强O光垂直端面输出,而弱E光与端面有一倾角输出,经准直器后都损耗掉了;其次弱E光相当弱,不到强O光的4%,可忽略不计。3 测试结果
表1 测试结果
输入光功率/wm1.2211.1021.0010.9050.8540.7630.620输出E光功率/wm0.5250.4790.4270.3860.3690.3200.267输出O光功率/wm0.5800.5290.4740.4250.4070.3620.393
3
首先,在进行准直器的对准时,有如下几个问题影响透射比
[3]
:离轴耦合失配、偏角耦合失
配和间距耦合失配,如图5～图7所示。
在使用五维调节架手工调节时,必须将上述3种失配问题减到最小,否则带来的附加损耗太大,不仅直接影响测量距离,而且会影响测量精度,更会极大地影响消光比。故在用五维调节架调节前两种失配时,必须保证实验平台及调节架和基板的稳定牢固性,即外界的振动不能引起仪器的微动。对于图5间距耦合失配,值得注意一点是,光纤准直器的耦合损耗对一定范围(15mm)的轴线间距不太敏感。在15mm以内,轴向拉开两光纤准直器,其耦合损耗变化很小,可以忽略,所以只要保证两准直器之间的距离
其次,手工调节五维架时,准直器与棱镜之间要有一定的空隙,否则调节过程中易引起棱镜
ec,
输入或输出端面上的增透膜有划痕,会大大降低透射率。
最后,在调节过程中,要保证输入进棱镜的光垂直棱镜的通光端面,若不垂直则会降低消光比。5 结束语
偏振分束器是获得线偏振光的无源器件,是光通信和现代光信息技术发展和产业化的基础器件。文中设计的偏振分束器具有很高的消光比及透射率,能更广泛地应用于偏光导航、光纤通信、光电检测及光传感等技术领域。参考文献
[1] 崔建民,冯立辉.基于Ti扩散铌酸锂偏振分束器的
研制[J].光学技术,2007,33(1):92-94.
[2] 魏道平,赵玉成.熔锥型光纤偏振分束器的一种新型
制作方法[J].铁道学报,
1999,21(1):58-61.
[3] 朱少丽,徐秋霜,刘德森.自聚焦透镜在光纤准直
器中的应用分析[J].西南师范大学学报(自然科学版),2004,29(3):379-382.
[4] 刘德森,高应俊.变折射率介质的物理基础[M].北
京:国防工业出版社,1991.
[5] 李景镇.光学手册[M].西安:陕西科学技术出版
社,1986.
[6] 王 伟,吴福全,苏富芳.OE双输出棱镜的分束角
和光强分束比研究[J].激光技术,560-562.
[7] 史 萌,吴福全.空气隙厚度对格兰–泰勒棱镜透
射光强扰动影响的理论分析[J].光学与光电子技术,2005,
3(4):50-53.
2003,
27(6):
(上接第23页)
的少数载流子的浓度,这既有利于提高器件的饱和驱动电流,另外一方面也导致了少数载流子浓度的降低,有利于改善器件的漏电流,这些已经得到实际数据的验证。3 结束语
文中讲述了一种可以在实际工业界量产的提升漏极击穿电压的工艺改进方法。提升漏极击穿电压,首先要界定漏极击穿的类型,然后,结合实际产品设计的需要进行相应的工艺改进,以提升器件的漏极击穿电压。
参考文献
[1] ToyabeT,YamaguchiK,AsaiS,etal.ANumerical
ModelofAvalancheBreakdowninMOSFETs[J].IEEETrans.ElectronDevices,1978(ED-25):825-833.[2] WuShiungFeng,ChanTY,ChenmingHu.MOSFET
DrainBreakdownVoltage[J].IEEEElectronDevicesLetters,1986,7(7):449-450.
[3] MariusKOrlowski,ChristophWerner.ModelfortheE-lectricFieldsinLDDMOSFETs—PartII:FieldDistri-butionontheDrainSide[J].IEEETrans.ElectronDevices,1989,36(2):36-40.
欢迎订阅《电子科技》杂志
联系电话:029-88202440 Http://www.dianzikeji.comEmail:[email protected]
/月
DOI:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2008.12.001电子科技2008年第21卷第12期
一种新型偏振分束器的研制
李香华,刘永智,代志勇
(电子科技大学光电信息学院,四川成都 610054)
摘 要 偏振分束器能将非偏振光分成两束正交的线偏振光。文章详细的叙述了具有高消光比﹑高透射率的偏振分束器的结构设计、制作工艺及实验结果,并对实验结果进行了仔细分析,说明了研制过程中影响偏振分束器消光比、透射率的因素,最后介绍了偏振分束器的应用前景。研制的偏振束器能使入射光的振动方向相互垂直的O光E光均垂直于其输出端面输出,分束角约为102°,光强分束比近似为1,透射率为95%,消光比接近50dB。
关键词 消光比;透射率;偏振分束器;自聚焦透镜
中图分类号 TN202 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2008)12-024-04
ANovelFabricationMethodforPolarizationBeamSplittersLiXianghua,LiuYongzhi,DaiZhiyong
(SchoolofOpto-ElectronicInformation,UESTofChina,Chengdu610054,China)
Abstract Thestructuredesignandfabricationmethodofpolarizationbeamsplitters(PBS)withhighex-tinctionratioandtransmissivityhavebeenintroducedinthispaper.Theexperimentalresultsarediscussed,andthecontributingfactorstotheextinctionratioandthetransmissivityofPBSareanalyzed.TheprospectsofPBSareintroduced.
Keywords extinctionratio;transmissivity;polarizationbeamsplitters;self-focusinglens
偏振分束器就是将一路输入光分成两束正交的
信号光输出,随着光纤通信及光纤传感测量技术的迅猛发展,偏振分束器变得越来越重要,尤其是具有高消光比和高透射率的偏振分束器。到目前为止,研制的偏振分束器有:Ti扩散铌酸锂偏振分束器
[1]
1 偏振分束器的结构设计
图1为高消光比的偏振分束器结构,由带尾纤的自聚焦透镜(光纤准直器)和OE双输出棱镜(消
光比为50dB)组成,输入光经透镜准直成平行光垂直耦合进OE双输出棱镜,在棱镜的输出端将输出的两束正交线偏振光分别经透镜聚焦耦合进光纤,由光电探测器接收。此偏振分束器的结构设计可以获得低损耗、高透射率、高消光比,并且体积小,便于与其它器件封装在一起
。
,其TE/TM的消光比分别为21.2dB和
[2]
19.5dB;熔锥型光纤偏振分束器,其直通臂和耦
合臂的消光比分别为14.14dB和14.11dB。以上产品的消光比都不太理想,在输出端得不到纯净的正交线偏振光,影响对光纤中偏振态的精确分析。文中研制的偏振分束器可以获得较高的消光比,可达到约50dB,并且有较高的透射率约95%,从而减少了光路的损耗,具有非常大的应用潜力。
收稿日期:2008-03-11
作者简介:李香华(1977-),女,硕士研究生。研究方向:光纤传感器,光电信号处理。
图1 偏振分束器的结构
1.1 低损耗准直器的结构设计
低损耗准直器由1/4节距的自聚焦透镜和光纤
[3]
及插针组成,结构如图2所示。
图3 OE双输出棱镜结构设计
石晶体是负单轴晶体,设它的两个主折射率分别为n,E光的折射率取主折射率n光的折射o和nee,O
图2 光纤准直器
率取主折射率nnno且有no>e,它的折射率差(e-n较大。由光的全反射理论,当光由方解石晶体射o)
入折射率为n(n
n
iarcco=
noiarcce=ne
(3)(4)
本结构在设计时选用自聚焦透镜而不用普通透镜,原因是普通光学透镜材料的折射率是单一的,依靠透镜的表面形状使光线发生折射而达到设计所需的光学性能,其光束发散角较大;而自聚焦透镜是渐变折射率透镜,它的折射率服从平方律分布规律
[4]
n(r)=n1-Ar)0(
自聚焦透镜的聚焦常数。
222
(1)
由式(3)和式(4),得出ii,所以入射角co
度从小逐渐变大时,O光首先满足全反射条件,从而发生全反射,而E光不满足全反射条件而透射。空气隙棱镜的结构角
2[5]
式中,nr为离轴距离,A为0为轴线折射率,自聚焦透镜(GRIN)有很好的聚光,准直特性。根据自聚焦透镜的传光原理,对于1/4节距的自聚焦透镜,当汇聚光从光纤输出端输入进自聚焦透镜后,经准直变成平行光输出,可以获得很小的发散角,使输出的光束几乎全部垂直棱镜的入射面,从而很好地降低了光路的损耗。其次选用光纤作为尾纤,直接粘合在自聚焦透镜的焦点上,也较好的降低了光从光纤耦合进自聚焦透镜时带来的损耗。最后在自聚焦透镜的输出端面上镀上一层增透膜,可以大大地减少光在界面上的反射带来的损耗,提高了系统透射率。
1.2 高消光比、高透射率的OE双输出棱镜的设计
偏光镜消光比定义为
ρ=T2/T1
[5]
由下式给出
(n1+(n1o-e-tgS2
2
(5)
OE双输出棱镜的设计就是采用空气隙结构。设计适当的结构角S(iS
-5
(2)
其中T1、T2分别是入射光的振动方向对偏光镜主截面的平行分量和垂直分量的透射比,两者
统称为主透射比,通常TE双输出棱镜设1 T2。O计,如图3所示。
OE双输出棱镜由天然晶体冰洲石材料(方解石
[6]
晶体)制作的,由两半块晶体胶合而成,中间为圆形的空气隙结构
[7]
,空气隙垫片取26μm。方解
/月
低损耗。
2 偏振分束器的制作
实验器材有YSLD6215型波长为650nm可见光光源、电源、准直器、棱镜、光功率计、五维微调架组成。实验系统结构,如图4所示。
从表1中可以看出,O光和E光的透射率都很高,而且比较稳定。经计算,O光透射率平均为95%,E光的透射率平均为86%。E光的透射率比O光的透射率低,是因为在空气隙界面有部分E光发生了反射,从侧面输出。样品测试时,影响透射率有微小变化的原因是,光在光纤中传输时,光纤的弯曲,即受到外界的扰动时均引起光的损耗。设计的OE双输出棱镜的消光比,经高消光比测试系统测试接近50dB。在研制分束器时,精确调节五维调节架,可提高样品的消光比。其中O端面的消光比略低于E端面,因为O端面包含着反射的微弱的E光。
4 研制时影响消光比、透射率的因数
图4 偏振分束器制作系统
本系统自聚焦透镜的输出光束直径为0.46mm～0.5mm,工作距离15mm,OE双输出棱镜体积7×7×9mm,通光口径为5mm。准直器和棱镜、准直器和准直器之间的对准通过五维调节架手工调节,输出端接功率计检测耦合后输出光的光功率,以达到将损耗降到最小,输出最大光强的目的。
本实验首先加工一块符合条件的有机玻璃做基板,再加工数个中空的长方体有机玻璃,用以固定圆柱形准直器。选用一种特定的光学胶,使器件之间粘的牢固,且快速凝固。实验开始时先用无水乙醇清洁各种光学器件,然后将OE双输出棱镜用化学胶牢牢的固定在基板上。接着使用五维调节架调整准直器与棱镜,使输入光水平垂直的耦合进棱镜。采用650nm光作为输入光,当红光经棱镜分光后,在棱镜的输入光端面的正对面垂直输出E光;在侧面输出一强一弱两束光,经偏振片检测强光为O光,弱光为E光。当把输出的O光耦合进接收准直器时不必考虑弱E光,原因是强O光垂直端面输出,而弱E光与端面有一倾角输出,经准直器后都损耗掉了;其次弱E光相当弱,不到强O光的4%,可忽略不计。3 测试结果
表1 测试结果
输入光功率/wm1.2211.1021.0010.9050.8540.7630.620输出E光功率/wm0.5250.4790.4270.3860.3690.3200.267输出O光功率/wm0.5800.5290.4740.4250.4070.3620.393
3
首先,在进行准直器的对准时,有如下几个问题影响透射比
[3]
:离轴耦合失配、偏角耦合失
配和间距耦合失配,如图5～图7所示。
在使用五维调节架手工调节时,必须将上述3种失配问题减到最小,否则带来的附加损耗太大,不仅直接影响测量距离,而且会影响测量精度,更会极大地影响消光比。故在用五维调节架调节前两种失配时,必须保证实验平台及调节架和基板的稳定牢固性,即外界的振动不能引起仪器的微动。对于图5间距耦合失配,值得注意一点是,光纤准直器的耦合损耗对一定范围(15mm)的轴线间距不太敏感。在15mm以内,轴向拉开两光纤准直器,其耦合损耗变化很小,可以忽略,所以只要保证两准直器之间的距离
其次,手工调节五维架时,准直器与棱镜之间要有一定的空隙,否则调节过程中易引起棱镜
ec,
输入或输出端面上的增透膜有划痕,会大大降低透射率。
最后,在调节过程中,要保证输入进棱镜的光垂直棱镜的通光端面,若不垂直则会降低消光比。5 结束语
偏振分束器是获得线偏振光的无源器件,是光通信和现代光信息技术发展和产业化的基础器件。文中设计的偏振分束器具有很高的消光比及透射率,能更广泛地应用于偏光导航、光纤通信、光电检测及光传感等技术领域。参考文献
[1] 崔建民,冯立辉.基于Ti扩散铌酸锂偏振分束器的
研制[J].光学技术,2007,33(1):92-94.
[2] 魏道平,赵玉成.熔锥型光纤偏振分束器的一种新型
制作方法[J].铁道学报,
1999,21(1):58-61.
[3] 朱少丽,徐秋霜,刘德森.自聚焦透镜在光纤准直
器中的应用分析[J].西南师范大学学报(自然科学版),2004,29(3):379-382.
[4] 刘德森,高应俊.变折射率介质的物理基础[M].北
京:国防工业出版社,1991.
[5] 李景镇.光学手册[M].西安:陕西科学技术出版
社,1986.
[6] 王 伟,吴福全,苏富芳.OE双输出棱镜的分束角
和光强分束比研究[J].激光技术,560-562.
[7] 史 萌,吴福全.空气隙厚度对格兰–泰勒棱镜透
射光强扰动影响的理论分析[J].光学与光电子技术,2005,
3(4):50-53.
2003,
27(6):
(上接第23页)
的少数载流子的浓度,这既有利于提高器件的饱和驱动电流,另外一方面也导致了少数载流子浓度的降低,有利于改善器件的漏电流,这些已经得到实际数据的验证。3 结束语
文中讲述了一种可以在实际工业界量产的提升漏极击穿电压的工艺改进方法。提升漏极击穿电压,首先要界定漏极击穿的类型,然后,结合实际产品设计的需要进行相应的工艺改进,以提升器件的漏极击穿电压。
参考文献
[1] ToyabeT,YamaguchiK,AsaiS,etal.ANumerical
ModelofAvalancheBreakdowninMOSFETs[J].IEEETrans.ElectronDevices,1978(ED-25):825-833.[2] WuShiungFeng,ChanTY,ChenmingHu.MOSFET
DrainBreakdownVoltage[J].IEEEElectronDevicesLetters,1986,7(7):449-450.
[3] MariusKOrlowski,ChristophWerner.ModelfortheE-lectricFieldsinLDDMOSFETs—PartII:FieldDistri-butionontheDrainSide[J].IEEETrans.ElectronDevices,1989,36(2):36-40.
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