專利名稱：零溫度系數(shù)光學波片與偏振態(tài)變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子學與信息系統(tǒng)中之敏感電子學與傳感器領域，以及電工學科之高 電壓與大電流測量領域，具體涉及具有零溫度系數(shù)的各種光學波片，特別是光纖波片，這類 波片適用于需要對光的偏振態(tài)進行分析與控制的各種光學系統(tǒng)，比如各種光纖傳感器，各 種全光纖式光學或光電測量系統(tǒng)等。在這樣的光學或光電系統(tǒng)中，這種光學波片，比如可用 作其中的光偏振態(tài)變換器，光偏振面旋轉(zhuǎn)器，光隔離器，分光可變的分光器，光衰減器，光開 關等。
背景技術：
波片廣泛應用于需要對光的偏振態(tài)進行分析與控制的各種光學系統(tǒng)，比如各種光 纖傳感器，各種光學或光電測量系統(tǒng)等。在這樣的光學或光電系統(tǒng)中，波片可用作其中的光 偏振態(tài)變換器，光偏振面旋轉(zhuǎn)器，光隔離器，分光可變的分光器，光衰減器，光開關等[1]，還 可在傳輸光子偏振態(tài)信息的衛(wèi)星光量子通信中，跟蹤光子偏振態(tài)，實現(xiàn)量子密鑰編碼[2]。傳統(tǒng)的塊狀媒質(zhì)波片，制作時控制波片尺寸與光軸方向困難，使用時與光纖、集成 光波導器件的耦合困難，不便于在日益盛行的纖維光學系統(tǒng)中采用，為此開發(fā)出了光纖波 片。光纖波片可由一段合適長度的高線雙折射光纖(簡稱HiBi光纖)制成，也可由一 段合適長度的高圓雙折射光纖制成。前者見文獻[3]、[4]、[5]，以及有關光纖電流/電壓 傳感器的國內(nèi)外專利，如中國專利01801947. 1,01101389. 3,01812641. 3,03825967. 2 (申 請?zhí)?,200510076617. 2 (申請?zhí)?>200810056486. 5 (申請?zhí)?等，美國專利 5953121、 6628869B2、6636321B2、6734657B2、7046867B2、7075286B2、7339680B2、5644397、5987195、 6023331、6122415、6122425、6166816、618881IBl、6307632B1、6356351B1、7038786B2、 6281672B1、6831749B2、7102757B2 等；后者見中國專利 01112680. 9,80107389 (申請?zhí)?、 91107430. 9 (申請?zhí)?,200710111969. 6 (申請?zhí)?，美國專利 4943132、5096312、7206468、 8810789 等。以HiBi光纖波片為例。設HiBi光纖慢軸、快軸折射率差為An，則偏振方向分別 平行于光纖快軸、慢軸的兩束光傳播單位長度后，慢軸方向光滯后于快軸方向光的相位差 (以下稱為相位延遲(retardation))，即這種光纖的雙折射δ為
權利要求
一種相位延遲θ的溫度系數(shù)為零的光纖波片或光波偏振態(tài)變換器(以下統(tǒng)稱FWP)，包括一段雙折射光纖HB1，以及另一段雙折射光纖HB2；所述HB1光纖段的長度為L1，熱膨脹系數(shù)為KL1，拍長為LB1，拍長的溫度系數(shù)為KB1；所述HB2光纖段的長度為L2，熱膨脹系數(shù)為KL2，拍長為LB2，拍長的溫度系數(shù)為KB2；所述HB2的快軸垂直于所述HB1的快軸熔接成一段長度為L＝L1+L2的FWP，所述HB1光纖段的長度L1與所述HB2光纖段的長度L2分別由以下公式確定 <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>θ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <msub><mi>K</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>θ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <msub><mi>K</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow>式中，K1＝KB1 KL1，K2＝KB2 KL2。
2.一種相位延遲θ的溫度系數(shù)為零的FWP，包括一段雙折射光纖ΗΒρ，以及另一段雙 折射光纖HBn ；所述HBp光纖段的長度為Lp，熱膨脹系數(shù)為&p，拍長為Lbp，拍長的溫度系數(shù) 為Kbp > 0 ；所述HBn光纖段的長度為Ln，熱膨脹系數(shù)為Kta，拍長為LBn，拍長的溫度系數(shù)為 (-KBn) < 0 ；HBn的快軸平行于HBp的快軸熔接成一段長度為L = Lp+Ln的FWP，所述HBp光 纖段的長度Lp與所述HBn光纖段的長度Ln分別由以下公式確定
3.如權利要求1所述的FWP，其特征在于所述光纖段HB1、HB2的拍長的溫度系數(shù)Kbi與 Kb2均為負值。
4.如權利要求1所述的FWP，其特征在于所述光纖段HB1、HB2的拍長的溫度系數(shù)Kbi與 Kb2均為正值。
5.如權利要求1-3任一項所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的λ/4波片，其特征在于相 位延遲θ = (2η+1)Χ90°，其中η為整數(shù)，偏振方向與所述波片的快軸成45°角的線偏光 通過所述波片后，出射光為左圓偏光；左圓偏光通過所述波片后，出射光為偏振方向與所述 波片的快軸成45°角的線偏光。
6.如權利要求1-3任一項所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的λ/4波片，其特征在于相 位延遲θ =-(2η+1)Χ90°，其中η為整數(shù)，偏振方向與所述波片的快軸成45°角的線偏 光通過所述波片后，出射光為右圓偏光；右圓偏光通過所述波片后，出射光為偏振方向與所 述波片的快軸成45°角的線偏光。
7.如權利要求1-3任一項所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的半波片，其特征在于相位 延遲θ = (2η+1)Χ180°，其中η為整數(shù)，所述波片的快軸與X或Y方向成45°角時，X或 Y方向的線偏光通過所述波片后，出射光為Y方向或X方向的線偏光。
8.如權利要求1-3任一項所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的光波偏振態(tài)變換器，其特 征在于相位延遲θ興士(2η+1)Χ90°和士(2η+1)Χ180°，其中η為整數(shù)，所述光波偏振 態(tài)變換器能根據(jù)不同的相位延遲值，將不同方向的線偏光轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑱E圓度、不同長軸或2短軸方向的橢圓偏振光，或?qū)⒉煌瑱E圓度、不同長軸或短軸方向的橢圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?偏振方向的線偏光。
9.如權利要求1或4所述的FWP其成的溫度系數(shù)為零的λ/4波片，其特征在于相位延 遲θ = (2n+l)X90°，其中η為整數(shù)，偏振方向與所述波片的快軸成45°角的線偏光通過 所述波片后，出射光為左圓偏光；左圓偏光通過所述波片后，出射光為偏振方向與所述波片 的快軸成45°角的線偏光。
10.如權利要求1或4所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的λ/4波片，其特征在于相位 延遲θ =-(2n+l)X90°，其中η為整數(shù)，偏振方向與所述波片的快軸成45°角的線偏光 通過所述波片后，出射光為右圓偏光；右圓偏光通過所述波片后，出射光為偏振方向與所述 波片的快軸成45°角的線偏光。
11.如權利要求1或4所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的半波片，其特征在于相位延遲 θ = (2η+1)Χ180°，其中η為整數(shù)，所述波片的快軸與X或Y方向成45°角時，X或Y方 向的線偏光通過所述波片后，出射光為Y方向或X方向的線偏光。
12.如權利要求1或4所述的FWP構成的溫度系數(shù)為零的光波偏振態(tài)變換器，其特征在 于相位延遲θ興士(2η+1)Χ90°和士(2η+1)Χ180°，其中η為整數(shù)，所述光波偏振態(tài)變 換器能根據(jù)不同的相位延遲值，將不同方向的線偏光轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑱E圓度、不同長軸或短軸 方向的橢圓偏振光，或?qū)⒉煌瑱E圓度、不同長軸或短軸方向的橢圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?方向的線偏光。
13.一種由權利要求5或6所述的溫度系數(shù)為零的λ/4波片、線偏光起偏器(linear polarizer)和光反射器組成的線偏光隔離器，其特征在于所述λ/4波片位于所述起偏器 與所述光反射器之間，所述起偏器的偏振方向與所述的λ/4波片的快軸成45°角；任何方 向的線偏光進入所述光隔離器后，返回的出射光的幅度均為零。
14.一種由權利要求9或10所述的溫度系數(shù)為零的λ/4波片、線偏光起偏器(linear polarizer)和光反射器組成的線偏光隔離器，其特征在于所述λ/4波片位于所述起偏器 與所述光反射器之間，所述起偏器的偏振方向與所述的λ/4波片的快軸成45°角；任何方 向的線偏光進入所述光隔離器后，返回的出射光的幅度均為零。
15.一種由半波片構成的將左園偏光變換換為右園偏光，或右園偏光變換為左園偏光 的光波偏振態(tài)變換器，其特征在于所述半波片是權利要求7、11中所述的溫度系數(shù)為零的 半波片。
16.如權利要求1所述的溫度系數(shù)為零的光學波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2是光 軸互相垂直的塊狀光學媒質(zhì)，并且都是正光軸晶體。
17.如權利要求1所述的所述溫度系數(shù)為零的光學波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2 是光軸互相垂直的塊狀光學媒質(zhì)，并且都是負光軸晶體。
18.如權利要求1所述的溫度系數(shù)為零的光學波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2是光 軸互相平行的塊狀光學媒質(zhì)，并且HBl是負(正)晶體，ΗΒ2是正(負)晶體。
19.一種相位延遲θ的溫度系數(shù)為零的復合FWP，包括η個如權利要求1-15任一項 所述的溫度系數(shù)為零的單個FWP，所述相位延遲θ是η個單個FWP的相位延遲= 1， 2，···η)之和，其中η為整數(shù)。
20.一種相位延遲θ的溫度系數(shù)為零的光學波片，包括η個如權利要求16-18任一項所述的溫度系數(shù)為零的單個波片，所述相位延遲θ是η個單個波片的相位延遲9i(i = l， 2，···η)之和，其中η為整數(shù)。
21.—種環(huán)路式Sagnac干涉儀型光纖電流傳感器，其特征在于其中包括如權利要求 5，或權利要求6，或權利要求9，或權利要求10所述的溫度系數(shù)為零的λ/4波片。
22.一種反射式Sagnac干涉儀型光纖電流傳感器，其特征在于其中包括如權利要求 5，或權利要求6，或權利要求9，或權利要求10所述的溫度系數(shù)為零的λ /4波片。
23.一種反射型光纖電壓傳感器，其特征在于其中包括如權利要求16，或權利要求 17，或權利要求18所述的溫度系數(shù)為零的λ/4波片。
24.一種反射型光纖電壓傳感器，其特征在于其中包括如權利要求16，或權利要求 17，或權利要求18所述的溫度系數(shù)為零的λ/4波片。
25.一種光纖-塊狀媒質(zhì)混合型電壓傳感器，其特征在于其中包括如權利要求16，或 權利要求17，或權利要求18所述的溫度系數(shù)為零的λ /4波片。
26.一種塊狀媒質(zhì)混合電壓傳感器，其特征在于其中包括權利要求16，或權利要求 17，或權利要求18所述的溫度系數(shù)為零的λ /4波片。
全文摘要
本發(fā)明提供了多種零溫度系數(shù)光學波片或光波偏振態(tài)變換器。這種光學波片或光波偏振態(tài)變換器由兩段快軸互相垂直或平行的雙折射光學媒質(zhì)HB1與HB2熔接或連接在一起組成。其中HB1的長度為L1、拍長為LB1、拍長的溫度系數(shù)為KB1，偏振方向分別平行于HB1快軸、慢軸的線偏光通過HB1后的相位延遲為φ1；HB2的長度為L2、拍長為LB2、拍長的溫度系數(shù)為KB2，偏振方向分別平行于HB2快軸、慢軸的線偏光通過HB2后的相位延遲為φ2；HB1、HB2按所述方法構成的光學波片、光波偏振態(tài)變換器的長度為L＝L1+L2，相位延遲為0＝φ1-φ2，或θ＝φ1+φ2。當KB1不同于KB2時，按本發(fā)明提供的方法設計的光學波片、光波偏振態(tài)變換器，具有溫度系數(shù)為零的相位延遲θ。
文檔編號G02B6/10GK101975975SQ20101028825
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者劉占元, 尹樹杰, 陳碩, 陳祥訓, 雷林緒 申請人:中國電力科學研究院