3.9 光双折射器件

在1.3.4节中，已介绍了光的双折射（Birefringence）原理，本节将介绍利用该原理制成的双折射器件。

3.9.1 相位延迟片和相位补偿器

为了解释相位延迟片的工作原理，让线性偏振光入射到正单轴石英晶片上，看会发生什么现象。使该晶片的光轴沿z方向，并平行于薄片的两个解理面，如图1.3.22b和图3.9.1所示，即入射光与光轴垂直，不发生双折射，但有速度差。因石英晶体的n_e=1.553，n_o=1.544，所以n_e>n_o。

在图3.9.1中，以法线方向入射到晶体解理面上的线性偏振光的电场E（与z方向成α角）可以分解成平行于光轴的E_//光和垂直于光轴的E_⊥光。作为非寻常光的E_//光，以速度c/n_e沿z轴传输并通过晶体；作为寻常光的E_⊥光，以速度c/n_o沿x轴传输并通过晶体。因为n_e>n_o，所以在晶体中E_⊥偏振光要比E_//偏振光传输得快些。所以，称与光轴平行的z轴是慢轴，与光轴垂直的x轴是快轴。假如L是晶体片的厚度，寻常光E_⊥通过晶体经历的相位变化是k_oL，k_o=（2π/λ）n_o是寻常光传播常数；而非寻常光E_//经历的相位变化是（2π/λ）n_eL，于是线性偏振入射光E分解成的两个相互正交的E_//和E_⊥分量通过相位延迟片出射时，产生与式（1.2.8）类似的相位差

Δϕ的大小与入射角α、延迟片厚度L和晶体类型（n_e-n_o）有关。虽然寻常光和非寻常光在同一y方向传输，但却有不同的速度，尽管从同一方向出去，但是离开出射解理面的时间却不同，如图1.3.22b和图3.9.1所示。这种现象被用来制作相位延迟和补偿器件。用波长表示相位差的晶体称为延迟片。比如相位差为π的延迟片称为半波长延迟片，相位差为π/2的延迟片称为四分之一波片。

相位差Δϕ不同，通过晶体的光波偏振态就不同。例如，四分之一波片能使寻常光线与非寻常光线的相位差变化λ/4。当线偏振光通过λ/4波片时，如偏振方向与波片光轴的方向的夹角α为角时，入射时两分量数值（光强度）和相位都相同，但通过晶片后，数值虽相同，但分量E_//与E_⊥相比延迟了，成为圆偏振光，如图3.9.2c所示。反之，若入射光是圆偏振光，则出射光就变成线偏振光。

当线偏振光以0＜α＜的入射角通过λ/4波片后，输出光就变成椭圆偏振光，如图3.9.2b所示。

半波延迟片的厚度L使线偏振光两个正交分量E_//和E_⊥的相位差Δϕ=π，对应波长一半（λ/2）的延迟，其结果是分量E_//与E_⊥相比延迟了π。此时，如果输入E与光轴的夹角是α，那么输出E与光轴的夹角就是-α，输出光与输入光一样仍然是线偏振光，只是E逆时针旋转了2α，如图3.9.2a所示。

3.9.2 起偏器和检偏器

起偏器（Polarizer）和检偏器（Analyzer）是利用双折射现象制成的一种光学元件。当非偏振光入射到起偏器上时，就分成寻常光和非寻常光，同时起偏器又吸收寻常光而让非寻常光通过，输出平面线偏振光，如图3.9.3b所示。

在图3.9.3a中，起偏器位于书面的平面上，而传播方向z则垂直指向书面。与传播方向垂直的起偏器上的任意电场E可以分解为两个矢量E_x和E_y，其大小分别为E_x=E sinθ和E_y=E conθ。只有与偏振片偏振化方向平行的E_y才能通过偏振片，而与偏振片偏振化方向垂直的E_x却在偏振片内被吸收。

将第2个偏振片P₂放在起偏器之后，如图3.9.3b所示，这种装置称为检偏器。如果将P₂绕着光的传播方向旋转，就会发现有两个位置光最强，而有两个位置又最弱，强弱间隔为90°，即两个相隔180°的位置，透射光的强度几乎为零。这两个位置就是P₁和P₂的偏振化方向成正交的位置。

如果透射到P₂上的线偏振光的振幅为E₀，则从检偏器P₂射出的光的振幅为E₀cosθ，其中θ为P₁和P₂的偏振方向的夹角。由于光强与振幅的平方成正比，所以检偏器P₂的输出光强为

式中，I₀为透射光强度的极大值。由式（3.9.2）可知，当θ=0或180°时，透射光强度最大；当θ=90°或270°时，透射光强度最小。方程式（3.9.2）叫作马吕斯（Malus）定律，是马吕斯于1809年从实验中发现的。

在线商用起偏器的工作波长有1550nm和1310nm两种，插入损耗0.3dB，回波损耗55dB，消光比25～40dB，最大注入功率>300mW，有带尾纤和无尾纤两种型号可供选择。检偏器中心波长有1310nm、1420nm、1480nm、1550nm和1600nm多种，光源的相干长度10m，输出偏振度<5%，残余消光比<0.5dB，插入损耗1dB。

3.9.3 偏振控制器

在光纤通信中，有些器件是对偏振敏感的，如LiNbO₃电光调制器和半导体光放大器，有些系统是偏振相关的，如相干光通信系统。解决偏振匹配问题有两种方法，一种是采用偏振保持光纤，另一种是对输入光进行偏振控制。偏振控制器有波片型、电光晶体型和光纤型，其中光纤型因具有抗干扰能力强、插入损耗小、易于光纤耦合等特点得到广泛的应用。

最简单、最常用的一种光纤偏振控制器如图3.9.4所示，它是在一块底板上垂直安装3～4个可转动的圆盘，半径比光纤芯径大得多，约为75cm，圆盘圆周上有槽，光纤可以绕在盘上，这样外面的光纤被拉伸，里面的光纤被压缩，引起光纤双折射，使输入偏振光E_x和E_y产生相移，从而起到控制偏振的作用。当转动光纤线圈时，光纤中的快轴和慢轴也发生旋转，因此通过调整线圈的方向，可以获得所需要的任意偏振方向［14］。

图3.9.5表示的是另一种偏振控制器，它是把光纤和压电晶体固定在一起，当给晶体施加电压时，晶体的长度伸长压挤光纤，也使光纤发生双折射，从而达到控制偏振状态的目的。压力的大小可通过外加电压精细控制，用4个挤压器串行连接可以达到良好的控制效果。

商用动态偏振控制器/扰偏器都是全光纤结构，在偏振控制模式下，通过数字或模拟信号控制，可以将任意偏振态转换为所需偏振态；在扰偏模式下，输出光为随机偏振态。其指标为：固有损耗0.05dB，回波损耗>60dB，3dB带宽>20kHz，波长1260～1650nm，上升/下降时间30μs, PMD 0.05ps, 1550nm处直流电压U_π<35V。利用图3.9.5制成的手动偏振控制器采用旋拧光纤挤压器实现偏振控制。