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摘 要：本文介绍了保偏光纤主轴对准的原理，根据侧像投影对准系统获取保偏光纤成像特征，结合偏振轴错位角与消光比关系，对保偏光纤偏振轴对准机构的设计与控制方法进行了研究。
关键词：保偏光纤；消光比；主轴对准机构；错位角
1.引言
保偏光纤是一种具有双折射主轴（快轴/慢轴）的特制光纤，由于其具有良好的偏振态保持能力，因此被广泛应用在光纤通信和各类传感器件中。保偏光纤熔接技术是保偏光纤及其系统能否实用化的关键技术之一，保偏光纤熔接最重要的是要实现保偏光纤主轴精确对准，以保证熔接后其偏振性能只有少量下降，因此，偏振主轴对准机构设计与控制实现是保偏熔接机实现保偏光纤高质量熔接的关键。
2.偏振轴对准原理
常用的保偏光纤类型有熊猫型、领结型、椭圆包层型等。保偏光纤都有两个正交偏振模HE11x（慢轴，又称主轴）和HE11y（快轴），以熊猫型保偏光纤为例，如图1所示，增强光纤中的双折射效应减少了这两个模式间的耦合。当HE11x模被激励到光纤的一个偏振轴传输，它的一部分光功率会转化为HE11y模。这两个传输模式间光功率的比率就叫做消光比， 消光比
其中Px为HE11x模输出功率，Py为HE11y模输出功率。
对于保偏光纤的熔接，最重要是避免消光比的降低。偏振轴必须以尽可能高的精度互相对准，如果两侧待接续光纤的偏振轴有错位，其对消光比有较大的影响。消光比和偏振轴错位角关系的变化曲线如图2所示。偏振轴的错位角θ与消光比ER的关系如下：
通常兩侧光纤的偏振轴完全对准时，其消光比最大。当错位角为1.8°时，其消光比将下降到30dB，而错位角达到5.7°时，其消光比将下降到20dB以下。要获得主流-40dB的消光比，其两侧光纤偏振轴的错位角不得大于0.6°，因此要求旋转对准机构的对准精度应小于0.6°，主轴旋转对准机构如图3所示。
3.对准机构设计与控制实现
为了实现两侧光纤的偏振轴对准，采用了侧像投影对准系统PAS（Profile Alignment System），使用一个光源照射光纤，经光学成像系统将光纤的图像成像于图像传感器靶面上，由于光纤内部的结构不同，其在靶面上所成的像的强度不同，图4是熊猫型保偏光纤偏振轴与投射光线不同夹角下的焦平面上的光强分布。从图4中可以看出，当投射角度不同时，光强分布图中的A、B值是不同的，图4（a）中，应力区位于竖直位置。在光强分布上，两个高亮点对称分布于光纤中心的两侧，A和B分别是从中心到两个高亮点的距离。在这种情况下，A与B相等。由于保偏光纤是基于快轴或慢轴对称，因此这种情况被定义为旋转角0°或180°。60°或240°旋转角时，光强分布如图4（b）所示。与0°相比，距离A增大了，而距离B减小了。90°旋转角时如图4（c）所示，两个高亮部分也像0°时一样，对称的分布在中心两侧。但此时，A与B的值比0°时对应的值要大。120°或300°旋转角时，光强分布如图4（d）所示，与0°相比，距离A减小了，而距离B减增大了。通过计算与分析，就可以得出偏振轴与投射光线的夹角。由对准控制系统根据计算结果控制旋转电机旋转一侧或两侧光纤，使得两侧光纤的偏振轴与投射光线的夹角保持一致。
3.1 旋转行程及精度的选择
两侧光纤的偏振轴与成像靶面的夹角最大不超过180°，最小为0°。当一侧光纤保持不动时，另一侧光纤的偏振轴旋转最大不超过180°即可实现主轴对准。在留有余量的情况下，旋转机构行程可选有280°的调节量。
光纤的旋转动力靠步进减速电机提供，根据错位角与消光比的关系，要获得40dB的消光比，其两侧光纤偏振轴的错位角不得大于0.6°。旋转机构的旋转精度在留有冗余度的情况下，预先设定为0.2°。
光纤的旋转机构是通过步进减速电机加一对齿轮啮合来驱动光纤旋转的。步进减速电机型号为15BYHJ50-05，步进电机本身的步距角为18°，其内部包含减速箱，减速比为1：50，步进减速电机的输出轴步距角为18/50=0.36°。在步进减速电机与光纤压板之间利用一对齿轮啮合进一步减速，选用的减速比为1：1.8，光纤旋转的最终分辨率为：
分辨率θ=18*1/（50*1.8）=0.2°……………………… （3）
光纤的旋转机构由基座、旋转支撑台、光纤压板、步进减速电机等组成。
步进减速电机的输出轴上装有旋转主动齿轮，齿数为30，模数为0.5。旋转支撑台一端有旋转被动齿轮，其完整齿数为30*1.8=54，模数为0.5。被动旋转齿轮的形状不是完整的圆形，而是一个缺了60°角的扇形齿轮，其截面形状见图5。所缺的60°角部分，方便了光纤的取放，光纤的中心应和扇形齿轮的中心重合。旋转支撑台的两端均有滑动轴承支撑，为便于取放光纤，滑动轴承也是扇形结构。其截面形状详见图6。
3.2 偏振主轴旋转对准控制实现
采用了侧像投影对准系统PAS，由于光纤内部的结构不同，其在靶面上所成的像的强度不同。光纤旋转就可以得到光纤旋转角度与其中心位置光强关系的POL （polarization observation by lens- effect- tracing）曲线，该曲线中就包含了保偏光纤主轴方位角的信息。借助POL 曲线，通过图象分析，可以获得待连接保偏光纤的主轴角偏差。在进行图象分析前，通过精密旋转机构将从左光纤原始位置正向旋转180°，在旋转过程中，同步采样检测光纤中心光强POL 值；同时，逆向将右侧光纤旋转180°并获取数据。这样就得到左右光纤的两组POL 曲线值。
上式中L、R 均为周期性函数，因而光纤旋转某一角度δ可用移动POL曲线值来模拟。例如，模拟右光纤旋转δ度，可通过移动右光纤POL 曲线序列值R 来获得。
逐一模拟旋转右光纤，并计算每一旋转角度对应的POL曲线的线性相关系数。模拟右光纤旋转180°后，即可获得右光纤旋转角度与线性相关系数的关系曲线。如果左右光纤是同一结构类型，在左右光纤主轴角偏差为零时，其POL 曲线序列的线性相关系数具有最大值，即线性相关系数关系曲线最大值点所对应的角度则为左右光纤主轴的角偏差。根据求得的主轴角偏差，控制旋转机构旋转左（或右）光纤使角偏差最小，即可完成两侧保偏光纤的主轴对准，熔接后的保偏光纤具有高的消光比。
4.小结
本文依据保偏光纤主轴对准的原理，采用侧像投影对准系统获取保偏光纤成像特征，结合偏振轴错位角与消光比关系，对保偏光纤偏振轴对准机构的设计与控制方法进行了研究。
参考文献
[1] 杨小光 保偏熔接机双路显示及主轴对准实现方法 电子质量 2009，6.
[2]《机械设计手册》编写组. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，1987第二版.
[3] 宁鼎，庞璐.保偏光纤的偏振特性分析.光通信技术，2010，5.
[4] 黄林盛，张军等 保偏光纤定轴技术的仿真及实验分析 红外与激光工程，2010，4.
关键词：保偏光纤；消光比；主轴对准机构；错位角
1.引言
保偏光纤是一种具有双折射主轴（快轴/慢轴）的特制光纤，由于其具有良好的偏振态保持能力，因此被广泛应用在光纤通信和各类传感器件中。保偏光纤熔接技术是保偏光纤及其系统能否实用化的关键技术之一，保偏光纤熔接最重要的是要实现保偏光纤主轴精确对准，以保证熔接后其偏振性能只有少量下降，因此，偏振主轴对准机构设计与控制实现是保偏熔接机实现保偏光纤高质量熔接的关键。
2.偏振轴对准原理
常用的保偏光纤类型有熊猫型、领结型、椭圆包层型等。保偏光纤都有两个正交偏振模HE11x（慢轴，又称主轴）和HE11y（快轴），以熊猫型保偏光纤为例，如图1所示，增强光纤中的双折射效应减少了这两个模式间的耦合。当HE11x模被激励到光纤的一个偏振轴传输，它的一部分光功率会转化为HE11y模。这两个传输模式间光功率的比率就叫做消光比， 消光比
其中Px为HE11x模输出功率，Py为HE11y模输出功率。
对于保偏光纤的熔接，最重要是避免消光比的降低。偏振轴必须以尽可能高的精度互相对准，如果两侧待接续光纤的偏振轴有错位，其对消光比有较大的影响。消光比和偏振轴错位角关系的变化曲线如图2所示。偏振轴的错位角θ与消光比ER的关系如下：
通常兩侧光纤的偏振轴完全对准时，其消光比最大。当错位角为1.8°时，其消光比将下降到30dB，而错位角达到5.7°时，其消光比将下降到20dB以下。要获得主流-40dB的消光比，其两侧光纤偏振轴的错位角不得大于0.6°，因此要求旋转对准机构的对准精度应小于0.6°，主轴旋转对准机构如图3所示。
3.对准机构设计与控制实现
为了实现两侧光纤的偏振轴对准，采用了侧像投影对准系统PAS（Profile Alignment System），使用一个光源照射光纤，经光学成像系统将光纤的图像成像于图像传感器靶面上，由于光纤内部的结构不同，其在靶面上所成的像的强度不同，图4是熊猫型保偏光纤偏振轴与投射光线不同夹角下的焦平面上的光强分布。从图4中可以看出，当投射角度不同时，光强分布图中的A、B值是不同的，图4（a）中，应力区位于竖直位置。在光强分布上，两个高亮点对称分布于光纤中心的两侧，A和B分别是从中心到两个高亮点的距离。在这种情况下，A与B相等。由于保偏光纤是基于快轴或慢轴对称，因此这种情况被定义为旋转角0°或180°。60°或240°旋转角时，光强分布如图4（b）所示。与0°相比，距离A增大了，而距离B减小了。90°旋转角时如图4（c）所示，两个高亮部分也像0°时一样，对称的分布在中心两侧。但此时，A与B的值比0°时对应的值要大。120°或300°旋转角时，光强分布如图4（d）所示，与0°相比，距离A减小了，而距离B减增大了。通过计算与分析，就可以得出偏振轴与投射光线的夹角。由对准控制系统根据计算结果控制旋转电机旋转一侧或两侧光纤，使得两侧光纤的偏振轴与投射光线的夹角保持一致。
3.1 旋转行程及精度的选择
两侧光纤的偏振轴与成像靶面的夹角最大不超过180°，最小为0°。当一侧光纤保持不动时，另一侧光纤的偏振轴旋转最大不超过180°即可实现主轴对准。在留有余量的情况下，旋转机构行程可选有280°的调节量。
光纤的旋转动力靠步进减速电机提供，根据错位角与消光比的关系，要获得40dB的消光比，其两侧光纤偏振轴的错位角不得大于0.6°。旋转机构的旋转精度在留有冗余度的情况下，预先设定为0.2°。
光纤的旋转机构是通过步进减速电机加一对齿轮啮合来驱动光纤旋转的。步进减速电机型号为15BYHJ50-05，步进电机本身的步距角为18°，其内部包含减速箱，减速比为1：50，步进减速电机的输出轴步距角为18/50=0.36°。在步进减速电机与光纤压板之间利用一对齿轮啮合进一步减速，选用的减速比为1：1.8，光纤旋转的最终分辨率为：
分辨率θ=18*1/（50*1.8）=0.2°……………………… （3）
光纤的旋转机构由基座、旋转支撑台、光纤压板、步进减速电机等组成。
步进减速电机的输出轴上装有旋转主动齿轮，齿数为30，模数为0.5。旋转支撑台一端有旋转被动齿轮，其完整齿数为30*1.8=54，模数为0.5。被动旋转齿轮的形状不是完整的圆形，而是一个缺了60°角的扇形齿轮，其截面形状见图5。所缺的60°角部分，方便了光纤的取放，光纤的中心应和扇形齿轮的中心重合。旋转支撑台的两端均有滑动轴承支撑，为便于取放光纤，滑动轴承也是扇形结构。其截面形状详见图6。
3.2 偏振主轴旋转对准控制实现
采用了侧像投影对准系统PAS，由于光纤内部的结构不同，其在靶面上所成的像的强度不同。光纤旋转就可以得到光纤旋转角度与其中心位置光强关系的POL （polarization observation by lens- effect- tracing）曲线，该曲线中就包含了保偏光纤主轴方位角的信息。借助POL 曲线，通过图象分析，可以获得待连接保偏光纤的主轴角偏差。在进行图象分析前，通过精密旋转机构将从左光纤原始位置正向旋转180°，在旋转过程中，同步采样检测光纤中心光强POL 值；同时，逆向将右侧光纤旋转180°并获取数据。这样就得到左右光纤的两组POL 曲线值。
上式中L、R 均为周期性函数，因而光纤旋转某一角度δ可用移动POL曲线值来模拟。例如，模拟右光纤旋转δ度，可通过移动右光纤POL 曲线序列值R 来获得。
逐一模拟旋转右光纤，并计算每一旋转角度对应的POL曲线的线性相关系数。模拟右光纤旋转180°后，即可获得右光纤旋转角度与线性相关系数的关系曲线。如果左右光纤是同一结构类型，在左右光纤主轴角偏差为零时，其POL 曲线序列的线性相关系数具有最大值，即线性相关系数关系曲线最大值点所对应的角度则为左右光纤主轴的角偏差。根据求得的主轴角偏差，控制旋转机构旋转左（或右）光纤使角偏差最小，即可完成两侧保偏光纤的主轴对准，熔接后的保偏光纤具有高的消光比。
4.小结
本文依据保偏光纤主轴对准的原理，采用侧像投影对准系统获取保偏光纤成像特征，结合偏振轴错位角与消光比关系，对保偏光纤偏振轴对准机构的设计与控制方法进行了研究。
参考文献
[1] 杨小光 保偏熔接机双路显示及主轴对准实现方法 电子质量 2009，6.
[2]《机械设计手册》编写组. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，1987第二版.
[3] 宁鼎，庞璐.保偏光纤的偏振特性分析.光通信技术，2010，5.
[4] 黄林盛，张军等 保偏光纤定轴技术的仿真及实验分析 红外与激光工程，2010，4.