高性能薄膜偏振器的分析与测量

　　引　言

　　堆积型薄膜偏振器是一种由金属薄层和介质薄层周期性交替堆积而成的高性能偏振器,它由日本的Tohoku大学研制成功。这种偏振器不但具有很低的插入损耗以及相当高的锁光损耗,这是一般偏振器不易达到的高性能,而且其尺寸相当小,在许多光学系统,特别在微小光学系统和光纤系统中具有重要应用。

　　本文采用的薄膜偏振器是通过射频溅射方法将Al层(6nm厚)和SiO2层(1μm厚)堆积而成(图1),其中SiO2层是在Ar气中沉积,而Al层除了可以用射频溅法实现外,还可以通过直流磁控溅射和真空蒸发获得,这类薄膜偏振器的特性分析通常采用器件发明者提出的传播常数特征方程的数值解来确定[1,2]。本文提出了均匀各向异性电介质假设并利用电容器的串并联近似分析偏振器对不同偏振场的作用[3],从而可以确定其等效介电常数,折射率、传播常数和损耗系数和参数,某些结论与文献[4]一致。

　　1　等效介电常数

　　金属具有高的导电率,它对光传播产生很大的欧姆损耗,其介电常数可以用复数表示:

　　2　偏振特性

　　在偏振器中传播的线偏振光场为以下形式:

　　分析结果表明,偏振光场Ex能顺利通过偏振器,其等效折射率的实部与SiO2的折射率几乎一样,而其虚部的绝对值在工作波长为0.5～2.5μm之间小于0.00007,相应的插入损耗见图2。而偏振光场Ey使金属层中的电子沿y方向较大范围的加速,光能量大部分转换成欧姆热能而被吸收,其损耗(锁光损耗)在工作波长为0.5～2.5μm之间大于60 dB(如图2)。

　　3　实验测量

　　对单模光纤施以横向压力和扭矩,引起线性双折射和圆型双折射,从而可以改变偏振状态,以获得各种所需的光偏振。我们利用这种感应双折射特性,制成了光纤在线偏振状态控制器,并将之用于测量系统中。这种器件既可实现偏振状态的改变,又几乎不改变光纤中传播的光功率。

　　实际的堆积型薄膜偏振器尺寸很小(长4.6mm、宽0.1mm、厚30μm),本文根据偏振器的实际应用和研究条件的改善,分别采用了三种方法测量偏振器的特性。测量系统由信号系统和检测系统组成。其中信号系统由半导体激光光源(波长为1.28μm)和偏振状态控制器组成,以提供不同方向的线偏振光;检测系统则由光电二极管、电流-电压转换器、锁相放大器和示波器组成。用信号系统出来的光(光斑直径约10μm)直接照明偏振器,通过改变激光的偏振状态,测出经过偏振器后,锁相放大器所检测到的最大值和最小值,它们的比值大于30 dB,这说明偏振器的消光分贝大于30 dB。

　　为了测出插入损耗,将偏振器用半导体锯切成长约1 mm的大小,并利用紫外光学胶通过光纤接头将偏振器固定在单模光纤端面上,调节偏振状态控制器,测出锁相放大器检测到的最小值和最大值,最后直接用信号系统照明检测系统,测出以上两种状态下的光信号,由此确定插入损耗小于0.9 dB,锁光损耗大于23.2 dB。其中插入损耗测量值包含光纤接头的损耗及光学胶引入的损耗,因此实际偏振器的插入损耗要比0.9 dB小许多;而在测量锁光损耗时,信号已经很微弱,检测器件的灵敏度、噪声、暗电流以及环境噪声都将制约测量精度。为此,采用光波偏振分析仪HP8509B测量偏振器的消光分贝。它是测量三种不同偏振状态(偏振方向成60度角)的线偏振光通过偏振器后的不同表现来确定偏振器的消光分贝。薄膜偏振器的测量结果为52.8 dB。