[科普中國(guó)]-保偏光纖

保偏光纖：保偏光纖傳輸線偏振光，廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測(cè)為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信噪比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的高精度測(cè)量。保偏光纖作為一種特種光纖，主要應(yīng)用于光纖陀螺，光纖水聽器等傳感器和DWDM、EDFA等光纖通信系統(tǒng)。由于光纖陀螺及光纖水聽器等可用于軍用慣導(dǎo)和聲吶，屬于高新科技產(chǎn)品，而保偏光纖又是其核心部件，因而保偏光纖曾經(jīng)被西方發(fā)達(dá)國(guó)家列入對(duì)我禁運(yùn)的清單。國(guó)內(nèi)部分光纖生產(chǎn)公司已能生產(chǎn)。

簡(jiǎn)介保偏光纖在拉制過程中，由于光纖內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)造成保偏性能的下降，即當(dāng)線偏振光沿光纖的一個(gè)特征軸傳輸時(shí)，部分光信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)入另一個(gè)與之垂直的特征軸，最終造成出射偏振光信號(hào)偏振消光比的下降。這種缺陷就是影響光纖內(nèi)的雙折射效應(yīng). 保偏光纖中，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，拍長(zhǎng)越短，保持傳輸光偏振態(tài)越好。

普通光纖就算制造得再對(duì)稱，在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力變得不對(duì)稱，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因此光的偏振態(tài)在普通光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候就會(huì)毫無(wú)規(guī)律地變化。主要的影響因素有波長(zhǎng)、彎曲度、溫度等1。

作用保偏光纖可以解決偏振態(tài)變化的問題，但它并不能消除光纖中的雙折射現(xiàn)象，反而是在通過光纖幾何尺寸上的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的雙折射效應(yīng)，來(lái)消除應(yīng)力對(duì)入射光偏振態(tài)的影響。

所以保偏光纖一般是應(yīng)用在對(duì)偏振態(tài)比較敏感的應(yīng)用中，如干涉儀，或是激光器，或是用在光源與外調(diào)制器之間的連接中等等2。

基本原理理想的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有良好的幾何圓對(duì)稱性,因而所傳輸?shù)幕E11是兩正交模式的二重簡(jiǎn)并模態(tài)。在實(shí)際的光纖中，由于缺陷的存在，這種二重簡(jiǎn)并被破壞，從而引起模態(tài)雙折射。為了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中維持模的偏振,就需要將雙折射引入到光纖中,使HEx11和HEy11兩模式的有效折射率不同，兩正交模的傳播常數(shù)βx與βy差別增大，兩模式耦合幾率減小。如果光在光纖一個(gè)光軸平行的方向上被線性偏振，那么光將維持其偏振態(tài)在光纖中進(jìn)行傳輸。如果在沿著光纖傳輸時(shí)，光在其它角度被線性偏振，偏振態(tài)將發(fā)生變化，從線性到橢圓到線性，再到橢圓并再次返回到線性，具有通常所說的差拍周期長(zhǎng)度LP。這種變化是模的正交分量間的相位差的結(jié)果，相差由它們的傳播常數(shù)之間的差別產(chǎn)生。差拍長(zhǎng)度越短，光纖對(duì)偏振的不規(guī)則性效應(yīng)就越具有彈性，光纖對(duì)線性偏振光的偏振保持能力就越強(qiáng)。

從產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)看，雙折射主要分為3類：

(1)形狀雙折射：電介質(zhì)材料幾何形狀的各向異性,導(dǎo)致材料的介電常數(shù)ε(r)和材料的導(dǎo)磁率μ(r)的各向異性,將引起材料折射率n(r)的各向異性。

(2)應(yīng)力雙折射：主要指來(lái)自材料內(nèi)部的熱應(yīng)力和材料外部的機(jī)械應(yīng)力,材料在受到應(yīng)力引起材料折射率的變化即彈光效應(yīng)而產(chǎn)生雙折射。

(3)外界電磁場(chǎng)引起的雙折射：橫向電場(chǎng)在光纖中引起的克爾(Kerr)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生線雙折射,縱向磁場(chǎng)在光纖中引起的法拉第效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生圓雙折射1。

應(yīng)用及發(fā)展方向保偏光纖在今后幾年內(nèi)將有較大的市場(chǎng)需求。隨著世界新技術(shù)的飛速發(fā)展和新產(chǎn)品的不斷開發(fā) ，保偏光纖將沿著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）采用光子晶體光纖新技術(shù)制造新型的高性能保偏光纖；

（2）開發(fā)溫度適應(yīng)性保偏光纖 ，以適應(yīng)航空航天等領(lǐng)域環(huán)境的要求；

（3）開發(fā)出各種摻稀土保偏光纖 ，滿足光放大器等器件應(yīng)用的需求；

（4）開發(fā)氟化物保偏光纖 ，促進(jìn)纖維光學(xué)干涉技術(shù)在紅外天文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展；

（5）低衰減保偏光纖 :隨著單模光纖技術(shù)的不斷完善 ，損耗、材料色散和波導(dǎo)色散已經(jīng)不再是影響光纖通信的主要因素 ，單模光纖的偏振模色散( PMD) 逐漸成為限制光纖通信質(zhì)量的最嚴(yán)重的瓶頸 ，在10 Gbit / s及以上的高 速光纖通信系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出。為了解決 PMD 帶來(lái)傳輸系統(tǒng)性能惡化的 問題 ，一般都采取了對(duì) PMD 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案 ，但是PMD對(duì)溫度等環(huán) 境條件、 以及光源波長(zhǎng)的輕微擾動(dòng)都非常敏感 ，會(huì)隨時(shí)間發(fā)生隨機(jī)變化 ， 這些都給光纖通信系統(tǒng)的 PMD 補(bǔ)償帶來(lái)困難。 如果低衰減的保偏光纖能夠研制成功 ，將為高速傳輸系統(tǒng)中的 PMD問題的解決提供新的解決方案；

（6）利用克爾效應(yīng)和法拉第旋光效應(yīng)制造偏振光器件3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)