[科普中国]-光纤纤芯

光纤纤芯，由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体。性脆，易断裂，需外覆保护层。1可分为微结构光纤和保偏光纤，涉及主要有军事、国防、航空航天、能源环保、工业控制、医疗卫生、计量检测、食品安全、家用电器等诸多领域。

背景1966年高锟先生在文章中首次提出利用介质光导纤维以光载波传输信息，由此奠定了光纤作为介质传光的理论基础。经过几年的研究，1970年美国康宁公司首次拉制出损耗为20dB/Km的光纤，较大地降低了光纤的传输损耗从此使光纤通信技术的发展成为可能。近年来科研工作者研究发现，由于光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、易于集成等优点，光纤传感技术成为光电技术领域活跃的分支之一。

光纤传感技术涉及领域广泛，主要有军事、国防、航空航天、能源环保、工业控制、医疗卫生、计量检测、食品安全、家用电器等诸多领域。其中涉及到的几种主要传感器主要有：光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤光栅温度传感器、光纤电流互感器等各种光纤传感技术。微结构光纤及保偏光纤以其灵活的结构和奇异的特性成为光纤传感领域的中坚力量。2

微结构光纤微结构光纤(Microstructuredfiber，MOF)根据其结构及传输机理的不同可分为以下两大类：一类是折射率引导型微结构光纤；另一类是带隙型具有周期空气孔排布的光子晶体光纤。折射率引导型微结构光纤按其结构的不同主要有毛细管光纤、平行阵列芯光纤和多芯光纤等。毛细管光纤最早是在1981年由Hidaka等人提出来的。顾名思义，毛细管光纤就是其纤芯内部是空心结构，这就导致它有许多特殊性能。在传感领域，毛细管光纤在测量液体、气体等方面具有其独特的优越性。1997年，ITO.H课题组利用空心光纤对热铷原子的运动进行控制，实现人类对原子领域的认识更加深入的了解。南京航空航天大学智能材料与结构航空科技实验室通过在空心光纤上注入胶来实现复合材料的诊断、修复等功能，从而实现毛细管光纤的特殊结构的应用。平行阵列芯光纤是指按照一定的规则进行的多个纤芯的排布并共用同一包层的光纤，这样在纤芯之间会产生相互耦合等作用，进而产生很多奇异特性。哈尔滨工程大学光纤传感实验室制作了一系列的折射率引导形多芯微结构光纤。多芯光纤是在上世纪70年代末提出的，其主要目的是通过将光纤纤芯集成在一根光纤中，这样就可大幅度降低光纤光缆的制作成本，提高光纤的集成度。1994年法国电信公司首先制作出四芯单模光纤。2010年美国OFS公司B.Zhu等人设计并制作了七芯的多芯光纤，七个纤芯成正六边型排布。2012年R.Ryf与S.Randel等人利用少模光纤制作出三芯的微结构光纤，减少了多芯光纤的纤芯串扰等问题。虽然这些波导型微结构光纤在远程光纤通信中会有光的纤芯间的耦合及串扰等问题，但是这无疑为光纤传感领域提供了一种新的思想。2

保偏光纤单模光纤中存在两个正交的偏振态。在光纤结构严格保持对称的理想情况下，这两个模式的传播是相等的。但在实际生产和应用中，由于单模光纤受温度、应力等外界环境以及制造时产生的应力影响，总是存在一定的椭圆度、折射率分布及应力非对称性的影响，从而使两个传播常数存在差异，因此传播中会产生附加的相位差，光学中称之为双折射。这种双折射必然会导致偏振模色散的产生。在光纤传感及光纤计量测量等领域中要求光在光纤中传播应具有稳定的偏振态。在许多集成光学器件中，对输入光偏振态也具有选择性。由于这种偏振模的色散现象，普通的单模光纤限制了光纤传感等领域的发展，保偏光纤由此产生。

目前，解决单模光纤中偏振态不稳定这个问题，主要分为两种办法。第一种是：尽量减少单模光纤的这种非对称特性，想办法解决光纤的椭圆度及内部残余应力所带来的影响，使这种单模光纤的双折射效果降至最低，达到两个模式之间可以相互简并。当归一化双折射传播常数B小于10^-6时，这种光纤我们通常称之为低双折射保偏光纤（LowBirefringentFiber，简称LBF）。第二种方法是加大单模光纤的非对称性，加大其双折射特性，使两个模式之间的光不易相互耦合。我们称这种保偏光纤为高双折射保偏光纤（HighBirefringenceFiber，简称HBF），其归一化双折射传播常数B大于10^-5。高双折射保偏光纤按照其传播特性可分为双偏振光纤和单偏振光纤。双偏振光纤是将两个偏振模分开，使其偏振模式在传输过程中保持基本不变；而单偏振光纤只能传输两个正交偏振模中的一个模式，另一个模式被抑制不能传播，我们称这种光纤为单偏振光纤或绝对单模光纤。

按照光纤中双折射产生的方式不同，保偏光纤可分为几何形状效应光纤、应力感应光纤。如图,为几种常见的保偏光纤端面结构图，其中领结型、熊猫型、内椭圆包层型、矩形应力包层型保偏光纤为应力感应型光纤；椭圆芯型、边槽型、边隧道型等保偏光纤为几何形状效应型光纤。目前，大多数保偏光纤采用在光纤中产生残余应力的方法来制作。2

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徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学