[科普中国]-保偏光纤

保偏光纤：保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤曾经被西方发达国家列入对我禁运的清单。国内部分光纤生产公司已能生产。

简介保偏光纤在拉制过程中，由于光纤内部产生的结构缺陷会造成保偏性能的下降，即当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降。这种缺陷就是影响光纤内的双折射效应. 保偏光纤中，双折射效应越强，拍长越短，保持传输光偏振态越好。

普通光纤就算制造得再对称，在实际应用中也会受到机械应力变得不对称，产生双折射现象，因此光的偏振态在普通光纤中传输的时候就会毫无规律地变化。主要的影响因素有波长、弯曲度、温度等1。

作用保偏光纤可以解决偏振态变化的问题，但它并不能消除光纤中的双折射现象，反而是在通过光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射效应，来消除应力对入射光偏振态的影响。

所以保偏光纤一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，或是激光器，或是用在光源与外调制器之间的连接中等等2。

基本原理理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性,因而所传输的基模HE11是两正交模式的二重简并模态。在实际的光纤中，由于缺陷的存在，这种二重简并被破坏，从而引起模态双折射。为了在标准单模光纤中维持模的偏振,就需要将双折射引入到光纤中,使HEx11和HEy11两模式的有效折射率不同，两正交模的传播常数βx与βy差别增大，两模式耦合几率减小。如果光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振，那么光将维持其偏振态在光纤中进行传输。如果在沿着光纤传输时，光在其它角度被线性偏振，偏振态将发生变化，从线性到椭圆到线性，再到椭圆并再次返回到线性，具有通常所说的差拍周期长度LP。这种变化是模的正交分量间的相位差的结果，相差由它们的传播常数之间的差别产生。差拍长度越短，光纤对偏振的不规则性效应就越具有弹性，光纤对线性偏振光的偏振保持能力就越强。

从产生的机理来看，双折射主要分为3类：

(1)形状双折射：电介质材料几何形状的各向异性,导致材料的介电常数ε(r)和材料的导磁率μ(r)的各向异性,将引起材料折射率n(r)的各向异性。

(2)应力双折射：主要指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力,材料在受到应力引起材料折射率的变化即弹光效应而产生双折射。

(3)外界电磁场引起的双折射：横向电场在光纤中引起的克尔(Kerr)效应会产生线双折射,纵向磁场在光纤中引起的法拉第效应会产生圆双折射1。

应用及发展方向保偏光纤在今后几年内将有较大的市场需求。随着世界新技术的飞速发展和新产品的不断开发 ，保偏光纤将沿着以下几个方向发展：

（1）采用光子晶体光纤新技术制造新型的高性能保偏光纤；

（2）开发温度适应性保偏光纤 ，以适应航空航天等领域环境的要求；

（3）开发出各种掺稀土保偏光纤 ，满足光放大器等器件应用的需求；

（4）开发氟化物保偏光纤 ，促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展；

（5）低衰减保偏光纤 :随着单模光纤技术的不断完善 ，损耗、材料色散和波导色散已经不再是影响光纤通信的主要因素 ，单模光纤的偏振模色散( PMD) 逐渐成为限制光纤通信质量的最严重的瓶颈 ，在10 Gbit / s及以上的高 速光纤通信系统中表现尤为突出。为了解决 PMD 带来传输系统性能恶化的 问题 ，一般都采取了对 PMD 进行补偿的解决方案 ，但是PMD对温度等环 境条件、 以及光源波长的轻微扰动都非常敏感 ，会随时间发生随机变化 ， 这些都给光纤通信系统的 PMD 补偿带来困难。 如果低衰减的保偏光纤能够研制成功 ，将为高速传输系统中的 PMD问题的解决提供新的解决方案；

（6）利用克尔效应和法拉第旋光效应制造偏振光器件3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学