保偏(PM)光纤教程

偏振的介绍

当光通过空间中一点时，振动电场的方向和振幅随着时间沿着一条路径前行。在一个横剖面（一个垂直于前进方向的平面）上彼此之间成直角的电磁场矢量表示偏振光波信号。按照在横剖面上跟踪得出的图案，使用电场矢量作为时间的函数来定义偏振。偏振可以分为线性、椭圆或者圆形偏振，在其中线性偏振是最简单的一种。无论哪一种偏振都是光导纤维传输中的一个问题。

无论哪一种无线电通讯和光纤测量系统都是指能够分析两种光波之间干涉的设备。我们不能使用干涉所给出的信息，除非组合的振幅随着时间的流逝保持稳定，这也就是说，光波处于相同的偏振状态。在这种情况下有必要使用能够传输偏振稳定状态的光纤。所以为了解决这个问题开发了能够保持偏振的光纤。（将在下文中将保偏光纤简称为PM光纤。）

什么是PM光纤？

在光纤当中的光偏振扩散逐步变得不可控制（这主要取决于波长），这也取决于光纤的任何弯曲程度以及温度状态。因此需要特殊的光纤来达到所需要的光学性能，这些光学性能在光穿过光纤时会受到偏振的影响。像光纤干涉仪和传感器，光纤激光器，和电光电调制器之类的许多系统也会有偏振相关损耗，影响系统的性能。通过使用名为PM光纤的特殊光纤，这一问题能够得到解决。

PM光纤的原理

假设发射进入光纤的光偏振与双折射轴线中的一根同轴，那么即使光纤被弯曲的话，也会保持这种偏振状态。按照一致振型耦合的原理可以理解这种现象后面的物理原理。因为存在强烈的双折射现象，这两种偏振模式的传播常数不同，因此这种涉及模式的相对相会出现快速的漂移。因此，只要任何沿着光线的干扰具有有效的空间傅里叶分量（并且具有与两种偏振模式的传播常数之间差异相配的波数），都可以有效的与两种模式匹配。如果这种差异足够大，那么在光线当中的常规干扰也会逐渐缓慢的变化，能够实现有效的振型耦合。因此PM光纤的原理使得差异足够大。

在最常用的光纤长途通信应用领域当中，PM光纤用于将光线从一个地方到另一个地方导入线性极化的状态。为了实现该结果，必须满足几个条件。输入光纤必须高度极化以避免发射慢轴和快轴两种模式，在这两种状态中输出偏振状态是不可预知的。

由于同样的原因，输入光纤的电场必须准精确地对准一根光纤的主轴（在工业惯例当中通常情况下是慢轴）。如果PM光纤路径光缆由光纤连接器连接的分段光纤组成或者是拼接的接头组成，配合的光纤旋转定位则是一个非常关键的问题。此外，必须在PM光纤上安装连接器，而且在安装连接器的过程当中，所产生的内应力不会导致电场投影在光纤上不使用的光轴上。

PM光纤的类型

圆形的PM光纤

能够在光纤当中引入圆双折射的概念，因此两个成直角的偏振模式在光纤——所谓的圆形PM光纤——中沿着顺时针和逆时针方向圆偏振。在一根圆形的（轴向对称）光纤当中实现环形双折射的最常用方法是扭曲光纤，这样能够在顺时针方向和逆时针方向上圆偏振的振荡主模上，产生传播常数的差异。因此，这两种圆极化波模退耦。同样也有可以认为在外部施加的应力能够改变在光纤长度方向上的方位角，这样能够在光纤上产生环形双折射。，如果一根光纤被扭转，则会产生扭转应力，导致与扭曲相关的光学性质。

也可以使得光纤的光纤芯在包层内沿着螺旋路径敷设，这样也能够获得环形双折射。这将使得传播的光线沿着螺旋路径传输，形成光学旋转。仅仅由于几何上面的影响，可以实现双折射。这样的光纤可以作为单模光纤来使用，并且在高阶模上会产生比较高的损失。

具有螺旋光纤芯结构的环形PM光纤能够应用在根据法拉第效应感知电流的领域当中。可以使用双金属杆以及预成型的管子制造光纤，在光纤拉制的过程当中，旋转预成形的管子来形成螺旋。

线性PM光纤

主要有两种类型的线性PM光纤，也就是单偏振型和双折射光纤型。与两种偏振的基本模式相比，单偏振型的主要特征是具有较大的传输损耗。于双折射光纤类型来说，位于振荡主模的两个偏振之间的传播常数明显不同。可以使用多种光纤设计来保持线性偏振，这将在随后讨论该点。

边槽和边隧道线性PM光纤

边槽光纤集成了两个折射率小于包层折射率的槽，槽位于中央光纤芯的两个侧面。这种类型的光纤在沿着x轴方向上具有W型折射率分布，在y轴方向上是阶跃折射率分布。边隧道光纤是边槽结构的一种特殊例子。在这些线性PM光纤中，于光纤芯中引入了几何各向异性来获得双折射光纤。

具有施加了应力部件的线性PM光纤

在光纤中引入高双折射的有效方法是通过在光纤的光纤芯中引入具有二重几何对称的不均匀应力来实现。因为光弹性效应的原因，应力改变了光纤芯的折射率，这可以通过沿着光纤主轴的偏振模式以及双折射的结果观察到上述情况。可以使用两个相等且独立的施加了应力的部件（SAPs）获得所需要的应力，这些部件定位在光纤芯对面的包层区域中。因此，只要SAPs的折射率低于或者等于包层的折射率，就不会有副振荡模式通过SAPs。

最常见的用于SAPs的形状是：领结型形和圆形。这些光纤各自称为领结型光纤和熊猫型光纤。在下图中显示了这两种光纤的横截面。这些光纤所采用的模态双折射表现了几何以及应力感生双折射。对于圆形光纤芯光纤来说，几何双折射是非常小的，可以忽略不计。已经证明的是，当把SAPs置于靠近光纤芯的地方时，能够改善这些光纤芯的双折射，但是必须将其置于非常靠近光纤芯的位置上，这样就不会增加光纤损耗，尤其是在SAPs上的材料不是二氧化硅时更是如此。已经对熊猫型光纤进行了改善，可以获得更高模态的双折射，非常低的损耗以及低串扰。

提示：目前在工业中最流行的PM光纤是圆形熊猫型光纤。熊猫型光纤的一个远远超过其他PM光纤的优点是光纤尺寸和数值孔径与常规的单模光纤 。在使用两种类型的光线时能够确保设备上的最低损耗。

具有椭圆形构造的线性PM光纤

曾经在三种光型结构上进行了实用的低损失单偏振光纤的首个建议的试验性研究：椭圆光纤芯、椭圆包层和椭圆护套光纤。早期对椭圆光纤芯光缆的研究涉及到偏振双折射的计算。在第一阶段，矩形介质波导管被用于估计椭圆光纤芯光纤的双折射。在首次使用PM光纤的实验中，制造了一种具有哑铃形状光纤芯的光纤。可以通过增加光纤芯包层折射率差异来减少偏振拍长。但是由于实际的应用限制，不可能将折射率差异增加太多。在增加折射率差异时，会导致传输损耗，并且拼接将变得更为困难，这是因为必须缩小光纤芯半径。用于椭圆形光纤的典型双折射数值要比椭圆包层光纤高。但是椭圆光纤芯的损失要比椭圆包层光纤的高。

具有折射率调制的线性PM光纤

对于隔离两个直角振荡主模的截止波长的单偏振光纤来说，一种能够提高其频带宽度的方法是选择一种仅仅允许一种偏振态处于截止上的折射率分布。在三层椭圆形截面光纤中的内包层的折射率上引入角向调制，这样可以实现高双折射。在研究三层椭圆形截面光纤时采用来一种扰动途径，在其中假设矩形光纤芯波导管为参考结构。在单偏振运行中，三层椭圆形截面光纤上的双折射试验显示，内包层折射率的适当角向调制可以增强双折射，并扩展了波长范围。

折射率分布被称为蝴蝶轮廓。这是一种不对称的W轮廓，由一致的光纤芯以及围绕在光纤芯周围的包层构成，在包层中，轮廓具有ncl的最大值，并且在半径和角向上都在变化，沿着X轴上具有最大的下降情况。这种外形有两种属性可以实现单模单偏振运行。首先，外形是不对称的，这将使得两个成直角的振荡主模的传播常数不同，其次，在堡层内的衰减确保每种模式都有一个截止波长。蝴蝶光纤的导向性很弱，因此可以使用标量波方程的答案来确定模态场和传播常数。答案涉及到三角函数和马蒂厄函数，用来说明在光纤芯光纤的包层中横向坐标的相关性。这些功能并不是互相正交的，这需要每个功能的无穷集来说明在不同区域的模态场，并满足边界条件。生成的几何双折射图与标准的频率V对比显示，折射率在沿着X轴方向下降的程度增加了不对称性，因此也增加了双折射的最大值和V值。双折射的峰值是非圆形光纤的特点。在光纤中引入各向异性可以提高模态双折射，对于各向异性来说，可以通过向一种模式的两个偏振上赋予不同的折射率分布来实现此目的。几何双折射小于各向异性双折射。然而，在蝴蝶外形包层中的下降能够向振荡主模截止波长提供双偏振，该双偏振被一个波长窗口分离，而在波长窗口中有可能实现单偏振单模运行。

PM光纤的应用

PM光纤应用于不允许出现偏振态漂移的领域中，例如温度的变化。这样的例子是光纤干涉仪以及一些光纤激光器。使用这样的光纤的缺点是，通常情况下需要精确定位偏振的方向，这样就会出现更多的麻烦。与此同时传播损失也要比标准的光纤高，而且很难将所有类型的光纤都保持在偏振保留形态。

PM光纤用于特殊应用领域，例如光纤传感应用、干涉量度学和量子密钥分发方面。也常用于远距离通讯上的激光发生器和调制器之间的连接，因为调制器要求使用偏振光作为输入。很少用于远距离传输，因为PM光纤非常昂贵，并且与单模光纤相比衰减更高。

使用PM光纤的要求

终端：当PM光纤的终端是光纤连接器时，把应力竿与连接器相连是非常重要的事项，通常情况下是与连接器的键连接。

拼接：在拼接PM光纤也应当非常仔细。当熔合光纤时，X、Y、Z轴都应当很好的定位，并且转动定位也必须良好，这样才能够精确定位应力杆。

另外一个要求则是在光纤末端处的入射条件必须与光纤横截面的横向主轴的方向一致。