保偏(PM)光纖教程

偏振的介紹

當光通過空間中一點時，振動電場的方向和振幅隨着時間沿着一條路徑前行。在一個橫剖面（一個垂直於前進方向的平面）上彼此之間成直角的電磁場矢量表示偏振光波信號。按照在橫剖面上跟蹤得出的圖案，使用電場矢量作為時間的函數來定義偏振。 偏振可以分為線性、橢圓或者圓形偏振，在其中線性偏振是最簡單的一種。無論哪一種偏振都是光導纖維傳輸中的一個問題。

無論哪一種無線電通訊和光纖測量系統都是指能夠分析兩種光波之間干涉的設備。我們不能使用干涉所給出的信息，除非組合的振幅隨着時間的流逝保持穩定，這也就是說，光波處於相同的偏振狀態。在這種情況下有必要使用能夠傳輸偏振穩定狀態的光纖。所以為了解決這個問題開發了能夠保持偏振的光纖。（將在下文中將保偏光纖簡稱為PM光纖。）

什麼是PM光纖？

在光纖當中的光偏振擴散逐步變得不可控制（這主要取決于波長），這也取決於光纖的任何彎曲程度以及溫度狀態。因此需要特殊的光纖來達到所需要的光學性能，這些光學性能在光穿過光纖時會受到偏振的影響。像光纖干涉儀和傳感器，光纖激光器，和電光電調製器之類的許多系統也會有偏振相關損耗，影響系統的性能。通過使用名為PM光纖的特殊光纖，這一問題能夠得到解決。

PM光纖的原理

假設發射進入光纖的光偏振與雙折射軸線中的一根同軸，那麼即使光纖被彎曲的話，也會保持這種偏振狀態。按照一致振型耦合的原理可以理解這種現象後面的物理原理。因為存在強烈的雙折射現象，這兩種偏振模式的傳播常數不同，因此這種涉及模式的相對相會出現快速的漂移。因此，只要任何沿着光線的干擾具有有效的空間傅里葉分量（並且具有與兩種偏振模式的傳播常數之間差異相配的波數），都可以有效的與兩種模式匹配。如果這種差異足夠大，那麼在光線當中的常規干擾也會逐漸緩慢的變化，能夠實現有效的振型耦合。因此PM光纖的原理使得差異足夠大。

在最常用的光纖長途通信應用領域當中，PM光纖用於將光線從一個地方到另一個地方導入線性極化的狀態。為了實現該結果，必須滿足幾個條件。輸入光纖必須高度極化以避免發射慢軸和快軸兩種模式，在這兩種狀態中輸出偏振狀態是不可預知的。

由於同樣的原因，輸入光纖的電場必須准精確地對準一根光纖的主軸（在工業慣例當中通常情況下是慢軸）。如果PM光纖路徑光纜由光纖連接器連接的分段光纖組成或者是拼接的接頭組成，配合的光纖旋轉定位則是一個非常關鍵的問題。此外，必須在PM光纖上安裝連接器，而且在安裝連接器的過程當中，所產生的內應力不會導致電場投影在光纖上不使用的光軸上。

PM光纖的類型

圓形的PM光纖

能夠在光纖當中引入圓雙折射的概念，因此兩個成直角的偏振模式在光纖——所謂的圓形PM光纖——中沿着順時針和逆時針方向圓偏振。在一根圓形的（軸向對稱）光纖當中實現環形雙折射的最常用方法是扭曲光纖，這樣能夠在順時針方向和逆時針方向上圓偏振的振蕩主模上，產生傳播常數的差異。因此，這兩種圓極化波模退耦。同樣也有可以認為在外部施加的應力能夠改變在光纖長度方向上的方位角，這樣能夠在光纖上產生環形雙折射。，如果一根光纖被扭轉，則會產生扭轉應力，導致與扭曲相關的光學性質。

也可以使得光纖的光纖芯在包層內沿着螺旋路徑敷設，這樣也能夠獲得環形雙折射。這將使得傳播的光線沿着螺旋路徑傳輸，形成光學旋轉。僅僅由於幾何上面的影響，可以實現雙折射。這樣的光纖可以作為單模光纖來使用，並且在高階模上會產生比較高的損失。

具有螺旋光纖芯結構的環形PM光纖能夠應用在根據法拉第效應感知電流的領域當中。可以使用雙金屬桿以及預成型的管子製造光纖，在光纖拉制的過程當中，旋轉預成形的管子來形成螺旋。

線性PM光纖

主要有兩種類型的線性PM光纖，也就是單偏振型和雙折射光纖型。與兩種偏振的基本模式相比，單偏振型的主要特徵是具有較大的傳輸損耗。於雙折射光纖類型來說，位於振蕩主模的兩個偏振之間的傳播常數明顯不同。可以使用多種光纖設計來保持線性偏振，這將在隨後討論該點。

邊槽和邊隧道線性PM光纖

邊槽光纖集成了兩個折射率小於包層折射率的槽，槽位於中央光纖芯的兩個側面。這種類型的光纖在沿着x軸方向上具有W型折射率分布，在y軸方向上是階躍折射率分布。邊隧道光纖是邊槽結構的一種特殊例子。在這些線性PM光纖中，於光纖芯中引入了幾何各向異性來獲得雙折射光纖。

具有施加了應力部件的線性PM光纖

在光纖中引入高雙折射的有效方法是通過在光纖的光纖芯中引入具有二重幾何對稱的不均勻應力來實現。因為光彈性效應的原因，應力改變了光纖芯的折射率，這可以通過沿着光纖主軸的偏振模式以及雙折射的結果觀察到上述情況。可以使用兩個相等且獨立的施加了應力的部件（SAPs）獲得所需要的應力，這些部件定位在光纖芯對面的包層區域中。因此，只要SAPs的折射率低於或者等於包層的折射率，就不會有副振蕩模式通過SAPs。

最常見的用於SAPs的形狀是：領結型形和圓形。這些光纖各自稱為領結型光纖和熊貓型光纖。在下圖中顯示了這兩種光纖的橫截面。這些光纖所採用的模態雙折射表現了幾何以及應力感生雙折射。對於圓形光纖芯光纖來說，幾何雙折射是非常小的，可以忽略不計。已經證明的是，當把SAPs置於靠近光纖芯的地方時，能夠改善這些光纖芯的雙折射，但是必須將其置於非常靠近光纖芯的位置上，這樣就不會增加光纖損耗，尤其是在SAPs上的材料不是二氧化硅時更是如此。已經對熊貓型光纖進行了改善，可以獲得更高模態的雙折射，非常低的損耗以及低串擾。

提示：目前在工業中最流行的PM光纖是圓形熊貓型光纖。熊貓型光纖的一個遠遠超過其他PM光纖的優點是光纖尺寸和數值孔徑與常規的單模光纖 。在使用兩種類型的光線時能夠確保設備上的最低損耗。

具有橢圓形構造的線性PM光纖

曾經在三種光型結構上使用低損失單偏振光纖的建議進行試驗性研究：橢圓光纖芯、橢圓包層和橢圓護套光纖。早期對橢圓光纖芯光纜的研究涉及到偏振雙折射的計算。在第一階段，矩形介質波導管被用於估計橢圓光纖芯光纖的雙折射。在首次使用PM光纖的實驗中，製造了一種具有啞鈴形狀光纖芯的光纖。可以通過增加光纖芯包層折射率差異來減少偏振拍長。但是由於實際的應用限制，不可能將折射率差異增加太多。在增加折射率差異時，會導致傳輸損耗，並且拼接將變得更為困難，這是因為必須縮小光纖芯半徑。用於橢圓形光纖的典型雙折射數值要比橢圓包層光纖高。但是橢圓光纖芯的損失要比橢圓包層光纖的高。

具有折射率調製的線性PM光纖

對於隔離兩個直角振蕩主模的截止波長的單偏振光纖來說，一種能夠提高其頻帶寬度的方法是選擇一種僅僅允許一種偏振態處於截止上的折射率分布。在三層橢圓形截面光纖中的內包層的折射率上引入角向調製，這樣可以實現高雙折射。在研究三層橢圓形截面光纖時採用來一種擾動途徑，在其中假設矩形光纖芯波導管為參考結構。在單偏振運行中，三層橢圓形截面光纖上的雙折射試驗顯示，內包層折射率的適當角向調製可以增強雙折射，並擴展了波長範圍。

折射率分布被稱為蝴蝶輪廓。這是一種不對稱的W輪廓，由一致的光纖芯以及圍繞在光纖芯周圍的包層構成，在包層中，輪廓具有ncl的最大值，並且在半徑和角向上都在變化，沿着X軸上具有最大的下降情況。這種外形有兩種屬性可以實現單模單偏振運行。首先，外形是不對稱的，這將使得兩個成直角的振蕩主模的傳播常數不同，其次，在堡層內的衰減確保每種模式都有一個截止波長。蝴蝶光纖的導向性很弱，因此可以使用標量波方程的答案來確定模態場和傳播常數。答案涉及到三角函數和馬蒂厄函數，用來說明在光纖芯光纖的包層中橫向坐標的相關性。這些功能並不是互相正交的，這需要每個功能的無窮集來說明在不同區域的模態場，並滿足邊界條件。生成的幾何雙折射圖與標準的頻率V對比顯示，折射率在沿着X軸方向下降的程度增加了不對稱性，因此也增加了雙折射的最大值和V值。雙折射的峰值是非圓形光纖的特點。在光纖中引入各向異性可以提高模態雙折射，對於各向異性來說，可以通過向一種模式的兩個偏振上賦予不同的折射率分布來實現此目的。幾何雙折射小於各向異性雙折射。然而，在蝴蝶外形包層中的下降能夠向振蕩主模截止波長提供雙偏振，該雙偏振被一個波長窗口分離，而在波長窗口中有可能實現單偏振單模運行。

PM光纖的應用

PM光纖應用於不允許出現偏振態漂移的領域中，例如溫度的變化。這樣的例子是光纖干涉儀以及一些光纖激光器。使用這樣的光纖的缺點是，通常情況下需要準確定位偏振的方向，這樣就會出現更多的麻煩。與此同時傳播損失也要比標準的光纖高，而且很難將所有類型的光纖都保持在偏振保留形態。

PM光纖用於特殊應用領域，例如光纖傳感應用、干涉量度學和量子密鑰分發方面。也常用於遠距離通訊上的激光發生器和調製器之間的連接，因為調製器要求使用偏振光作為輸入。很少用於遠距離傳輸，因為PM光纖非常昂貴，並且與單模光纖相比衰減更高。

使用PM光纖的要求

終端：當PM光纖的終端是光纖連接器時，把應力竿與連接器相連是非常重要的事項，通常情況下是與連接器的鍵連接。

拼接：在拼接PM光纖也應當非常仔細。當熔合光纖時，X、Y、Z軸都應當很好的定位，並且轉動定位也必須良好，這樣才能夠精確定位應力桿。

另外一個要求則是在光纖末端處的入射條件必須與光纖橫截面的橫向主軸的方向一致。