什么是保偏光纤(Polarization Maintaining Fibers)?

发布时间:2023-02-14 00:00:00.000Z

保偏光纤是一种单模光纤,它可以保存和传输进入它的光的偏振状态。通常情况下,保偏光纤是单模的,但在非常罕见的情况下,也有一些其他模式。这是因为在可以引导许多模式的大核心区域上,很难在纤维玻璃中产生强烈而均匀的双折射


图1:保偏光纤

由于输入偏振方向的不完美排列,以及由于模式混合的残留程度,光输出的偏振消光比可能低于光纤输入处的偏振消光比。图1显示了一个偏振维持光纤。当对这些光纤施加机械应力时,模式混合效应会强烈增加。在需要高偏振消光率的应用中,在光纤之后使用一个高质量的偏振器(或偏振滤光片)。

保偏光纤也被称为双折射的光纤。保偏光纤在整个光纤长度上保持均匀的双折射。双折射越大,对功率耦合的抑制就越好。

保偏光纤的工作原理

两个正交的偏振光模式被迫以不同的速度或不同的传播常数通过光纤。这种差异是通过使几何形状变成椭圆或施加可控的单轴应力,在光纤核心内部产生各向异性而实现的。强烈的双折射是两个偏振模式的传播常数不同的原因。这些模式在同一方向上的相对相位会漂移。这使得光能难以交叉耦合,因此,传输光的偏振状态得以保留。

保偏光纤的类型

根据双折射,保持偏振的光纤被分为两种。低双折射的光纤和高双折射的光纤。

一般来说,在光纤中保持偏振所需的最小值为10-4。对于高双折射光纤来说,双折射值大于10-5,而对于低双折射光纤来说,它小于10-5。

高双折射纤维(HBFs)是通过在制造过程中在纤维中引入巨大的结构不对称而产生的。这通常是通过对预制件施加高水平的应力或使用在不同方向上折射率有很大差异的材料来实现的。一种常见的方法是使用芯部具有高折射率、包层具有低折射率的预制件。然后,预制件被加热并拉入光纤,形成一个巨大的结构不对称,导致光纤具有高双折射。高双折射光纤通常用于需要精确控制光的偏振的应用中,如光纤陀螺仪干涉仪。它们也被用于光纤传感器,用于测量应变、温度和其他物理参数。

低双折射光纤(LBFs)可以使用化学气相沉积(CVD)技术生产。在这个过程中,前体气体被引入一个反应器,在那里被加热到高温并沉积到一个基材上,通常是以预制件的形式。沉积的材料形成光纤的芯和包层。通过仔细控制沉积过程和前体气体的组成,有可能创造出具有小的结构不对称性的纤维,从而产生低双折射。低双折射的光纤被用于需要最小的偏振相关损失的应用,如长距离电信系统和高速数据传输。它们也被用于光纤放大器,在那里,低双折射允许同时放大多通道的数据。

高双折射的光纤有两种类型。单偏振光纤和双偏振光纤。

单极化光纤中的串扰是恒定的,与光纤长度无关。然而,两极化光纤中的串扰会随着光纤长度的增加而变得更糟。弓形纤维和熊猫纤维是单偏振纤维的例子。这些都是具有低光学损耗的应力诱导双折射纤维。熊猫光纤有一个独特的结构,包括一个由两个正交包层包围的中心芯。光在核心中传播,并在包层的方向上偏振。弓形纤维具有与熊猫纤维类似的结构,但其核心是由两个较小的核心组成,并由一个薄桥隔开。这两个纤芯具有正交双折射,这意味着它们对不同方向的偏振光具有不同的折射率。 熊猫光纤和领结光纤的原理图见图2。


图2:熊猫光纤和领结光纤的示意图

还有一些在折射率曲线上具有双重旋转对称性的偏振维护光纤,被称为形双折射光纤。这种对称性是通过使纤芯的形状呈椭圆形而实现的。这些光纤的衰减非常高。

保偏光纤的缺点

保偏光纤是非常昂贵的
这些光纤的可用性非常有限
传播损耗比其他光纤高
这些光纤的生产很复杂
 

保偏光纤应用

保偏光纤通常用于电信业,连接激光源和调制器,因为调制器需要偏振光作为输入。它们也被用于航空工业的光纤陀螺仪应用。一些特殊的应用包括光纤干涉测量、光纤传感和板状介质波导

永磁光纤也被用于相干光传输系统或长距离双向光传输系统。对于光信号的偏振面很重要的传输应用,如光传感器的传输线和光电子集成电路的耦合,PM光纤被使用。

它们也被用于拉曼放大器、铌酸锂调制器和其他偏振敏感系统,以保持入射光的偏振,并将偏振模式之间的交叉耦合保持在最低水平。它们很少用于长距离的应用,因为它们非常昂贵,而且比单模光纤有更高的衰减。

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