保偏光纤的偏振传输特性及优化方法

在圆对称结构光纤中，任意一阶模式的奇模和偶模是正交简并的，具有相同传播速度。若打破圆对称结构，则奇模和偶模不再简并，能够分别独立稳定地在光纤中传输，并且不再互相耦合。

对于非圆对称光纤，其水平方向折射率分布n（x）不同于垂直方向折射率分布n（y），即n（x）≠n（y），如图3－2所示。

图3－2　双折射光纤

（a）凹坑包层结构的双折射光纤［10］；（b）椭圆包层光纤［14］；（c）熊猫形（PANDA）光纤［16］；（d）领结形光纤［18］

假设

其中，ax≠ay。将式（3－17）分别代入式（3－3），水平偏振模式满足

垂直偏振模式满足

对比式（3－7）和式（3－9）以及阶跃光纤模式求解过程，可以得出βx≠βy。因此，的传播速度不同，即使在外界环境扰动下，仍能单独稳定传输，不互相耦合。

上述能够稳定地传输单一偏振态模式的光纤称为保偏光纤。保偏光纤在光纤激光、通信、传感和光纤陀螺等领域具有重要的应用。保偏光纤的偏振传输特性可以利用双折射效应来表征。双折射效应包括模式双折射和拍长。光纤的模式双折射定义为模的有效折射率差值：B=其中拍长定义为L=。通常情况下，n（x）和n（y）差异越大，光纤的双折射效应越大。更进一步的研究表明，光纤中双折射的来源除了形状外，还有应力。形状双折射指光纤设计中引入非圆对称结构，从而打破正交基模间的简并态，例如椭圆纤芯光纤等。应力双折射指在光纤中引入非圆对称的不同填充材料，利用热膨胀系数不同引入非对称应力，通过弹光效应使得光纤正交方向等效折射率不同，例如椭圆包层光纤或熊猫形（PANDA）光纤等［8－19］。(www.xing528.com)

光纤的双折射特性是光纤发展初期重要研究课题之一。1961年，Snitzer和Osterberg［8］最早提出打破光纤圆对称性能来破坏正交模式的简并度。1978年，Ramasamy和French［9］制备了纤芯非圆对称保偏光纤，其纤芯为哑铃状，实现的模式双折射系数B=1.15×10－5，约为普通光纤的两倍。非圆对称包层结构双折射光纤最先由Okoshi和Oyamada［10］提出。如图3－2a所示，纤芯两侧引入折射率凹坑，满足n1＞n2＞np。理论上，若W=0.3·（2a），则纤芯包层相对折射率差Δ1=0.01，凹坑包层相对折射率差Δ2=－0.03时，模式双折射系数B超过2.5×10－4。通过化学气相沉积，Hosaka等［11］制备了该光纤，Δ1=0.0042，Δ2=－0.0038，椭圆纤芯半长轴和半短轴分别为9.1μm和6.1μm，凹坑宽度为6.3μm，光纤外径为153μm。该光纤在1.15μm波长处获得的模式双折射系数B为5×10－5。上述光纤设计使得两个正交基模具有不同的等效折射率，因此两个模式的截止频率也不同，这意味着在一定的波长范围内，该光纤仅支持一个模式传输，另一个模式被截止，实现了单偏振光传输。单偏振光传输带宽可以用归一化参数S表征，S=，fcx，y为的截止频率。Okoshi等［12］指出，通过增大凹坑包层相对折射率差，能够有效增大S，展宽单偏振光传输带宽。他们通过将凹坑材料设置为空气（np=1），制备光纤，在8301060 nm波长范围内实现单偏振光传输，将S参数增加至0.07，模式双折射系数B增加至7.3×10－5。

Ramasamy和French［9］指出光纤中应力双折射比形状双折射更具主导作用。通过选择热膨胀系数不同的材料作为包层和纤芯，并且将包层设置为非圆对称结构，从而引入应力双折射。目前，主要有四种结构的应力双折射光纤。

（1）椭圆包层光纤。Stolen等［13］最先提出并制备了椭圆包层光纤：纤芯和外包层选用SiO2玻璃，内包层为掺杂浓度为12%B2O3的SiO2玻璃；纤芯、内包层和外包层直径分别为2.5μm、18/25μm和120μm；光纤的双折射系数B为4.3×10－5，光在光纤中传输70 m后仍能获得20 dB偏振消光比。通过增加掺杂浓度，增大内包层的椭偏率和选用更大热膨胀系数材料可进一步增大双折射系数B。Simpson等［14］设计了椭圆三包层光纤（图3－2b），纤芯和外包层为SiO2玻璃，内包层为掺杂浓度为20%B2O3的SiO2玻璃，次包层为F：SiO2玻璃，纤芯和内包层短轴直径均为3.4μm。光纤通过气相沉积法制备，双折射系数B为4.7×10－4，在550600 nm范围内实现单偏振光传输。随后Stolen等［15］又提出可直接制备圆对称纤芯－应力区－包层预制棒，然后在光纤拉制过程中同时从两侧挤压光纤，使得拉制出的光纤成扁平状。扁平光纤的包层和应力掺杂区域均为椭圆结构，而纤芯为圆对称结构，最终在633nm的双折射系数为2.53×10－4。

（2）熊猫形（PANDA）光纤。Hosaka等［16］指出，若避免应力掺杂区直接与纤芯区接触，则可有效降低双折射光纤的传输损耗。因此，他们在纤芯两侧包层中设置B2O3掺杂的SiO2玻璃圆柱，如图3－2c所示。纤芯和包层的相对折射率差Δ为0.61%，直径分别为5.5μm和160μm。应力玻璃椭圆柱长轴和短轴分别为32μm和26μm，距离纤芯为25μm。光纤的双折射系数B为8.5×10－5，在1520 nm处损耗仅为0.62 dB/km。之后，他们进一步优化光纤参数和制备工艺［17］，纤芯和包层的相对折射率差Δ为0.34%、直径分别为4.45μm和200μm，应力区的玻璃圆柱直径为60μm、距离纤芯为47.8μm，光纤的双折射系数B为3.7×10－4，在1570 nm处的损耗仅为0.25 dB/km。

（3）领结形光纤。Birch等［18］指出，将应力掺杂区设计成领结形分布的包层结构（图3－2d），能够在固定材料热膨胀系数的情况下使纤芯正交方向应力差值最大，从而使光纤双折射效应最大。通过理论优化，应力掺杂区为纤芯两侧包层中两个90°的扇形区域。扇形外半径为光纤包层半径的0.75倍，内半径为光纤纤芯半径的2倍。通过气相沉积法，在SiO2玻璃管内壁先沉积一层掺氟和磷的SiO2玻璃和一层掺杂浓度为20%B2O3的SiO2玻璃。接着在制备的玻璃管内注入具有腐蚀性的氟气，并加热玻璃管的两侧，使掺B2O3的SiO2玻璃被腐蚀成两个扇形区。然后在腐蚀后的玻璃管中继续沉积掺氟和磷的SiO2玻璃，最后沉积掺锗的SiO2玻璃作为纤芯。通过拉丝制备领结形光纤。这种光纤在633 nm的双折射系数B为1.15×10－3，较其它光纤提升了60%。

经过数十年的发展，国内外相关厂家（如Nufern、FiberCore、3M、Fujikura、长飞和烽火等公司）已经能够成熟地制备出高双折射系数、低损耗的光纤。表3－1和表3－2分别给出了Nufern和长飞公司部分保偏光纤性能指标［19］。

表3－1　Nufern部分保偏光纤性能指标

续表3－1

表3－2　长飞公司部分保偏光纤性能指标