光纤偏振器：原理、应用与优势

光纤偏振器是使输入光变为偏振光的光纤器件。其起偏原理是利用光纤的特殊结构，使相互正交的两个线偏振成分经过光纤时损耗不同，从而获得单偏振特性。可通过在光纤芯附近添加或生长偏振敏感材料或利用结构复合光纤来制作光纤偏振器。自20世纪80年代至今，基于保偏光纤、D形光纤、表面芯光纤、光子晶体光纤等多种光纤偏振器被研制出来，并实现了产业化。

将一段保偏光纤弯曲成一个线圈，可以得到消光比在3045 dB之间的光纤偏振器。如熊猫形光纤纤芯具有的双折射特性，在应力作用下，通过弯曲就可实现单偏振。保偏光纤可以通过外场（如电场、温度场和力场）调制，实现一定程度上的偏振态调节。2007年，瑞典Acreo光纤实验室采用纤芯熔融法将金属集成到石英微结构光纤中，在包层中设计有两个或四个对称的圆孔，圆孔中填充BiSn、AuSn或Bi等纤芯，形成应力区［2，284］。该光纤可在10 ns时间内对1.5μm波段的光纤起偏，偏振损耗小于0.1 dB；由250 V振幅和11.5μs周期的电压脉冲驱动，所得偏振值为9 rad［284，285］。这些含有金属纤芯的玻璃复合光纤通过光纤轴向的金属柱电极来调节双折射率。这种金属－玻璃全光纤偏振开关在锁模激光中具有高速开关和单脉冲选择两种功能［2，286］。高速开关采用两种基于内部电极的双孔光纤偏振旋转器，单脉冲选择器件采用基于内部电极的四孔光纤偏振旋转器，实现了纳秒响应的光开关控制（13 ns）。

基于D形光纤的偏振器是另一种研究较多的偏振器。它是将普通单模光纤磨抛去除部分包层，成为D形光纤，而后在磨抛平面上镀上金属薄层（如Al）或介质薄层（如半导体膜、双折射晶体、液晶、石墨烯等），通过膜层对不同模式光的吸收不同，从而实现起偏效果。在发展初期，D形光纤的磨抛造成这种偏振器的传输模损耗较高［287］。为了解决这个问题，1983年，Hosaka等设计一种组合包层结构的光纤，纤芯一侧以石英为包层，另一侧以硼硅酸盐玻璃为包层，拉制光纤后浸入HF中刻蚀，硼硅酸盐一侧包层被快速蚀刻掉，仅留下半边石英包层，由此制得D形光纤，镀铝膜后制成光纤偏振器；该偏振器在波长为1290 nm处，消光比分别为36.6 dB，插入损耗为10.5 dB，性能得到极大提高［288］。1987年，Dyott等利用蚀刻法制得的D形光纤，在镀上一层金属铟薄膜后可实现起偏，中心波长为820 nm，偏振消光比超过39 dB，插入损耗仅0.2 dB［289］。1997年，Ma等利用液晶作为包层制备D形光纤，实现了具有极小插入损耗，消光比高于42 dB的光纤偏振器［290］。虽然这些基于D形光纤的偏振器实现了很高的性能指标，但它们具有固定的消光比和起偏方向，无法进行灵活调节，不能作为主动器件使用。

微纳光纤具有三维轴对称的倏逝场，模场与周围介质具有很强的相互作用，理论上可以从各个方向实现对倏逝场的调制，从而可设计出方向可调的光纤偏振器。1996年，Wakaki等通过在微纳光纤周围生长双折射的硝酸钠单晶作为光纤包层，设计了一种消光比达到31.2 dB的光纤偏振器［291］。2016年，Ahmad等将氧化石墨烯涂覆于微纳光纤表面制得的光纤偏振器［292］，在1480 nm波长下，获得最高消光比为37 dB。然而，在这些设计中，偏振敏感材料固定于微纳光纤表面，不可调节，导致偏振器具有固定的消光比与偏振方向，同样不能对光的偏振态进行任意调制。(www.xing528.com)

随着光纤偏振器在光纤陀螺、光纤传感等领域的应用，对偏振器的精度、工作范围、温度稳定性和响应速度等也提出了较高的要求。因此，研究人员提出采用微结构光纤实现光偏振态调制。澳大利亚悉尼大学的Zhang等在50 cm光子晶体光纤中选择性填充和设置金属膜，实现了3 dB的消光比［293］。香港理工大学的Xuan等利用一种单侧气孔烧蚀塌缩的空芯光子晶体光纤，制备了一种宽带光子晶体光纤偏振器［294］，当偏振器的长度为36 mm时，在1550 nm中心波长，实现了工作波长范围大于100 nm、偏振消光比大于20 dB的良好性能。

2005年，Zhou等在掺锗光纤中刻写45°倾斜光纤布拉格光栅制得的光纤偏振器［295］，在1550 nm附近100 nm工作范围内，实现偏振消光比为33 dB。2007年，Wang等通过在光子晶体光纤上制作长周期光纤光栅，设计出一种新型光纤偏振器［296］，该偏振器在1550 nm附近11 nm范围内实现大于20 dB的偏振消光比，并且具有3.9 pm/℃的非常低的温度灵敏度，克服了其它光纤偏振器对温度敏感的缺点。2011年，Uebel等将厘米级长度的金属纳米线集成到石英光子晶体光纤中，发现无论输入光波偏振态如何，沿着集成纳米线轴向方向总是有方位偏振光输出，光谱区间为6001400 nm，偏振分辨力超过1/104［297］。

此外，手性光纤也是一类新的光偏振器件。手性光纤对光的偏振态敏感，对不同偏振态光，响应有差异，在强光作用下，这种差异尤为突出。不同强度、同一偏振态光通过这种光纤后，偏振态明显不同，利用这一特点有望制出偏振光开关［298］。