光纖原理

什么是保偏(PM)光纖?

從理論上來(lái)說(shuō)，光纖是圓芯的應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生雙折射，并且光纖的偏振態(tài)在傳播過(guò)程中是不會(huì)改變的。然而，在實(shí)際中，常規(guī)光纖在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)受到外力作用等原因，使光纖粗細(xì)不均勻或彎曲等，就會(huì)使其產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。當(dāng)光纖受到任何外部干擾，例如波長(zhǎng)、彎曲度、溫度等的影響因素時(shí)，光的偏振態(tài)在常規(guī)光纖中傳輸時(shí)就會(huì)變得雜亂無(wú)章。

而保偏光纖的應(yīng)用則是可以解決這一偏振態(tài)變化的問(wèn)題，但它并不是消除光纖中的雙折射現(xiàn)象，而是通過(guò)在光纖幾何尺寸上的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的雙折射， 來(lái)消除應(yīng)力對(duì)入射光偏振態(tài)的影響。

保偏光纖是如何影響光纖內(nèi)的雙折射效應(yīng)?保偏光纖在拉制過(guò)程中，當(dāng)線偏振光沿光纖的一個(gè)特征軸傳輸時(shí)，部分光信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)入另一個(gè)與之垂直的特征軸，最終造成出射偏振光信號(hào)偏振消光比的下降，從而影響了雙折射效應(yīng)。

如何制造保偏光纖?

常用的引入高雙折射的方法可在預(yù)制棒的光纖芯中引入幾何對(duì)稱的不均勻應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在纖芯兩側(cè)加入兩種改進(jìn)玻璃組分的應(yīng)力棒。 應(yīng)力型保偏光纖主要是依靠嵌入的應(yīng)力棒和光纖纖芯的熱膨脹系數(shù)的不同來(lái)產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料折射率的變化，從而產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。另一種方案是采用橢圓形的纖芯，橢圓形的形狀本身就會(huì)產(chǎn)生一定程度的形狀雙折射，即使沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力。

保偏光纖的結(jié)構(gòu)

橢圓包層型、領(lǐng)結(jié)型和熊貓型是三種應(yīng)用較為廣泛的三類保偏光纖，都屬于應(yīng)力型保偏光纖。

什么是快軸和慢軸?

保偏光纖通過(guò)在穿過(guò)光纖的兩個(gè)垂直極化中引起光速差來(lái)工作。這種雙折射在光纖內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)主要的傳輸軸，分別稱為光纖的快軸和慢軸。其中快軸為折射率小的方向，光傳輸速度較快的一個(gè)光軸，垂直穿過(guò)兩個(gè)應(yīng)力區(qū)中心連線的中點(diǎn);慢軸為穿過(guò)兩個(gè)應(yīng)力區(qū)終點(diǎn)的一個(gè)光軸，為折射率大的方向，傳輸速度較慢。

什么是拍長(zhǎng)?

若入射線偏振光的偏振方向與光纖的快軸或慢軸一致，則光在傳輸過(guò)程中其偏振態(tài)保持不變。若入射光的偏振方向和快軸或慢軸成一夾角，會(huì)同時(shí)激發(fā)兩種傳播常數(shù)不同的正交偏振模式，兩個(gè)偏振分量間功率的周期交換，這個(gè)周期就稱為拍長(zhǎng)。拍長(zhǎng)是光纖雙折射程度的一個(gè)非常客觀的參數(shù)，與光纖長(zhǎng)度、輸入光的偏振和對(duì)準(zhǔn)等都沒(méi)有關(guān)系，可以很好的反映光纖偏振態(tài)的周期性變化。周期性是指偏振狀態(tài)沿光纖長(zhǎng)度方向從線偏→橢偏→圓偏→橢偏→線偏→橢偏→圓偏→橢偏→線偏的過(guò)程，在整數(shù)個(gè)拍長(zhǎng)后返回原始線偏狀態(tài)。

拍長(zhǎng)的公式是Lp=λ/B，λ波長(zhǎng)，B是雙折射。拍長(zhǎng)越小，快、慢軸的光速差越大，雙折射性能越強(qiáng)。典型的B值：普通光纖B=10(-7)，保偏光纖B=10(-4)

什么是消光比?

保偏光纖是如何實(shí)現(xiàn)保偏原理的，將偏振光偏振方向與其中一軸對(duì)齊，分到另一軸的偏振分量就會(huì)很小，從而保持傳輸光的偏振態(tài)。這時(shí)候就引入了消光比(ER)參數(shù)來(lái)反映光纖保持偏振態(tài)的優(yōu)劣程度。當(dāng)偏振光偏振方向與快慢軸其中一個(gè)軸對(duì)齊后，通過(guò)元器件產(chǎn)生兩個(gè)正交偏振模態(tài)，沿原方向軸向的偏振分量與垂直方向的偏振分量的比值，就是消光比。消光比是衡量偏振器質(zhì)量的重要參數(shù)，消光比越大，該偏振器質(zhì)量越高。

ER = 10 log(Pmax/Pmin)

保偏(PM)跳線工作原理

保偏跳線(Polarization Maintaining Optical Connector)是通過(guò)精準(zhǔn)的連接器鍵位來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振模態(tài)的耦合對(duì)準(zhǔn)。相比傳統(tǒng)的光纖跳線，保偏跳線具有保偏光纖傳輸偏振光信號(hào)，能夠保證線偏振的方向不變，提高相干信噪比，實(shí)現(xiàn)物理量的高精度測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。

保偏連接器是兩根保偏光纖耦合的重要組件，確保兩根保偏光纖在耦合時(shí)的偏振模態(tài)保持偏振光原有的偏振狀態(tài)，維持高的消光比進(jìn)行傳輸。 這就需要精準(zhǔn)對(duì)接兩根光纖中慢軸或快軸，盡量減小θ角度誤差。將偏振光偏振方向與其中一軸對(duì)齊，分到另一軸的偏振分量就會(huì)很小，從而保持傳輸光的偏振態(tài)。保偏角度和消光比是反映保持偏振態(tài)的優(yōu)劣程度。

如何對(duì)準(zhǔn)“貓眼”?

應(yīng)力棒與光纖纖芯平行，施加的應(yīng)力在光纖纖芯內(nèi)產(chǎn)生雙折射，有利于光僅延一個(gè)方向偏振傳播，從而維持保偏工作。熊貓型應(yīng)力棒是圓柱形的，而領(lǐng)結(jié)型采用梯形棱鏡應(yīng)力棒。

一般來(lái)說(shuō)，保偏光纖保持偏振態(tài)的好壞依賴于偏振光的入射狀態(tài)，要求偏振光的偏振態(tài)與保偏光纖快、慢軸方向耦合對(duì)準(zhǔn)。要保證兩根光纖以較高的消光比傳輸，就必須保證保偏光纖通過(guò)光纖連接器端接時(shí)，應(yīng)力棒應(yīng)該與連接器Key鍵對(duì)齊。Key鍵是否對(duì)齊，直接決定了保偏連接器鏈路傳輸?shù)墓δ埽@個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵。

應(yīng)力棒要與連接器key鍵對(duì)齊，市面上常規(guī)的生產(chǎn)做法是：在插芯中充填353ND固化膠，在膠水還未固定時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)纖芯在放大鏡下來(lái)對(duì)準(zhǔn)應(yīng)力棒(貓眼)，對(duì)準(zhǔn)后再固化。這樣做的問(wèn)題點(diǎn)是，在對(duì)準(zhǔn)“貓眼”后，需要移動(dòng)連接器進(jìn)行烘烤固化，纖芯極易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并且固化膠存在一定的粘度，導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)后在固化前纖芯發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，“貓眼”的對(duì)準(zhǔn)角度只能達(dá)到±5度以內(nèi)，整條跳線的消光比只能達(dá)到20dB以上。而且一旦偏移角度過(guò)大，連接器端必須剪斷重新加頭，浪費(fèi)工時(shí)，且品質(zhì)難以保證。

為了解決以上問(wèn)題，億源通自主設(shè)計(jì)了一款能360度旋轉(zhuǎn)插芯來(lái)對(duì)準(zhǔn)“貓眼”的保偏連接器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)固化后的插芯來(lái)代替旋轉(zhuǎn)光纜纖芯，當(dāng)“貓眼”對(duì)準(zhǔn)后，再固定插芯尾炳，達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，HYC系列保偏連接器，對(duì)準(zhǔn)角度偏差可控制在±1度以內(nèi)，消光比能達(dá)到25dB以上。

應(yīng)用于哪里?

保偏光纖一般是應(yīng)用在對(duì)偏振態(tài)比較敏感的應(yīng)用中，如干涉儀，或是激光器。還經(jīng)常應(yīng)用于光纖陀螺，光纖水聽(tīng)器等傳感器和DWDM、EDFA等光纖通信系統(tǒng)。