影响保偏光纤性能的几个指标

前两周介绍了，保偏光纤开发过程一波三折，和通讯光纤不同，应用对保偏光纤最关注的因素是双折射指标。我们说保偏光纤很敏感，因为在应用过程中，有不少因素能影响双折射这个指标。

有些因素是光纤的本征原因（intrinsic），比如：结构缺陷，材料的非线性效应等；有些是外在因素（extrinsic），比如：温度条件，机械扰动（横向压力，弯曲，扭曲和拉力）和电磁效应（法拉第效应和克尔电光效应）等。这张表基本囊括了影响保偏光纤性能的主要因素。  

 

先定义两个重要概念：  

拍长（BL）：Lp=λ/B， 一个偏振光在光纤里旋转360度的长度就是一个拍长，拍长越小，快、慢轴的光速差越大，双折射性能越强。大家喜欢使用拍长作为衡量光纤维持双折射能力的指标主要是它不因光纤的长度决定，也不会受到弯曲或者张力等其他条件的影响，很直接的体现光纤性能。  

消光比（ER）：ER=10log(Pu/Pw) Pw是指的延续入射轴的能量，Pu 是指不想要耦合过去的另一个轴方向的能量。这个比值越小，说明光信号越不容易耦合到另一个轴中。比如消光比是-30dB，那维持入射轴的能量和耦合到另一个轴的能量比是1000:1；如果消光比是-20dB，能量比就是100:1等等。    

（一）保偏光纤的衰减  

提到光纤肯定先说衰减，尽管一直以来保偏光纤的衰减指标不一定是大家最关注，但是随着光纤长度用的越来越长，所以衰耗也需要重点考虑一下。保偏光纤常用的波长是1310和1550nm，一般衰减能降低到0.35dB每公里以下（大多应用已经足够了）。这是一张经典的光纤衰耗图，红色线就是实际的光纤测试衰减，先不多考虑紫外和红外吸收，影响到保偏光纤衰减的主要是散射损耗（橘黄色）。

这是因为保偏光纤最重要的特性的偏振光的维持能力，需要设计引入应力区（S.A.P.）增加玻璃的热膨系数，如果想要更大的双折射，提高应力区的掺杂、增加应力区面积或者让应力区更靠近纤芯，光纤拉制温度高达2000多度，必然导致一定的硼扩散，会提高光纤衰减。

 

问题：经常碰到一个很常见的问题，保偏光纤的“快”、“慢”轴是不是有衰减也有区别？其实答案是：没什么不同。快、慢轴并不是保偏光纤的导致衰减的主要因素。    

不仅仅是保偏光纤，很多科研都是在多个指标之间选择最佳的“平衡”（发表论文可以刻意关注某一指标，而忽略其他），但是从工程化应用角度考虑，顾此失彼可能导致严重的后果，并没有“万能”光纤，最重要的是看应用的需求。我们开发了各类光纤，也要立其功能，避其缺陷（合适的环境使用合适的光纤）。   

（二）内因导致双折射敏感   光纤开发造成的结构缺陷  

前一期聊过，纤芯的结构可以定义保偏光纤是高双折射还是低双折射。完美的圆形的纤芯提供了低双折射光纤，椭圆形纤芯就呈现高双折射光纤，这正是解释了纤芯的结构对双折射这个指标的重要影响。   在低双折射保偏光纤中，纤芯形变就出现了结构缺陷，通过在拉丝过程中旋转预制棒可以减少这种影响（前一期介绍了）。  

在高双折射光纤中，主要的结构缺陷是施加应力的区域（S.A.P.）变形。一对硼棒的形变影响到对模式耦合的参数“h”比纤芯变形大两个数量级。如果其中一个应力区出现问题（不对称）温度波动将成为主要影响因素。

非线性效应   

非线性效应总是一个复杂的因素，尽管公式显得很简单，但是涉及到的知识还是比较晦涩。在保偏光纤使用过程中，克尔（Kerr）效应是影响模式双折射的主要非线性扰动。比如：如果1 kW的输入功率，双折射的大小估计为1.5×10-6。这样的双折射系数对高双折射光纤来说几乎可以忽略不计，但是低双折射光纤中就显得重要了。值得注意的是，在光纤陀螺仪或相干光传输系统应用中，即使是几毫瓦的输入功率也会由非线性效应引起一定的噪声。  

 

（三）外因导致双折射敏感  

温度条件

几乎所有应用都要考虑温度因素，温度波动也是保偏光纤应用过程中比较严重的问题。不过也正是这个特点，可以开发出基于保偏光纤的温度传感器，通过在45°方位角引入线性偏振光，利用保偏光纤的双折射灵敏度变化。



外界温度的变化，引起光纤的热胀冷缩（光纤长度变化，直径变化），尤其是应力区和石英玻璃存在热膨胀系数的不同直接影响光纤的双折射性能。光纤拉丝过程是比较极端的例子，应力区迅速收缩，快于外边的石英玻璃收缩的速度。所以说温度对有两个很大应力区的保偏光纤来说是个很“恐怖”的影响因素。  

关于减小温度影响的研究也有不少，比如：利用不同厚度的涂层（假设固定使用丙烯酸酯材料，厚度增加会消除一定的整体热膨胀）。又是很矛盾的问题，光纤涂层的厚薄还是要紧密结合应用需求。再比如对光纤尝试退火工艺，提前把应力释放。或者选用不同的涂层材料，甚至通过玻璃材料的掺杂，调整整体光纤的温度敏感性。

从结构上考虑，使用没有应力区的保偏光纤，比如椭圆纤芯结构，应该会对温度性能方面有所优化。有很多实验还在进行。尤其是在某些应用中，光纤的形态并不是松弛的，还有很多其他因素干扰。传感环应用采用了对称式绕制的方法，一定程度上减小了温度影响。  

机械扰动  


机械扰动引起的双折射直接影响低双折射光纤。而对于高双折射光纤，尤其是拍长较短的光纤（例如633 nm处在1.0-1.2mm范围内），内部有较高的应力，与拍长较长的光纤相比，更能抵抗外部应力的影响。但是，拍长的优化是要付出代价的，可能会出现更多的缺陷，很可能造成局部应力。  

弯曲引起的双折射通常在弯曲半径＞10 cm时较并不明显，并且几乎不会影响高双折射光纤中的串音。纯轴向张力也不会产生双折射。除非较为严重的扭曲，高双折射光纤的扭曲效果几乎可以忽略不计。但是最大的问题是横向压力，比如：把裸纤维压在V型槽上，串音一定受到影响，45度方位角是模式耦合的最严重的方向。  

绕制光纤的情况下，就一定要考虑在侧向的扭力或在轴向拉力产生的双折射。另外，在比较小的弯曲半径情况下，光纤弯曲所引起的横向压力是不可忽略不计的。避免这些干扰的最佳的方法就是利用好涂层材料，厚一些必然会好。  

电磁效应  

电磁场也会引入双折射，克尔（Kerr）效应是通过横向电场；法拉第效应通过磁场。下边这个公式还挺重要的，K是光纤的Kerr电光常数，V是维尔德（Verdet）常量。如果K = 1.9×10-3esu，Kerr效应是影响是很小的。这种电磁效应可以应用于隔离器的开发，但是在光纤陀螺仪应用中一定要竭力避免。

   

（四）小结  

今天讲了影响到保偏光纤性能的几个指标，比如衰耗、双折射性能等等。导致双折射性能敏感的因素比较多，各个因素之前还有一定的相互影响，其实是个比较复杂的体系。

抗干扰，不敏感才是重要的。  

保偏光纤和通讯光纤不一样，通讯光纤标准成熟，应用主要是传输信号，降衰耗是核心。但是保偏光纤（或者其他特种光纤）作为传感应用的元器件，也希望能对某一些外界条件敏感，但是又不能对各种条件都敏感，所以保偏光纤的设计需要平衡很多因素，增加了开发难度。科研人员始终是在与这种“平衡”进行着搏斗。

利其长，避其短。  

最近国家大力推进物联网的发展，有了应用的牵引，技术才得以长足发展。就像历史上，公元前毛笔就发明了（蒙恬就发明了用骆驼毛制成的毛笔），但是他的发明并没有立即启发中国人写字、绘画；造纸术也一样，发明以后延迟了几个世纪很多国家和地区才获得普及。因此呢，并不是新技术的出现导致了时代的发展，而往往是社会变革之后才需要新技术的促进（这个和前一段时间写的《玻璃是推进人类文明发展的重要材料》有点矛盾，不过更多的讨论，才会有更清晰的认识）。技术需要需求牵引，越来越多的传感应用牵引特种光纤的技术进步，肯定会有越来越多的优秀的特种光纤产品及相关技术开发出来的。

审核编辑：刘清