影響保偏光纖性能的幾個指標

前兩周介紹了，保偏光纖開發過程一波三折，和通訊光纖不同，應用對保偏光纖最關注的因素是雙折射指標。我們說保偏光纖很敏感，因為在應用過程中，有不少因素能影響雙折射這個指標。

有些因素是光纖的本征原因（intrinsic），比如：結構缺陷，材料的非線性效應等；有些是外在因素（extrinsic），比如：溫度條件，機械擾動（橫向壓力，彎曲，扭曲和拉力）和電磁效應（法拉第效應和克爾電光效應）等。這張表基本囊括了影響保偏光纖性能的主要因素。 ?

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先定義兩個重要概念： ?

拍長（BL）：Lp=λ/B， 一個偏振光在光纖里旋轉360度的長度就是一個拍長，拍長越小，快、慢軸的光速差越大，雙折射性能越強。大家喜歡使用拍長作為衡量光纖維持雙折射能力的指標主要是它不因光纖的長度決定，也不會受到彎曲或者張力等其他條件的影響，很直接的體現光纖性能。 ?

消光比（ER）：ER=10log(Pu/Pw) Pw是指的延續入射軸的能量，Pu 是指不想要耦合過去的另一個軸方向的能量。這個比值越小，說明光信號越不容易耦合到另一個軸中。比如消光比是-30dB，那維持入射軸的能量和耦合到另一個軸的能量比是1000:1；如果消光比是-20dB，能量比就是100:1等等。 ? ?

（一）保偏光纖的衰減 ?

提到光纖肯定先說衰減，盡管一直以來保偏光纖的衰減指標不一定是大家最關注，但是隨著光纖長度用的越來越長，所以衰耗也需要重點考慮一下。保偏光纖常用的波長是1310和1550nm，一般衰減能降低到0.35dB每公里以下（大多應用已經足夠了）。這是一張經典的光纖衰耗圖，紅色線就是實際的光纖測試衰減，先不多考慮紫外和紅外吸收，影響到保偏光纖衰減的主要是散射損耗（橘黃色）。

這是因為保偏光纖最重要的特性的偏振光的維持能力，需要設計引入應力區（S.A.P.）增加玻璃的熱膨系數，如果想要更大的雙折射，提高應力區的摻雜、增加應力區面積或者讓應力區更靠近纖芯，光纖拉制溫度高達2000多度，必然導致一定的硼擴散，會提高光纖衰減。

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問題：經常碰到一個很常見的問題，保偏光纖的“快”、“慢”軸是不是有衰減也有區別？其實答案是：沒什么不同?？?、慢軸并不是保偏光纖的導致衰減的主要因素。 ? ?

不僅僅是保偏光纖，很多科研都是在多個指標之間選擇最佳的“平衡”（發表論文可以刻意關注某一指標，而忽略其他），但是從工程化應用角度考慮，顧此失彼可能導致嚴重的后果，并沒有“萬能”光纖，最重要的是看應用的需求。我們開發了各類光纖，也要立其功能，避其缺陷（合適的環境使用合適的光纖）。 ??

（二）內因導致雙折射敏感 ? 光纖開發造成的結構缺陷 ?

前一期聊過，纖芯的結構可以定義保偏光纖是高雙折射還是低雙折射。完美的圓形的纖芯提供了低雙折射光纖，橢圓形纖芯就呈現高雙折射光纖，這正是解釋了纖芯的結構對雙折射這個指標的重要影響。 ? 在低雙折射保偏光纖中，纖芯形變就出現了結構缺陷，通過在拉絲過程中旋轉預制棒可以減少這種影響（前一期介紹了）。 ?

在高雙折射光纖中，主要的結構缺陷是施加應力的區域（S.A.P.）變形。一對硼棒的形變影響到對模式耦合的參數“h”比纖芯變形大兩個數量級。如果其中一個應力區出現問題（不對稱）溫度波動將成為主要影響因素。

非線性效應? ?

非線性效應總是一個復雜的因素，盡管公式顯得很簡單，但是涉及到的知識還是比較晦澀。在保偏光纖使用過程中，克爾（Kerr）效應是影響模式雙折射的主要非線性擾動。比如：如果1 kW的輸入功率，雙折射的大小估計為1.5×10-6。這樣的雙折射系數對高雙折射光纖來說幾乎可以忽略不計，但是低雙折射光纖中就顯得重要了。值得注意的是，在光纖陀螺儀或相干光傳輸系統應用中，即使是幾毫瓦的輸入功率也會由非線性效應引起一定的噪聲。 ?

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（三）外因導致雙折射敏感 ?

溫度條件

幾乎所有應用都要考慮溫度因素，溫度波動也是保偏光纖應用過程中比較嚴重的問題。不過也正是這個特點，可以開發出基于保偏光纖的溫度傳感器，通過在45°方位角引入線性偏振光，利用保偏光纖的雙折射靈敏度變化。



外界溫度的變化，引起光纖的熱脹冷縮（光纖長度變化，直徑變化），尤其是應力區和石英玻璃存在熱膨脹系數的不同直接影響光纖的雙折射性能。光纖拉絲過程是比較極端的例子，應力區迅速收縮，快于外邊的石英玻璃收縮的速度。所以說溫度對有兩個很大應力區的保偏光纖來說是個很“恐怖”的影響因素。 ?

關于減小溫度影響的研究也有不少，比如：利用不同厚度的涂層（假設固定使用丙烯酸酯材料，厚度增加會消除一定的整體熱膨脹）。又是很矛盾的問題，光纖涂層的厚薄還是要緊密結合應用需求。再比如對光纖嘗試退火工藝，提前把應力釋放?；蛘哌x用不同的涂層材料，甚至通過玻璃材料的摻雜，調整整體光纖的溫度敏感性。

從結構上考慮，使用沒有應力區的保偏光纖，比如橢圓纖芯結構，應該會對溫度性能方面有所優化。有很多實驗還在進行。尤其是在某些應用中，光纖的形態并不是松弛的，還有很多其他因素干擾。傳感環應用采用了對稱式繞制的方法，一定程度上減小了溫度影響。 ?

機械擾動 ?


機械擾動引起的雙折射直接影響低雙折射光纖。而對于高雙折射光纖，尤其是拍長較短的光纖（例如633 nm處在1.0-1.2mm范圍內），內部有較高的應力，與拍長較長的光纖相比，更能抵抗外部應力的影響。但是，拍長的優化是要付出代價的，可能會出現更多的缺陷，很可能造成局部應力。 ?

彎曲引起的雙折射通常在彎曲半徑＞10 cm時較并不明顯，并且幾乎不會影響高雙折射光纖中的串音。純軸向張力也不會產生雙折射。除非較為嚴重的扭曲，高雙折射光纖的扭曲效果幾乎可以忽略不計。但是最大的問題是橫向壓力，比如：把裸纖維壓在V型槽上，串音一定受到影響，45度方位角是模式耦合的最嚴重的方向。 ?

繞制光纖的情況下，就一定要考慮在側向的扭力或在軸向拉力產生的雙折射。另外，在比較小的彎曲半徑情況下，光纖彎曲所引起的橫向壓力是不可忽略不計的。避免這些干擾的最佳的方法就是利用好涂層材料，厚一些必然會好。 ?

電磁效應 ?

電磁場也會引入雙折射，克爾（Kerr）效應是通過橫向電場；法拉第效應通過磁場。下邊這個公式還挺重要的，K是光纖的Kerr電光常數，V是維爾德（Verdet）常量。如果K = 1.9×10-3esu，Kerr效應是影響是很小的。這種電磁效應可以應用于隔離器的開發，但是在光纖陀螺儀應用中一定要竭力避免。

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（四）小結 ?

今天講了影響到保偏光纖性能的幾個指標，比如衰耗、雙折射性能等等。導致雙折射性能敏感的因素比較多，各個因素之前還有一定的相互影響，其實是個比較復雜的體系。

抗干擾，不敏感才是重要的。 ?

保偏光纖和通訊光纖不一樣，通訊光纖標準成熟，應用主要是傳輸信號，降衰耗是核心。但是保偏光纖（或者其他特種光纖）作為傳感應用的元器件，也希望能對某一些外界條件敏感，但是又不能對各種條件都敏感，所以保偏光纖的設計需要平衡很多因素，增加了開發難度?？蒲腥藛T始終是在與這種“平衡”進行著搏斗。

利其長，避其短。 ?

最近國家大力推進物聯網的發展，有了應用的牽引，技術才得以長足發展。就像歷史上，公元前毛筆就發明了（蒙恬就發明了用駱駝毛制成的毛筆），但是他的發明并沒有立即啟發中國人寫字、繪畫；造紙術也一樣，發明以后延遲了幾個世紀很多國家和地區才獲得普及。因此呢，并不是新技術的出現導致了時代的發展，而往往是社會變革之后才需要新技術的促進（這個和前一段時間寫的《玻璃是推進人類文明發展的重要材料》有點矛盾，不過更多的討論，才會有更清晰的認識）。技術需要需求牽引，越來越多的傳感應用牽引特種光纖的技術進步，肯定會有越來越多的優秀的特種光纖產品及相關技術開發出來的。

審核編輯：劉清