一文了解保偏光纤原理、快慢轴、保偏拍长、消光比

2021-04-15 14:28

什么是保偏（PM）光纤？

从理论上来说，光纤是圆芯的应该不会产生双折射，并且光纤的偏振态在传播过程中是不会改变的。然而，在实际中，常规光纤在生产过程中，会受到外力作用等原因，使光纤粗细不均匀或弯曲等，就会使其产生双折射现象。当光纤受到任何外部干扰，例如波长、弯曲度、温度等的影响因素时，光的偏振态在常规光纤中传输时就会变得杂乱无章。

而保偏光纤的应用则是可以解决这一偏振态变化的问题，但它并不是消除光纤中的双折射现象，而是通过在光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈的双折射，来消除应力对入射光偏振态的影响。

保偏光纤是如何影响光纤内的双折射效应？保偏光纤在拉制过程中，当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降，从而影响了双折射效应。

如何制造保偏光纤？

常用的引入高双折射的方法可在预制棒的光纤芯中引入几何对称的不均匀应力来实现，通过在纤芯两侧加入两种改进玻璃组分的应力棒。应力型保偏光纤主要是依靠嵌入的应力棒和光纤纤芯的热膨胀系数的不同来产生热应力，在热应力作用下导致材料折射率的变化，从而产生双折射效应。另一种方案是采用椭圆形的纤芯，椭圆形的形状本身就会产生一定程度的形状双折射，即使没有机械应力。

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保偏光纤的结构

椭圆包层型、领结型和熊猫型是三种应用较为广泛的三类保偏光纤，都属于应力型保偏光纤。

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什么是快轴和慢轴？

保偏光纤通过在穿过光纤的两个垂直极化中引起光速差来工作。这种双折射在光纤内产生两个主要的传输轴，分别称为光纤的快轴和慢轴。其中快轴为折射率小的方向，光传输速度较快的一个光轴，垂直穿过两个应力区中心连线的中点；慢轴为穿过两个应力区终点的一个光轴，为折射率大的方向，传输速度较慢。

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什么是拍长？

若入射线偏振光的偏振方向与光纤的快轴或慢轴一致，则光在传输过程中其偏振态保持不变。若入射光的偏振方向和快轴或慢轴成一夹角，会同时激发两种传播常数不同的正交偏振模式，两个偏振分量间功率的周期交换，这个周期就称为拍长。拍长是光纤双折射程度的一个非常客观的参数，与光纤长度、输入光的偏振和对准等都没有关系，可以很好的反映光纤偏振态的周期性变化。周期性是指偏振状态沿光纤长度方向从线偏→椭偏→圆偏→椭偏→线偏→椭偏→圆偏→椭偏→线偏的过程，在整数个拍长后返回原始线偏状态。

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拍长的公式是Lp＝λ／B，λ波长，B是双折射。拍长越小，快、慢轴的光速差越大，双折射性能越强。典型的B值：普通光纤B＝10（－7），保偏光纤B＝10（－4）

什么是消光比？

保偏光纤是如何实现保偏原理的，将偏振光偏振方向与其中一轴对齐，分到另一轴的偏振分量就会很小，从而保持传输光的偏振态。这时候就引入了消光比（ER）参数来反映光纤保持偏振态的优劣程度。当偏振光偏振方向与快慢轴其中一个轴对齐后，通过元器件产生两个正交偏振模态，沿原方向轴向的偏振分量与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质量的重要参数，消光比越大，该偏振器质量越高。

ER ＝ 10 log（Pmax／Pmin）

保偏（PM）跳线工作原理

保偏跳线（Polarization Maintaining Optical Connector）是通过精准的连接器键位来实现偏振模态的耦合对准。相比传统的光纤跳线，保偏跳线具有保偏光纤传输偏振光信号，能够保证线偏振的方向不变，提高相干信噪比，实现物理量的高精度测量等优势。

保偏连接器是两根保偏光纤耦合的重要组件，确保两根保偏光纤在耦合时的偏振模态保持偏振光原有的偏振状态，维持高的消光比进行传输。这就需要精准对接两根光纤中慢轴或快轴，尽量减小θ角度误差。将偏振光偏振方向与其中一轴对齐，分到另一轴的偏振分量就会很小，从而保持传输光的偏振态。保偏角度和消光比是反映保持偏振态的优劣程度。

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如何对准“猫眼”？

应力棒与光纤纤芯平行，施加的应力在光纤纤芯内产生双折射，有利于光仅延一个方向偏振传播，从而维持保偏工作。熊猫型应力棒是圆柱形的，而领结型采用梯形棱镜应力棒。

一般来说，保偏光纤保持偏振态的好坏依赖于偏振光的入射状态，要求偏振光的偏振态与保偏光纤快、慢轴方向耦合对准。要保证两根光纤以较高的消光比传输，就必须保证保偏光纤通过光纤连接器端接时，应力棒应该与连接器Key键对齐。Key键是否对齐，直接决定了保偏连接器链路传输的功能，这个指标非常关键。

应力棒要与连接器key键对齐，市面上常规的生产做法是：在插芯中充填353ND固化胶，在胶水还未固定时，通过旋转纤芯在放大镜下来对准应力棒（猫眼），对准后再固化。这样做的问题点是，在对准“猫眼”后，需要移动连接器进行烘烤固化，纤芯极易发生转动，并且固化胶存在一定的粘度，导致对准后在固化前纤芯发生旋转偏移，“猫眼”的对准角度只能达到±5度以内，整条跳线的消光比只能达到20dB以上。而且一旦偏移角度过大，连接器端必须剪断重新加头，浪费工时，且品质难以保证。

为了解决以上问题，亿源通自主设计了一款能360度旋转插芯来对准“猫眼”的保偏连接器。通过旋转固化后的插芯来代替旋转光缆纤芯，当“猫眼”对准后，再固定插芯尾炳，达到精准定位的目的。经过验证，HYC系列保偏连接器，对准角度偏差可控制在±1度以内，消光比能达到25dB以上。

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