文 / ，徐江河，廉正刚、皮亚斌
武汉长盈通光电技术股份有限公司
光纤独特的优势已经在很多场景应用起来，然而1980年以前，在光纤中使用相位或偏振态控制非常困难，缺乏可用的保偏光纤[1]（Polarization-maintaining fiber）。美国、日本和欧洲经过几十年发展，保偏光纤的技术逐渐成熟。最近十余年，我国的保偏光纤开发技术也越来越强大，在关键应用的牵引下，涌现出来一批优秀的企业对这个发展几十年的光纤产品进行一代又一代的优化和革新。下面我们将介绍一下保偏光纤的发展、制造技术以及几个典型的应用。
一、保偏光纤的介绍与分类
Vol.1
什么是保偏光纤？
了解保偏光纤之前，我们先看看什么是偏振特性。
偏振是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质[2]。光是一种电磁波，以横波方式传播，其电场与磁场都垂直于其传播方向。
通常，光的偏振方向是指其电场的振荡方向。光的偏振存在3种偏振态：完全偏振、部分偏振和完全非偏振。其中完全偏振光又可分为3类：当其振荡轨迹为直线时，即只沿确定的方向振荡，称为线偏振光；当其振荡轨迹为一椭圆时，称为椭圆偏振光；当其振荡轨迹为一圆形时，称为圆偏振光。
自然光属于完全非偏振光，可看作所有方向上线偏振光的集合，并能转化为偏振光，如图1。例如，当自然光以特定角度入射两种不同介质的分界面时，其反射光为线偏振光，透射光为部分偏振光，这个特定角度就是布儒斯特角，又叫起偏角，此时其对应的反射光和透射光夹角为90°。自然光和完全偏振光的叠加，即为部分偏振光。
图1 将偏振镜放置于不同的角度，可产生对应的线偏振光
如摄影中常用的偏振镜，即利用了光的偏振特性[3]。偏振镜的镜片主体由许多极细的水晶玻璃组成光栅，当自然光通过偏振镜时，这些光栅将那些不与它平行的偏振光阻挡住，只允许与其平行的偏振光通过，这就是偏振镜能够消除或减弱非金属表面反光的原理。图2为加了滤镜的风景效果图。
图2 偏振镜滤波，通过旋转合适的角度，偏振镜可以减弱物体表面反光，突出蓝天白云，常用于静物和风光摄影
光纤传输的光信号也有类似情况。单模光纤中，虽然只有基模（LP01）能稳定传输，但从光的偏振态来看，其基模可分解成两个具有正交偏振态的模式LP01x和LP01y。对理想的圆对称单模光纤来说，其LP01x和LP01y模式无法区分出来，是简并的；但实际上，长距离光纤在生产中难以实现完美圆对称，且使用时还会受到外界影响，故一般的单模光纤的LP01x和LP01y模式并不简并，存在双折射现象[4]。
由于单模光纤沿轴向上各位置的双折射不一致，故其中传输的通常是线偏振光LP01x和LP01y的复合态----随机变化的椭圆偏振光。而保偏光纤，顾名思义，通过人为引入双折射，使光纤中轴向各位置的双折射保持不变，实现对入射光偏振态的保持。
Vol.2
保偏光纤的分类
保偏光纤种类很多，根据双折射的大小，可以分成高双折射光纤（双折射系数B~10-4）和低双折射光纤（B~10-7-10-9）。
根据双折射现象的产生机理[5]，又可以分成结构双折射和应力双折射，前者通过导光材料结构的不对称性引入双折射，后者通过应力引起材料折射率的变化（即光弹效应）而引入双折射。经过数十年的发展，无论高双折射还是低双折射，都存在多种技术方案，图3基本概括了保偏光纤的分类。
图3保偏光纤的分类，根据双折射大小可分为高双折射和低双折射两类，根据双折射产生机理又可分为结构引入和应力引入这两类（B为双折射系数）
低双折射光纤主要应用于圆偏振光的起偏和保偏[6]，可以通过旋转预制棒技术开发（也适用于制造旋转高双折射光纤）。高双折射光纤，可分为单偏振和双偏振两种类型：一般的保偏光纤都支持两个正交偏振模式LP01x和LP01y，称为双偏振；单偏振光纤通过专门的设计和制造，使两个正交模式中的一个模式截止或产生严重泄露而衰减，只有单个模式能在其中传播。单偏振光纤主要用于对消光比或偏振模式色散有较高要求的场景。
图4 为THORLABS公司出品的旋转领结型保偏光纤，其领结型应力区沿光纤轴向旋转，即可制成低双折射光纤，也可制成高双折射光纤
在实际应用中，除了对光纤本身性能的要求，还要考察光纤是否便于制造和使用。如表1所示，保偏光纤出现后，存在多种结构和类型，但经过这数十年的发展和筛选，当前国际上最常见的几种保偏光纤是熊猫、领结（如图4）、椭圆包层和椭圆芯结构的光纤。其中，由于适合大批量生产，我国的保偏光纤大多数采用熊猫（PANDA）型保偏光纤，其结构三维图如图5。
表1保偏光纤发展历程中出现的各种结构及其特征
图5 熊猫保偏光纤横截面图和整体结构的三维图（高分子涂层材料并未标识）
Vol.3
光子晶体保偏光纤
随着光纤制造技术的发展，到了20世纪90年代，除了上述实芯的保偏光纤外，光子晶体光纤[7]（Photonic Crystal Fibers）中也涌现出了很多不同形式的保偏光纤。
光子晶体光纤以及多种复杂结构的光纤都统称为微结构光纤[8]（Micro-Structured Fibers），由于其横截面上含有不同排列形式的空气孔，故具有比较复杂的折射率分布，产生了很多奇特的物理性质。
根据导光性质的不同，光子晶体光纤可以分为两大类：纤芯为实心玻璃的全内反射型光子晶体光纤（Total Internal Reflection）和纤芯为空气孔的空芯光纤（如光子带隙光纤Photonic Band Gap fiber），如图6。
图6 典型的光子晶体光纤横截面图，(a) 全内反射光子晶体光纤（b）光子带隙型光子晶体光纤
光子晶体保偏光纤，其保偏原理同常见的保偏光纤类似，通过结构或应力的方式来引入双折射。如图7和图8，就是通过非对称结构引入的双折射；而图9，则是应力引入的双折射[9]。它们的双折射B通常在10-2~10-4之间。
图7 非对称结构的全内反射光子晶体保偏光纤横截面图，B为10-3
图8 非对称结构的光子带隙光子晶体保偏光纤横截面图，在某些波段可达B~10-2，(a)中心空气孔由4个单元孔构成的场景(b)中心空气孔由7个单元孔构成的场景(C)另一种包层非对称的场景
图9 包含应力区的光子晶体保偏光纤横截面图，B为10-4
二、保偏光纤的主要性能指标
Vol.1
双折射/拍长
保偏光纤最重要的性能指标，自然就是双折射了。双折射B定义为：
其中，nx和ny分别表示LP01x和LP01y模式的模折射率（或有效折射率）。模折射率小的方向，光传输速度较快，被称为快轴，模折射率大的方向，光传输速度较慢，则被称为慢轴。对高双折射保偏光纤，双折射系数（B）越大越好。
双折射也可以用拍长LB表示：
这里λ指入射光的中心波长。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，则会同时激发LP01x和LP01y模式，使其复合的偏振态发生图10的周期性变化，这个发生变化的长度周期就称为拍长LB。
图10 一个拍长内光的偏振态变化图，其偏振态依此变化为：原始线偏→椭圆偏→圆偏→椭圆偏→线偏→椭圆偏→圆偏→椭圆偏→原始线偏
Vol.2
串音/消光比
串音（Cross Talk）是保偏光纤的另一重要指标，当入射光偏振态平行于保偏光纤的快轴或慢轴时，测量其出端快轴和慢轴上的光功率为Px或Py，用来表征保偏光纤快轴和慢轴上的线偏振光能量相互耦合交换的能力，可以定义为：
或
串音也可以定义为消光比η：
串音越小越好，比如串音是-30 dB，那维持入射轴的能量和耦合到另一个轴的能量比是1000:1。
Vol.3
损耗
提到光纤必说损耗。尽管保偏光纤的损耗指标不一定是大家最关注的，但随着使用的光纤长度越来越长，损耗也需要重点考虑。
在保偏光纤的常用波长1310 nm和1550 nm处，一般损耗能降低到0.35 dB/km以下。图11是一张经典的光纤衰耗图，红色线就是实际的光纤测试损耗。影响熊猫保偏光纤损耗的主要是散射损耗，这主要是因为掺杂应力区的引入。如果想要获得更大的双折射，需要提高应力区的硼掺杂浓度、增加应力区面积或者让应力区更靠近纤芯，2000℃以上的光纤拉制温度必然导致一定的硼扩散，会提高光纤损耗。
图11 不同入射光波长下的光纤损耗图
三、保偏光纤是如何制造的？
常规光纤是基于石英玻璃材料开发的，经过几十年的发展历程，工艺程序基本定型，也有了广泛应用。常规光纤的制备工艺称为两步法，即：预制棒制备和光纤拉制。保偏光纤的工艺过程要复杂一些，但是也需要从制备预制棒开始。
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化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）工艺，以石英玻璃管作为基材（衬管），将选定的化学气体由氧气携带一起进入石英玻璃衬管，利用行进的氢氧焰沿着管子移动对衬管加热，引起化学反应，并使沉积的材料烧结在管子内部（气相沉积），如图12。沉积层数变多，壁厚增大，内径减小；最终把玻璃管的中空部分通过压力调整“抽掉”（热熔缩），变成实芯的玻璃棒，完成预制棒制备。
图12 典型的化学气相沉积（MCVD）工艺
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保偏光纤预制棒
如果是常规的单模光纤，利用化学气相沉积工艺制造完成预制棒以后，就等待套管和光纤拉制了，但保偏光纤就没有这么简单。
以熊猫保偏光纤为例（图13），除了预制棒制备以外，还需要制备芯棒、掺杂应力棒，以及在预制棒上打孔。待完成所有预制棒的套管组合后，才会进行光纤的拉制。
图13 熊猫保偏光纤从预制棒到拉丝的主要工艺流程
03
光纤拉制
光纤预制棒制备完成后，需要清洗、检验等工序后装入拉丝塔。光纤拉丝塔设计在洁净环境内，通常高度在10 m以上，某些通讯光纤拉丝塔可以达到几十米高。
保偏光纤的拉制和普通单模光纤有些不同，增加了一些密封接头结构，其余的光纤拉制工艺几乎一样。将预制棒逐渐送入高温炉，玻璃预制棒软化，最下端滴下来，形成锥形，把最下边的玻璃快速的“收丝”，待外径稳定后，就形成光纤了，如图14。
图14 光纤拉制中的成纤过程
四、保偏光纤的应用
保偏光纤由于具备保持光偏振态的功能（如图15），其应用涵盖了通信、医学、传感和军事等各种领域，除了典型的消偏器、相干通信、水听器外[10]，这里还会对一些其他的保偏光纤应用进行介绍[11]。
图15 利用两段呈45°夹角熔接的保偏光纤构成的消偏器结构图
01
光纤陀螺
保偏光纤的典型应用之一即为制造光纤陀螺中的传感光纤环，图16。
图16 保偏光纤在光纤陀螺中的应用，该陀螺仪为武汉长盈通光电生产的Φ40×37 mm小型化光纤陀螺
光纤陀螺仪是以萨格纳克（Sagnac）效应为基础，由保偏光纤环构成的干涉仪型角速度测量装置。当光纤陀螺静止时，光源发出的光经过Y波导分成相反方向传播的两束光，两束光经过光纤环传输后，回到Y波导的时间相同；当光纤陀螺相对惯性空间发生旋转时，光纤环发生旋转，相向传播的两束光回到Y波导的时间不同，两束光就产生了光程差，光程差与光纤陀螺旋转的角速度成正比，通过检测光程差就可以测量角速度变化。
光纤环是将保偏光纤按照一定方式绕制而成，直径为几毫米到几千毫米的环形光路器件，保偏光纤在成环之前是单一线性排列，不构成敏感光路，不能敏感角速度信号，只有在一定的特殊绕法的规律排列下，才能形成敏感光路，形成萨格纳克干涉仪。
光纤陀螺仪在武器装备中的应用广泛，对作为核心敏感器件光纤环的对称性、长度、体积、光学传输性和环境适应性等方面要求高。
02
光纤激光器
保偏光纤由于其特殊的偏振特性，在光纤激光器中广泛应用。激光器用保偏光纤，按照其掺杂材料的不同，可分为掺镱、掺铥、铒镱共掺保偏光纤，大模场面积掺镱保偏光子晶体光纤，无源匹配保偏光纤等。
以双包层掺镱光纤为增益介质的光纤激光器具有高输出功率、高斜率效率等特点，在军事等领域有着广泛的应用；掺铥光纤保偏是针对人眼安全的高功率窄线宽光纤放大器应用，具有高斜率效率、高吸收系数、高偏振消光比等特点，广泛应用于窄线宽光纤放大、军事雷达、塑料加工、医疗美容、外科手术等领域；铒镱共掺保偏光纤主要用于1.5 μm保偏光放大器、激光雷达、人眼安全激光产品中，可降低所需泵浦功率和光纤长度，从而减少非线性效应的影响。大模场面积掺镱保偏光子晶体光纤可以有效缓解高功率光纤激光器后续系统增益压力，同时提高系统的集成度、可靠性以及可用性，可以实现脉冲高消光比和高光束质量输出，从而有效抑制高脉冲能量光纤放大过程中由于偏振模色散和模间干涉引起的幅频效应，广泛应用于超高功率激光器和飞秒激光器上。
图17 掺镱保偏光纤和NKT公司的大模场面积掺镱保偏光子晶体光纤，可用于光纤激光器中
03
电流互感器（FOCT）
同光纤陀螺类似，保偏光纤在电流互感器中的应用，也是构成传感光纤环。但两者的区别在于：这里的传感光纤环，可以用旋转保偏光纤构成，且整个系统利用的是法拉第磁光效应，即载流导体产生的磁场会使光纤环中传输光的偏振态发生旋转，如图17。由于载流导体中电流和产生的磁场呈正比，可依此通过监测光的偏振旋转角来计算电流大小。
图18 全光纤电流互感器的工作原理
04
集成光学
集成光学（Integrated Optics）是保偏光纤的一项重要应用。铌酸锂（LiNbO3）调制器就属典型的集成光学器件。铌酸锂芯片中扩散了掺有二氧化钛的波导，保偏光纤的尾纤可提供稳定的偏振态，并与芯片的双折射轴对齐，如图18。该设备的功能是基于泡克耳斯效应（Pockels effect）：当向电极施加电压时，基板的折射率与该电压成比例变化，有效光程长度的最终变化可用于产生干扰，根据掺杂二氧化钛的波导的精确设计，可对其进行操控以提供相位，频率或幅度的调制，甚至在通道之间切换光功率。
图19 保偏光纤在集成光学中的应用
05
光纤流量传感器
保偏光纤也可用于其他各类光纤传感系统中。比如用于流速测量的激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry），如图19，通过测量流体散射光的多普勒频移来确定空气流动或血管中血液的流速。
图20 保偏光纤在激光多普勒测速仪中的应用
06
医疗应用
在医学上，医生可以借助特殊导管或“导丝”对患有冠状动脉心脏病的患者进行诊断，这就是有名的OCT技术（Optical Coherence Tomography，光学相干断层扫描），图20。OCT使用低相干（宽带）光，保偏光纤在其中也起到重要作用，外科医生能够通过OCT来区分血管壁和血管阻塞之间的关系，从而利于进一步的手术治疗。
图21 通过导管对冠状动脉慢性完全阻塞患者进行OCT诊断
07
物质成分检测
利用特定物质会和某种材料发生反应或相互吸附等特性，保偏光纤也可用于物质成分检测，图21。以氢气检测为例，钯金属层（Pd layer）会吸收氢气发生膨胀，进而引起其粘附的保偏光纤双折射B的变化，通过检测这一变化，可解析气体中是否含有氢气及其含量[12]。
图22 具体的氢气检测系统，以及粘附有钯金属层的熊猫保偏光纤传感单元
五、结 语
在数字经济、智慧城市、大数据处理等信息技术的迅猛发展的背景下，光电子产业进入快车道，特别是近年来，对各类光纤传感、物联的应用需求亦呈爆炸式增长，使得保偏光纤的核心价值日益凸显[13]。随着保偏光纤的基础技术和制造工艺的提升，光纤已经成为功能“载体”，结合未来应用，保偏光纤技术将呈现功能性、匹配性和鲁棒性。
- 功能性：具备不止单一保偏功能的光纤的应用场合越来越多：大模场面积保偏光纤、增益保偏光纤和保偏多芯光纤等等；
- 匹配性：光纤外径尺寸、涂层材料的定制化，匹配多种应用的苛刻条件，比如光纤陀螺产业需要细径化，航空航天需要抗辐照，激光产业还需要棒状光纤等；
- 鲁棒性：光纤已经逐渐应用于多个场景，丰富的环境条件对保偏光纤鲁棒性提出了更高的要求，即不能被环境或光纤自身形状的变化所影响，因此有了如高强度、抗弯曲、温度不敏感、抗辐照等特性的需求。
光纤本身的技术迭代将服务于光电子行业的发展，产业的新要求又对光纤的技术提升形成正反馈。保偏光纤仅是特种光纤的一个成功案例，我们有理由期待特种光纤产业有一个更美好的未来。
参考文献
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