影響保偏光纖性能的幾個(gè)指標(biāo)

前兩周介紹了，保偏光纖開(kāi)發(fā)過(guò)程一波三折，和通訊光纖不同，應(yīng)用對(duì)保偏光纖最關(guān)注的因素是雙折射指標(biāo)。我們說(shuō)保偏光纖很敏感，因?yàn)樵趹?yīng)用過(guò)程中，有不少因素能影響雙折射這個(gè)指標(biāo)。

有些因素是光纖的本征原因（intrinsic），比如：結(jié)構(gòu)缺陷，材料的非線性效應(yīng)等；有些是外在因素（extrinsic），比如：溫度條件，機(jī)械擾動(dòng)（橫向壓力，彎曲，扭曲和拉力）和電磁效應(yīng)（法拉第效應(yīng)和克爾電光效應(yīng)）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(gè)重要概念： ?

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

消光比（ER）：ER=10log(Pu/Pw) Pw是指的延續(xù)入射軸的能量，Pu 是指不想要耦合過(guò)去的另一個(gè)軸方向的能量。這個(gè)比值越小，說(shuō)明光信號(hào)越不容易耦合到另一個(gè)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(gè)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(shuō)衰減，盡管一直以來(lái)保偏光纖的衰減指標(biāo)不一定是大家最關(guān)注，但是隨著光纖長(zhǎng)度用的越來(lái)越長(zhǎng)，所以衰耗也需要重點(diǎn)考慮一下。保偏光纖常用的波長(zhǎng)是1310和1550nm，一般衰減能降低到0.35dB每公里以下（大多應(yīng)用已經(jīng)足夠了）。這是一張經(jīng)典的光纖衰耗圖，紅色線就是實(shí)際的光纖測(cè)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?yàn)楸Ｆ饫w最重要的特性的偏振光的維持能力，需要設(shè)計(jì)引入應(yīng)力區(qū)（S.A.P.）增加玻璃的熱膨系數(shù)，如果想要更大的雙折射，提高應(yīng)力區(qū)的摻雜、增加應(yīng)力區(qū)面積或者讓?xiě)?yīng)力區(qū)更靠近纖芯，光纖拉制溫度高達(dá)2000多度，必然導(dǎo)致一定的硼擴(kuò)散，會(huì)提高光纖衰減。

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問(wèn)題：經(jīng)常碰到一個(gè)很常見(jiàn)的問(wèn)題，保偏光纖的“快”、“慢”軸是不是有衰減也有區(qū)別？其實(shí)答案是：沒(méi)什么不同?？臁⒙S并不是保偏光纖的導(dǎo)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(gè)指標(biāo)之間選擇最佳的“平衡”（發(fā)表論文可以刻意關(guān)注某一指標(biāo)，而忽略其他），但是從工程化應(yīng)用角度考慮，顧此失彼可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，并沒(méi)有“萬(wàn)能”光纖，最重要的是看應(yīng)用的需求。我們開(kāi)發(fā)了各類(lèi)光纖，也要立其功能，避其缺陷（合適的環(huán)境使用合適的光纖）。 ??

（二）內(nèi)因?qū)е码p折射敏感 ? 光纖開(kāi)發(fā)造成的結(jié)構(gòu)缺陷 ?

前一期聊過(guò)，纖芯的結(jié)構(gòu)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(xiàn)高雙折射光纖，這正是解釋了纖芯的結(jié)構(gòu)對(duì)雙折射這個(gè)指標(biāo)的重要影響。 ? 在低雙折射保偏光纖中，纖芯形變就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺陷，通過(guò)在拉絲過(guò)程中旋轉(zhuǎn)預(yù)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(jié)構(gòu)缺陷是施加應(yīng)力的區(qū)域（S.A.P.）變形。一對(duì)硼棒的形變影響到對(duì)模式耦合的參數(shù)“h”比纖芯變形大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。如果其中一個(gè)應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)問(wèn)題（不對(duì)稱(chēng)）溫度波動(dòng)將成為主要影響因素。

非線性效應(yīng)? ?

非線性效應(yīng)總是一個(gè)復(fù)雜的因素，盡管公式顯得很簡(jiǎn)單，但是涉及到的知識(shí)還是比較晦澀。在保偏光纖使用過(guò)程中，克爾（Kerr）效應(yīng)是影響模式雙折射的主要非線性擾動(dòng)。比如：如果1 kW的輸入功率，雙折射的大小估計(jì)為1.5×10-6。這樣的雙折射系數(shù)對(duì)高雙折射光纖來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)，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(tǒng)應(yīng)用中，即使是幾毫瓦的輸入功率也會(huì)由非線性效應(yīng)引起一定的噪聲。 ?

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（三）外因?qū)е码p折射敏感 ?

溫度條件

幾乎所有應(yīng)用都要考慮溫度因素，溫度波動(dòng)也是保偏光纖應(yīng)用過(guò)程中比較嚴(yán)重的問(wèn)題。不過(guò)也正是這個(gè)特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)出基于保偏光纖的溫度傳感器，通過(guò)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(zhǎng)度變化，直徑變化），尤其是應(yīng)力區(qū)和石英玻璃存在熱膨脹系數(shù)的不同直接影響光纖的雙折射性能。光纖拉絲過(guò)程是比較極端的例子，應(yīng)力區(qū)迅速收縮，快于外邊的石英玻璃收縮的速度。所以說(shuō)溫度對(duì)有兩個(gè)很大應(yīng)力區(qū)的保偏光纖來(lái)說(shuō)是個(gè)很“恐怖”的影響因素。 ?

關(guān)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(shè)固定使用丙烯酸酯材料，厚度增加會(huì)消除一定的整體熱膨脹）。又是很矛盾的問(wèn)題，光纖涂層的厚薄還是要緊密結(jié)合應(yīng)用需求。再比如對(duì)光纖嘗試退火工藝，提前把應(yīng)力釋放?；蛘哌x用不同的涂層材料，甚至通過(guò)玻璃材料的摻雜，調(diào)整整體光纖的溫度敏感性。

從結(jié)構(gòu)上考慮，使用沒(méi)有應(yīng)力區(qū)的保偏光纖，比如橢圓纖芯結(jié)構(gòu)，應(yīng)該會(huì)對(duì)溫度性能方面有所優(yōu)化。有很多實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行。尤其是在某些應(yīng)用中，光纖的形態(tài)并不是松弛的，還有很多其他因素干擾。傳感環(huán)應(yīng)用采用了對(duì)稱(chēng)式繞制的方法，一定程度上減小了溫度影響。 ?

機(jī)械擾動(dòng) ?


機(jī)械擾動(dòng)引起的雙折射直接影響低雙折射光纖。而對(duì)于高雙折射光纖，尤其是拍長(zhǎng)較短的光纖（例如633 nm處在1.0-1.2mm范圍內(nèi)），內(nèi)部有較高的應(yīng)力，與拍長(zhǎng)較長(zhǎng)的光纖相比，更能抵抗外部應(yīng)力的影響。但是，拍長(zhǎng)的優(yōu)化是要付出代價(jià)的，可能會(huì)出現(xiàn)更多的缺陷，很可能造成局部應(yīng)力。 ?

彎曲引起的雙折射通常在彎曲半徑＞10 cm時(shí)較并不明顯，并且?guī)缀醪粫?huì)影響高雙折射光纖中的串音。純軸向張力也不會(huì)產(chǎn)生雙折射。除非較為嚴(yán)重的扭曲，高雙折射光纖的扭曲效果幾乎可以忽略不計(jì)。但是最大的問(wèn)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(yán)重的方向。 ?

繞制光纖的情況下，就一定要考慮在側(cè)向的扭力或在軸向拉力產(chǎn)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(jì)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(huì)好。 ?

電磁效應(yīng) ?

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

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（四）小結(jié) ?

今天講了影響到保偏光纖性能的幾個(gè)指標(biāo)，比如衰耗、雙折射性能等等。導(dǎo)致雙折射性能敏感的因素比較多，各個(gè)因素之前還有一定的相互影響，其實(shí)是個(gè)比較復(fù)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(biāo)準(zhǔn)成熟，應(yīng)用主要是傳輸信號(hào)，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(yīng)用的元器件，也希望能對(duì)某一些外界條件敏感，但是又不能對(duì)各種條件都敏感，所以保偏光纖的設(shè)計(jì)需要平衡很多因素，增加了開(kāi)發(fā)難度。科研人員始終是在與這種“平衡”進(jìn)行著搏斗。

利其長(zhǎng)，避其短。 ?

最近國(guó)家大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，有了應(yīng)用的牽引，技術(shù)才得以長(zhǎng)足發(fā)展。就像歷史上，公元前毛筆就發(fā)明了（蒙恬就發(fā)明了用駱駝毛制成的毛筆），但是他的發(fā)明并沒(méi)有立即啟發(fā)中國(guó)人寫(xiě)字、繪畫(huà)；造紙術(shù)也一樣，發(fā)明以后延遲了幾個(gè)世紀(jì)很多國(guó)家和地區(qū)才獲得普及。因此呢，并不是新技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了時(shí)代的發(fā)展，而往往是社會(huì)變革之后才需要新技術(shù)的促進(jìn)（這個(gè)和前一段時(shí)間寫(xiě)的《玻璃是推進(jìn)人類(lèi)文明發(fā)展的重要材料》有點(diǎn)矛盾，不過(guò)更多的討論，才會(huì)有更清晰的認(rèn)識(shí)）。技術(shù)需要需求牽引，越來(lái)越多的傳感應(yīng)用牽引特種光纖的技術(shù)進(jìn)步，肯定會(huì)有越來(lái)越多的優(yōu)秀的特種光纖產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

審核編輯：劉清