什么是保偏光纖？保偏光纖的分類

光纖獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在很多場(chǎng)景應(yīng)用起來，然而1980年以前，在光纖中使用相位或偏振態(tài)控制非常困難，缺乏可用的保偏光纖[1]（Polarization-maintaining fiber）。美國、日本和歐洲經(jīng)過幾十年發(fā)展，保偏光纖的技術(shù)逐漸成熟。最近十余年，我國的保偏光纖開發(fā)技術(shù)也越來越強(qiáng)大，在關(guān)鍵應(yīng)用的牽引下，涌現(xiàn)出來一批優(yōu)秀的企業(yè)對(duì)這個(gè)發(fā)展幾十年的光纖產(chǎn)品進(jìn)行一代又一代的優(yōu)化和革新。下面我們將介紹一下保偏光纖的發(fā)展、制造技術(shù)以及幾個(gè)典型的應(yīng)用。

一、保偏光纖的介紹與分類

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什么是保偏光纖？

了解保偏光纖之前，我們先看看什么是偏振特性。 偏振是橫波的一種屬性，指橫波在與其傳播方向垂直的平面內(nèi)沿著某一特定方向振蕩的性質(zhì)[2]。光是一種電磁波，以橫波方式傳播，其電場(chǎng)與磁場(chǎng)都垂直于其傳播方向。 通常，光的偏振方向是指其電場(chǎng)的振蕩方向。

光的偏振存在3種偏振態(tài)：完全偏振、部分偏振和完全非偏振。其中完全偏振光又可分為3類：當(dāng)其振蕩軌跡為直線時(shí)，即只沿確定的方向振蕩，稱為線偏振光；當(dāng)其振蕩軌跡為一橢圓時(shí)，稱為橢圓偏振光；當(dāng)其振蕩軌跡為一圓形時(shí)，稱為圓偏振光。 自然光屬于完全非偏振光，可看作所有方向上線偏振光的集合，并能轉(zhuǎn)化為偏振光，如圖1。

例如，當(dāng)自然光以特定角度入射兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，其反射光為線偏振光，透射光為部分偏振光，這個(gè)特定角度就是布儒斯特角，又叫起偏角，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的反射光和透射光夾角為90°。自然光和完全偏振光的疊加，即為部分偏振光。



圖1 將偏振鏡放置于不同的角度，可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的線偏振光 如攝影中常用的偏振鏡，即利用了光的偏振特性[3]。偏振鏡的鏡片主體由許多極細(xì)的水晶玻璃組成光柵，當(dāng)自然光通過偏振鏡時(shí)，這些光柵將那些不與它平行的偏振光阻擋住，只允許與其平行的偏振光通過，這就是偏振鏡能夠消除或減弱非金屬表面反光的原理。圖2為加了濾鏡的風(fēng)景效果圖。

光纖傳輸?shù)墓?a target="_blank">信號(hào)也有類似情況。單模光纖中，雖然只有基模（LP01）能穩(wěn)定傳輸，但從光的偏振態(tài)來看，其基模可分解成兩個(gè)具有正交偏振態(tài)的模式LP01x和LP01y。對(duì)理想的圓對(duì)稱單模光纖來說，其LP01x和LP01y模式無法區(qū)分出來，是簡(jiǎn)并的；但實(shí)際上，長(zhǎng)距離光纖在生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)完美圓對(duì)稱，且使用時(shí)還會(huì)受到外界影響，故一般的單模光纖的LP01x和LP01y模式并不簡(jiǎn)并，存在雙折射現(xiàn)象[4]。

由于單模光纖沿軸向上各位置的雙折射不一致，故其中傳輸?shù)耐ǔＪ蔷€偏振光LP01x和LP01y的復(fù)合態(tài)----隨機(jī)變化的橢圓偏振光。而保偏光纖，顧名思義，通過人為引入雙折射，使光纖中軸向各位置的雙折射保持不變，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光偏振態(tài)的保持。

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保偏光纖的分類

保偏光纖種類很多，根據(jù)雙折射的大小，可以分成高雙折射光纖（雙折射系數(shù)B~10-4）和低雙折射光纖（B~10-7-10-9）。 根據(jù)雙折射現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理[5]，又可以分成結(jié)構(gòu)雙折射和應(yīng)力雙折射，前者通過導(dǎo)光材料結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性引入雙折射，后者通過應(yīng)力引起材料折射率的變化（即光彈效應(yīng)）而引入雙折射。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，無論高雙折射還是低雙折射，都存在多種技術(shù)方案，圖3基本概括了保偏光纖的分類。



圖3保偏光纖的分類，根據(jù)雙折射大小可分為高雙折射和低雙折射兩類，根據(jù)雙折射產(chǎn)生機(jī)理又可分為結(jié)構(gòu)引入和應(yīng)力引入這兩類（B為雙折射系數(shù)） 低雙折射光纖主要應(yīng)用于圓偏振光的起偏和保偏[6]，可以通過旋轉(zhuǎn)預(yù)制棒技術(shù)開發(fā)（也適用于制造旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖）。高雙折射光纖，可分為單偏振和雙偏振兩種類型：一般的保偏光纖都支持兩個(gè)正交偏振模式LP01x和LP01y，稱為雙偏振；單偏振光纖通過專門的設(shè)計(jì)和制造，使兩個(gè)正交模式中的一個(gè)模式截止或產(chǎn)生嚴(yán)重泄露而衰減，只有單個(gè)模式能在其中傳播。單偏振光纖主要用于對(duì)消光比或偏振模式色散有較高要求的場(chǎng)景。



圖4為THORLABS公司出品的旋轉(zhuǎn)領(lǐng)結(jié)型保偏光纖，其領(lǐng)結(jié)型應(yīng)力區(qū)沿光纖軸向旋轉(zhuǎn)，即可制成低雙折射光纖，也可制成高雙折射光纖 在實(shí)際應(yīng)用中，除了對(duì)光纖本身性能的要求，還要考察光纖是否便于制造和使用。如表1所示，保偏光纖出現(xiàn)后，存在多種結(jié)構(gòu)和類型，但經(jīng)過這數(shù)十年的發(fā)展和篩選，當(dāng)前國際上最常見的幾種保偏光纖是熊貓、領(lǐng)結(jié)（如圖4）、橢圓包層和橢圓芯結(jié)構(gòu)的光纖。

其中，由于適合大批量生產(chǎn)，我國的保偏光纖大多數(shù)采用熊貓（PANDA）型保偏光纖，其結(jié)構(gòu)三維圖如圖5。

表1保偏光纖發(fā)展歷程中出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)及其特征



圖5 熊貓保偏光纖橫截面圖和整體結(jié)構(gòu)的三維圖（高分子涂層材料并未標(biāo)識(shí)）

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光子晶體保偏光纖

隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代，除了上述實(shí)芯的保偏光纖外，光子晶體光纖[7]（Photonic Crystal Fibers）中也涌現(xiàn)出了很多不同形式的保偏光纖。 光子晶體光纖以及多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光纖都統(tǒng)稱為微結(jié)構(gòu)光纖[8]（Micro-Structured Fibers），由于其橫截面上含有不同排列形式的空氣孔，故具有比較復(fù)雜的折射率分布，產(chǎn)生了很多奇特的物理性質(zhì)。 根據(jù)導(dǎo)光性質(zhì)的不同，光子晶體光纖可以分為兩大類：纖芯為實(shí)心玻璃的全內(nèi)反射型光子晶體光纖（Total Internal Reflection）和纖芯為空氣孔的空芯光纖（如光子帶隙光纖Photonic Band Gap fiber），如圖6。



圖6 典型的光子晶體光纖橫截面圖，(a) 全內(nèi)反射光子晶體光纖（b）光子帶隙型光子晶體光纖

光子晶體保偏光纖，其保偏原理同常見的保偏光纖類似，通過結(jié)構(gòu)或應(yīng)力的方式來引入雙折射。如圖7和圖8，就是通過非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引入的雙折射；而圖9，則是應(yīng)力引入的雙折射[9]。它們的雙折射B通常在10-2~10-4之間。



圖7 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的全內(nèi)反射光子晶體保偏光纖橫截面圖，B為10-3



圖8 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光子帶隙光子晶體保偏光纖橫截面圖，在某些波段可達(dá)B~10-2，(a)中心空氣孔由4個(gè)單元孔構(gòu)成的場(chǎng)景(b)中心空氣孔由7個(gè)單元孔構(gòu)成的場(chǎng)景(C)另一種包層非對(duì)稱的場(chǎng)景

圖9 包含應(yīng)力區(qū)的光子晶體保偏光纖橫截面圖，B為10-4

二、保偏光纖的主要性能指標(biāo)

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雙折射/拍長(zhǎng)

保偏光纖最重要的性能指標(biāo)，自然就是雙折射了。雙折射B定義為： 其中，nx和ny分別表示LP01x和LP01y模式的模折射率（或有效折射率）。模折射率小的方向，光傳輸速度較快，被稱為快軸，模折射率大的方向，光傳輸速度較慢，則被稱為慢軸。對(duì)高雙折射保偏光纖，雙折射系數(shù)（B）越大越好。

雙折射也可以用拍長(zhǎng)LB表示： 這里λ指入射光的中心波長(zhǎng)。若入射線偏振光的偏振方向與光纖的快軸或慢軸一致，則光在傳輸過程中其偏振態(tài)保持不變。若入射光的偏振方向和快軸或慢軸成一夾角，則會(huì)同時(shí)激發(fā)LP01x和LP01y模式，使其復(fù)合的偏振態(tài)發(fā)生圖10的周期性變化，這個(gè)發(fā)生變化的長(zhǎng)度周期就稱為拍長(zhǎng)LB。



圖10 一個(gè)拍長(zhǎng)內(nèi)光的偏振態(tài)變化圖，其偏振態(tài)依此變化為：原始線偏→橢圓偏→圓偏→橢圓偏→線偏→橢圓偏→圓偏→橢圓偏→原始線偏

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串音/消光比

串音（Cross Talk）是保偏光纖的另一重要指標(biāo)，當(dāng)入射光偏振態(tài)平行于保偏光纖的快軸或慢軸時(shí)，測(cè)量其出端快軸和慢軸上的光功率為Px或Py，用來表征保偏光纖快軸和慢軸上的線偏振光能量相互耦合交換的能力，可以定義為： 或 ? 串音也可以定義為消光比η： 串音越小越好，比如串音是-30 dB，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。 ? ?

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損耗

提到光纖必說損耗。盡管保偏光纖的損耗指標(biāo)不一定是大家最關(guān)注的，但隨著使用的光纖長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，損耗也需要重點(diǎn)考慮。

在保偏光纖的常用波長(zhǎng)1310 nm和1550 nm處，一般損耗能降低到0.35 dB/km以下。圖11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)試損耗。

影響熊貓保偏光纖損耗的主要是散射損耗，這主要是因?yàn)閾诫s應(yīng)力區(qū)的引入。如果想要獲得更大的雙折射，需要提高應(yīng)力區(qū)的硼摻雜濃度、增加應(yīng)力區(qū)面積或者讓應(yīng)力區(qū)更靠近纖芯，2000℃以上的光纖拉制溫度必然導(dǎo)致一定的硼擴(kuò)散，會(huì)提高光纖損耗。

圖11 不同入射光波長(zhǎng)下的光纖損耗圖

三、保偏光纖是如何制造的？

常規(guī)光纖是基于石英玻璃材料開發(fā)的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展歷程，工藝程序基本定型，也有了廣泛應(yīng)用。常規(guī)光纖的制備工藝稱為兩步法，即：預(yù)制棒制備和光纖拉制。保偏光纖的工藝過程要復(fù)雜一些，但是也需要從制備預(yù)制棒開始。

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化學(xué)氣相沉積（CVD）

化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）工藝，以石英玻璃管作為基材（襯管），將選定的化學(xué)氣體由氧氣攜帶一起進(jìn)入石英玻璃襯管，利用行進(jìn)的氫氧焰沿著管子移動(dòng)對(duì)襯管加熱，引起化學(xué)反應(yīng)，并使沉積的材料燒結(jié)在管子內(nèi)部（氣相沉積）。沉積層數(shù)變多，壁厚增大，內(nèi)徑減?。蛔罱K把玻璃管的中空部分通過壓力調(diào)整“抽掉”（熱熔縮），變成實(shí)芯的玻璃棒，完成預(yù)制棒制備。

02

保偏光纖預(yù)制棒

如果是常規(guī)的單模光纖，利用化學(xué)氣相沉積工藝制造完成預(yù)制棒以后，就等待套管和光纖拉制了，但保偏光纖就沒有這么簡(jiǎn)單。 以熊貓保偏光纖為例（圖13），除了預(yù)制棒制備以外，還需要制備芯棒、摻雜應(yīng)力棒，以及在預(yù)制棒上打孔。待完成所有預(yù)制棒的套管組合后，才會(huì)進(jìn)行光纖的拉制。

圖13 熊貓保偏光纖從預(yù)制棒到拉絲的主要工藝流程

03

光纖拉制

光纖預(yù)制棒制備完成后，需要清洗、檢驗(yàn)等工序后裝入拉絲塔。光纖拉絲塔設(shè)計(jì)在潔凈環(huán)境內(nèi)，通常高度在10 m以上，某些通訊光纖拉絲塔可以達(dá)到幾十米高。 保偏光纖的拉制和普通單模光纖有些不同，增加了一些密封接頭結(jié)構(gòu)，其余的光纖拉制工藝幾乎一樣。將預(yù)制棒逐漸送入高溫爐，玻璃預(yù)制棒軟化，最下端滴下來，形成錐形，把最下邊的玻璃快速的“收絲”，待外徑穩(wěn)定后，就形成光纖了，如圖14。

圖14 光纖拉制中的成纖過程

四、保偏光纖的應(yīng)用

保偏光纖由于具備保持光偏振態(tài)的功能（如圖15），其應(yīng)用涵蓋了通信、醫(yī)學(xué)、傳感和軍事等各種領(lǐng)域，除了典型的消偏器、相干通信、水聽器外[10]，這里還會(huì)對(duì)一些其他的保偏光纖應(yīng)用進(jìn)行介紹[11]。

圖15 利用兩段呈45°夾角熔接的保偏光纖構(gòu)成的消偏器結(jié)構(gòu)圖

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光纖陀螺

保偏光纖的典型應(yīng)用之一即為制造光纖陀螺中的傳感光纖環(huán)，圖16。

圖16 保偏光纖在光纖陀螺中的應(yīng)用，該陀螺儀為武漢長(zhǎng)盈通光電生產(chǎn)的Φ40×37 mm小型化光纖陀螺

光纖陀螺儀是以薩格納克（Sagnac）效應(yīng)為基礎(chǔ)，由保偏光纖環(huán)構(gòu)成的干涉儀型角速度測(cè)量裝置。當(dāng)光纖陀螺靜止時(shí)，光源發(fā)出的光經(jīng)過Y波導(dǎo)分成相反方向傳播的兩束光，兩束光經(jīng)過光纖環(huán)傳輸后，回到Y(jié)波導(dǎo)的時(shí)間相同；當(dāng)光纖陀螺相對(duì)慣性空間發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，光纖環(huán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，相向傳播的兩束光回到Y(jié)波導(dǎo)的時(shí)間不同，兩束光就產(chǎn)生了光程差，光程差與光纖陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度成正比，通過檢測(cè)光程差就可以測(cè)量角速度變化。

光纖環(huán)是將保偏光纖按照一定方式繞制而成，直徑為幾毫米到幾千毫米的環(huán)形光路器件，保偏光纖在成環(huán)之前是單一線性排列，不構(gòu)成敏感光路，不能敏感角速度信號(hào)，只有在一定的特殊繞法的規(guī)律排列下，才能形成敏感光路，形成薩格納克干涉儀。

光纖陀螺儀在武器裝備中的應(yīng)用廣泛，對(duì)作為核心敏感器件光纖環(huán)的對(duì)稱性、長(zhǎng)度、體積、光學(xué)傳輸性和環(huán)境適應(yīng)性等方面要求高。

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光纖激光器

保偏光纖由于其特殊的偏振特性，在光纖激光器中廣泛應(yīng)用。激光器用保偏光纖，按照其摻雜材料的不同，可分為摻鐿、摻銩、鉺鐿共摻保偏光纖，大模場(chǎng)面積摻鐿保偏光子晶體光纖，無源匹配保偏光纖等。

以雙包層摻鐿光纖為增益介質(zhì)的光纖激光器具有高輸出功率、高斜率效率等特點(diǎn)，在軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；摻銩光纖保偏是針對(duì)人眼安全的高功率窄線寬光纖放大器應(yīng)用，具有高斜率效率、高吸收系數(shù)、高偏振消光比等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于窄線寬光纖放大、軍事雷達(dá)、塑料加工、醫(yī)療美容、外科手術(shù)等領(lǐng)域；鉺鐿共摻保偏光纖主要用于1.5 μm保偏光放大器、激光雷達(dá)、人眼安全激光產(chǎn)品中，可降低所需泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，從而減少非線性效應(yīng)的影響。

大模場(chǎng)面積摻鐿保偏光子晶體光纖可以有效緩解高功率光纖激光器后續(xù)系統(tǒng)增益壓力，同時(shí)提高系統(tǒng)的集成度、可靠性以及可用性，可以實(shí)現(xiàn)脈沖高消光比和高光束質(zhì)量輸出，從而有效抑制高脈沖能量光纖放大過程中由于偏振模色散和模間干涉引起的幅頻效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于超高功率激光器和飛秒激光器上。

圖17 摻鐿保偏光纖和NKT公司的大模場(chǎng)面積摻鐿保偏光子晶體光纖，可用于光纖激光器中

03

電流互感器（FOCT）

同光纖陀螺類似，保偏光纖在電流互感器中的應(yīng)用，也是構(gòu)成傳感光纖環(huán)。但兩者的區(qū)別在于：這里的傳感光纖環(huán)，可以用旋轉(zhuǎn)保偏光纖構(gòu)成，且整個(gè)系統(tǒng)利用的是法拉第磁光效應(yīng)，即載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使光纖環(huán)中傳輸光的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如圖17。由于載流導(dǎo)體中電流和產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈正比，可依此通過監(jiān)測(cè)光的偏振旋轉(zhuǎn)角來計(jì)算電流大小。

圖18 全光纖電流互感器的工作原理

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集成光學(xué)

集成光學(xué)（Integrated Optics）是保偏光纖的一項(xiàng)重要應(yīng)用。鈮酸鋰（LiNbO3）調(diào)制器就屬典型的集成光學(xué)器件。鈮酸鋰芯片中擴(kuò)散了摻有二氧化鈦的波導(dǎo)，保偏光纖的尾纖可提供穩(wěn)定的偏振態(tài)，并與芯片的雙折射軸對(duì)齊，如圖18。該設(shè)備的功能是基于泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）：當(dāng)向電極施加電壓時(shí)，基板的折射率與該電壓成比例變化，有效光程長(zhǎng)度的最終變化可用于產(chǎn)生干擾，根據(jù)摻雜二氧化鈦的波導(dǎo)的精確設(shè)計(jì)，可對(duì)其進(jìn)行操控以提供相位，頻率或幅度的調(diào)制，甚至在通道之間切換光功率。

圖19 保偏光纖在集成光學(xué)中的應(yīng)用

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光纖流量傳感器

保偏光纖也可用于其他各類光纖傳感系統(tǒng)中。比如用于流速測(cè)量的激光多普勒測(cè)速儀（Laser Doppler Velocimetry），如圖19，通過測(cè)量流體散射光的多普勒頻移來確定空氣流動(dòng)或血管中血液的流速。

圖20 保偏光纖在激光多普勒測(cè)速儀中的應(yīng)用

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醫(yī)療應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生可以借助特殊導(dǎo)管或“導(dǎo)絲”對(duì)患有冠狀動(dòng)脈心臟病的患者進(jìn)行診斷，這就是有名的OCT技術(shù)（Optical Coherence Tomography，光學(xué)相干斷層掃描），圖20。OCT使用低相干（寬帶）光，保偏光纖在其中也起到重要作用，外科醫(yī)生能夠通過OCT來區(qū)分血管壁和血管阻塞之間的關(guān)系，從而利于進(jìn)一步的手術(shù)治療。

圖21 通過導(dǎo)管對(duì)冠狀動(dòng)脈慢性完全阻塞患者進(jìn)行OCT診斷

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物質(zhì)成分檢測(cè)

利用特定物質(zhì)會(huì)和某種材料發(fā)生反應(yīng)或相互吸附等特性，保偏光纖也可用于物質(zhì)成分檢測(cè)，圖21。以氫氣檢測(cè)為例，鈀金屬層（Pd layer）會(huì)吸收氫氣發(fā)生膨脹，進(jìn)而引起其粘附的保偏光纖雙折射B的變化，通過檢測(cè)這一變化，可解析氣體中是否含有氫氣及其含量[12]。

圖22 具體的氫氣檢測(cè)系統(tǒng)，以及粘附有鈀金屬層的熊貓保偏光纖傳感單元

五、結(jié)語

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智慧城市、大數(shù)據(jù)處理等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展的背景下，光電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快車道，特別是近年來，對(duì)各類光纖傳感、物聯(lián)的應(yīng)用需求亦呈爆炸式增長(zhǎng)，使得保偏光纖的核心價(jià)值日益凸顯[13]。隨著保偏光纖的基礎(chǔ)技術(shù)和制造工藝的提升，光纖已經(jīng)成為功能“載體”，結(jié)合未來應(yīng)用，保偏光纖技術(shù)將呈現(xiàn)功能性、匹配性和魯棒性。

功能性：具備不止單一保偏功能的光纖的應(yīng)用場(chǎng)合越來越多：大模場(chǎng)面積保偏光纖、增益保偏光纖和保偏多芯光纖等等；

匹配性：光纖外徑尺寸、涂層材料的定制化，匹配多種應(yīng)用的苛刻條件，比如光纖陀螺產(chǎn)業(yè)需要細(xì)徑化，航空航天需要抗輻照，激光產(chǎn)業(yè)還需要棒狀光纖等；

魯棒性：光纖已經(jīng)逐漸應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景，豐富的環(huán)境條件對(duì)保偏光纖魯棒性提出了更高的要求，即不能被環(huán)境或光纖自身形狀的變化所影響，因此有了如高強(qiáng)度、抗彎曲、溫度不敏感、抗輻照等特性的需求。

光纖本身的技術(shù)迭代將服務(wù)于光電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的新要求又對(duì)光纖的技術(shù)提升形成正反饋。保偏光纖僅是特種光纖的一個(gè)成功案例，我們有理由期待特種光纖產(chǎn)業(yè)有一個(gè)更美好的未來。

審核編輯：劉清