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一、引言

   保偏光纤与普通单模光纤具有良好的相容性使其在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛而深入的研究和应用,以保偏光纤为主体的干涉式传感器领域掀起了技术变革,如:温度、压力、磁场、电流、转动、加速度等光纤传感器应运而生,光纤陀螺、光纤起偏器、光纤偏振耦合器、以及电光相位调制器等光纤器件的研制成功,将大大推进保偏光纤在各个领域的广泛应用。
二、保偏光纤的基本原理

   理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性,因而所传输的基模HE11是两正交模式的二重简并模态。在实际的光纤中,由于缺陷的存在,这种二重简并被破坏,从而引起模态双折射。由于模态双折射是由无规则的缺陷产生,模传播常数β将沿着光纤产生无规则变化,模态也从一种模式耦合到另一种上,线性偏振光在沿着光纤传输时,将被扰频为任意的偏振状态。

   为了在标准单模光纤中维持模的偏振,就需要将双折射引入到光纤中,使HE11x和HE11y两模式的有效折射率不同,两正交模的传播常数βx与βy差别增大,两模式耦合几率减小。如果光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振,那么光将维持其偏振态在光纤中进行传输。如果在沿着光纤传输时,光在其它角度被线性偏振,偏振态将发生变化,从线性到椭圆到线性,再到椭圆并再次返回到线性,具有通常所说的差拍周期长度LP。这种变化是模的正交分量间的相位差的结果,相差有它们的传播常数之间的差别产生。拍长度越短,光纤对偏振的不规则性效应就越具有弹性,光纤对外界抗干扰能力就越强;偏振串音越好,保偏光纤对光的偏振保持能力就越强。

   从产生双折射的机理来看,主要分为三类:(1)形状双折射:电介质材料几何形状的各向异性,导致材料的介电常数ε(r)和材料的导磁率μ(r)的各向异性,将引起材料折射率n(r)的各向异性,它可以由大于原子分子尺度上的材料结构的元素排列产生;(2)应力双折射:主要指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力,材料在受到应力引起材料折射率的变化即弹光效应而产生双折射;(3)外界电磁场引起的双折射:横向电场在光纤中引起的克尔(Kerr)效应会产生线双折射,纵向磁场在光纤中引起的法拉第效应会产生圆双折射。

三、保偏光纤技术进展

   保偏光纤的结构主要有:熊猫型、蝴蝶结型、椭圆包层型、椭圆纤芯型、一字型、扁平包层型、边槽型/边隧道型、以及扭转型和旋光纤等。应力感应型保偏光纤由于性能稳定而得到了长足的发展,如:熊猫型、蝴蝶结型,其中,熊猫型保偏光纤由于制造工艺相对简单,并具有优良的保偏性能倍受青睐,从目前商用保偏光纤产品来看,熊猫型保偏光纤占领着主导地位。

   保偏光纤预制件制造方法有传统的管套棒法(RIT)、气相腐蚀法、光刻蚀法、钻孔插棒法、研磨法、光刻腐蚀法、减压缩棒法、预制棒变形法等。当前保偏光纤的制造工艺技术主要包括两大类,一种是机械钻孔法制造熊猫型保偏光纤,另一种是气相腐蚀法制造领结型保偏光纤。

   预制棒钻孔法是在单模光纤预制棒的一条直径上加工一对对称的孔,孔的内表面光洁度和清洁度达到一定的要求,然后将一对应力棒插入对称孔中,然后加热使其应力棒与单模棒熔接为一体,经过拉丝成熊猫型保偏光纤。图1是采用机械钻孔法制造的保偏母棒胚体。当前,我国的保偏母棒钻孔的方法分为两类,一类是采用枪钻直接进行钻孔,另一类是采用超声打孔法,这两种方法都能够加工成对称双孔,但是枪钻钻孔法采用数控技术,对称性好,成品率高,加工效率高,一次性加工长度达到500mm以上,具有较强的竞争优势。
  气相腐蚀法(如图2),采用MCVD(改进化学气相沉积)工艺技术,首先沉积几层氟磷缓冲层,再沉积一定层数的掺杂硼硅酸盐玻璃(如图2A),然后沿着石英管两侧局部加热,同时向管内通入含氟气体,使石英管被加热部分内壁的硼硅酸盐层腐蚀(如图2B);然后再沉积包层,最后沉积掺锗的芯层(如图2C),经过熔缩成棒后形成如图2D所示横截面的高双折射光纤预制棒。经过拉丝,形成蝴蝶结型保偏光纤。

   国外制造保偏光纤的厂商较多,主要包括日本藤仓、住友电工、古河电工、美国康宁、Nufern、J-fiber等。我国能够进行保偏光纤制造的厂商主要有:武汉邮电科学研究院烽火通信科技股份有限公司、长飞光纤光缆有限公司、中电46所、北京玻璃研究院、江苏法尔胜等。烽火通信科技股份有限公司具备保偏光纤完整的装备技术和工艺技术,包括自主知识产权的PCVD设备、钻孔装备、拉丝装备、测试装备。烽火通信科技股份有限公司保偏光纤采用发明专利技术制备而成,具备从保偏芯棒、硼应力棒、母棒钻孔一次成型的整套专有技术

   烽火通信科技股份有限公司保偏光纤产品是专为光纤陀螺(FOGs)和偏振敏感器件设计的特种光纤,采用熊猫型结构(Panda),其包含完美而对称的“双圆形”应力单元,纤芯与猫眼中心三点一线,为高偏振串音提供了可靠性技术保障;同时,自行设计并制备的全合成深掺杂硼棒,可以灵活设计并制备不同拍长和优良串音的保偏光纤,表1和表2是烽火通信保偏光纤产品技术指标。

表1 工作波长1310nm保偏光纤产品指标

光纤类型 PM1310 PM1310 PM1310
A-80/165 B-125/250 C-125/250
光学特性
工作波长 nm 1310
截止波长 nm 1100-1290
模场直径 μm 6.0±1 6.0±1 9.0±1
衰减 dB/km ≤0.6 ≤0.6 ≤1.0
拍长 mm ≤3.0 ≤3.0 ≤4.0
典型偏振串音 dB ≤-40  @1310nm/4m
偏振串音 dB ≤-30  @1310nm/100m
几何特性
包层直径 μm 80.0±1.0 125.0±1.0 125.0±1.0
涂层直径 μm 165.0±7.0 245.0±7.0 245.0±7.0
芯包偏差 μm ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0
环境与机械性能
工作温度 -50~85
张力水平 kpsi 100

表2 工作波长1550nm保偏光纤产品指标  

光纤类型 PM1550 PM1550 PM1550
A-80/165 B-125/250 C-125/250
光学特性
工作波长 nm 1550
截止波长 nm 1290-1520
模场直径 μm 6.5±1 6.5±1 10.5±1
衰减 dB/km ≤0.8 ≤0.5 ≤0.5
拍长 mm ≤3.5 ≤3.5 ≤5.0
典型偏振串音 dB ≤-40  @1550nm/4m
偏振串音 dB ≤-30  @1550nm/100m
几何特性
包层直径 μm 80.0±1.0 125.0±1.0 125.0±1.0
涂层直径 μm 165.0±7.0 245.0±7.0 245.0±7.0
芯包偏差 μm ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0
环境与机械性能
工作温度 -50~85
张力水平 kpsi 100


    综上所述,我国的熊猫型保偏光纤已经达到国外熊猫保偏光纤的技术水平。但是,在某些特殊保偏光纤方面,与国外还有一定的差距,如低双折射光纤、椭圆芯保偏光纤,这些光纤具有特殊的应用场合,国内在该方面的研究上还非常少。

四、保偏光纤的市场与应用进展

   保偏光纤由于具有对线偏振光较强的偏振保持能力,并且与普通单模光纤具有良好的相容性使其在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛而深入的研究和应用。采用相干光通信,大大提高了系统信噪比性能。采用保偏光纤的偏振特性,配备OTDR测试仪,可以进行反窃听。虽然光纤相干光通信技术没有行程产业化规模,但是,以保偏光纤为主体的干涉式传感器领域掀起了技术变革,如:温度、压力、磁场、电流、转动、加速度等光纤传感器应运而生,光纤起偏器、光纤偏振耦合器、以及电光相位调制器等光纤器件的研制成功,将大大推进保偏光纤在各个领域的广泛应用。

   近年来,随着光纤技术的飞速发展,光纤应用的领域不断扩大,特别是90年代以来,保偏光纤偏振器技术研究取得了重大突破,为相关的光纤传感器的实用化提供了技术保障,并且随着电子信息技术的进步,光纤偏振器、光纤偏振耦合器、波分复用器、调制器、水听器等相干检测器对偏振保持光纤的需求量越来越大。2011年,我国保偏光纤的市场需求量大约在10000km左右,随着传感器新兴市场的发展,保偏光纤需求将迅速增大。

   信息技术和光纤应用技术的不断发展,推动了通信行业、检测仪器与传感器件行业的技术革新,保偏光纤由于其特殊的性能已经广泛应用于光纤传感领域,当前其最主要的应用集中在如下两大方面:

   1、光纤陀螺领域

  保偏光纤是光纤陀螺的敏感元件,也是至关重要的元件。由于光纤陀螺(FOG)具有体积小、重量轻、无机械运动部件、启动快、动态误差小、可靠性高、寿命长等特点,是无可比拟的惯性传感器,具有取代现有机械陀螺产品而大量使用的趋势,将广泛应用于机器的自动控制上,如飞机和汽车的定位导航,惯性制导等领域。

   2、光纤电流互感器领域

  光纤电流传感器是电冶炼、电化工行业和智能电网领域用于电流计量的升级换代产品。电流计量是电力系统以及冶金、化工等电解工业的主要技术参数之一。目前,我国大部分企业对电流的测量主要采用磁电感应式电流互感器和霍尔效应式直测式电流传感器,这种以电磁感应原理为基础的电流传感器,在精度、稳定性、抗杂散磁场干扰等方面,都不能满足现代冶金和电化工产业的发展需要。南瑞航天、烽火富华、三江航天、湖北迅迪科技等已经进行光纤电流互感器的开发与示范工程应用。保偏光纤是光纤式电流互感器的关键器件,随着我国智能电网的建设和传统电网的升级改造,保偏光纤互感器环的需求量会逐渐增大。


五、保偏光纤的前沿新技术方向

   保偏光纤由于其独特的偏振保持性能,常规保偏光纤的应用领域越来越广,但是随着新兴传感器领域与装备领域的发展需求,保偏光纤又呈现出新的技术方向,主要体现在如下几个方面:

   1、光子晶体保偏光纤

   新型材料技术和量子技术的不断发展加速了新型保偏光纤的研究与发展,目前,国外已经开始了光子晶体保偏光纤的研究,利用氧化硅-空气之间的折射率反差大,容易获得高双折射,研制出了保偏光子晶体光纤(PCF)。英国巴斯大学在2002-ECOC会议上报道了所研制的高双折射PCF[1],利用相同直径不同壁厚的毛细管组合成预制棒,实现不同的微孔直径。光纤外直径125μm,节距1.46μm,小孔直径0.54μm,大孔直径1.14μm,在1550nm 的拍长410μm,双折射B=3.8 ×10-3,约为目前熊猫型保偏光纤的10倍。Theis P.hansen[2]利用光子晶体光纤可以高设计自由度的优势,在光纤中引入双纤芯,微孔点阵呈现三角形点阵,研制的光子晶体保偏光纤双折射达到1.0×10-3。目前研制的光子晶体保偏光纤在1550nm窗口的损耗为1.3dB/km,并以10Gbit/s的速度进行1.5km的传输系统试验[3]。因此,光子晶体保偏光纤以其高设计自由度,高保偏性能和低衰减,以及空隙中填充各种材料可以制造出各种纤维光学器件,将具有广阔的应用前景。

   2、温度适应性的保偏光纤

   周围环境的变化会对保偏光纤的性能产生影响,如用于航空航天领域的光纤陀螺,要求保偏光纤的偏振性能能够经受温度的考验,低温下光纤中产生压应力导致光纤微弯和模式耦合,光纤的偏振性能恶化,因此,保偏光纤的温度偏振稳定性成为保偏光纤研究的重要课题。Ruffin研究表明[4],采用紫外光固化的聚酰亚胺缓冲涂层,可以承受-60℃~100℃温度的变化,偏振串音变化小于0.5dB/100m。保偏光纤非线性研究表明,200℃以上光纤的固有双折射随温度变化呈现非线性效应,这是由于材料的热膨胀系数随温度变化产生非线性的缘故,对蝴蝶结型保偏光纤退火后,双折射增加46%。国外已经研究出高温度稳定性的保偏光纤[5],能够承受-40~85℃环境下经历200次循环试验,1300nm和1550nm偏振串音仍然小于-40 dB/100m。

   3、氟化物保偏光纤

   氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗中红外及远红外光纤,它是以HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃光纤,其最低损耗在2.5μm附近为1×10-3dB/km,无中继距离可达到1×105km以上。Bessy John等研制出氟化物保偏光纤[6],用于红外光纤传感器,工作波长为2.5μm,模双折射为4.3×10-4。氟化物保偏光纤的研制成功,将促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展。

   4、掺稀土保偏光纤  

   掺稀土光纤在光纤放大器中应用广泛,Edvold.Bent研究出高增益高双折射光纤[7],芯层中掺杂Er3+浓度为1.3×1024个/m3,获得增益36dB,模双折射为3.1×10-4,偏振串音为-37 dB/100m,Kim.C.S采用周期性极化铌酸锂(PPLN)材料,并掺杂Pr3+制造出保偏光纤,用于二次谐波发生器。


 

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