保偏光学及保偏器件简述

作者：光越科技 工程部经理 胡江民
8/6/2019，随着光纤通信行业的快速发展，光纤在通信行业扮演着越来越重要的角色。普通单模光纤中传播着彼此正交的两个基模HEz 和HEt ,当这两个基模传输系数一样时，单模光纤将会保持光纤内传输光的偏振态，具有保偏作用。偏振光是指光的振动面只限于一固定位置。自然光可以分解为大小相同偏振方向垂直的两个线偏振光，让自然光通过一个起偏器，可以使得自然光变成线偏振光,且偏振方向与起偏器固定偏振方向一致，如图1所示。


    但实际上，由于光纤本身及光纤耦合引入的形变及应力后，产生双折射现象，使得光纤内光的偏振态不规则的变化，使得光纤出射光的偏振态与输入时的偏振态相差很大。这就无法满足相干光纤通信，干涉型光纤传感器等对输出光偏振态的严格要求。模式耦合发生在快慢轴相互传递之处，而且和温度，光源波长等因素有关，因此模式耦合便具有随机性。双折射产生的原因分为内部原因以及外部原因，内部原因包括拉制光纤时，纤芯由圆拉成了椭圆，会产生几何形状的双折射；光纤纤芯，包层，涂覆层掺杂的材料不一样，热膨胀系数不同，产生应力双折射；以及弯曲，受压，震动等外部原因。除了双折射的产生对偏振态的影响外，保偏光纤保持偏振态不变的能力受到光纤瑞利散射的影响，会迫使少量功率出现在其他方向上。

    因此人们开始研究可以保证输入光的偏振态方向的保偏光纤及相关器件。70年代末，首次有人提出通过提高光纤固有双折射来减小外界微小双折射对光纤内偏振态的影响。增大光纤的固有快慢轴向折射率差，使得在生产过程中引入的折射率变化远小于光纤的固有折射率差，从而使得对光纤传输光的偏振态的影响减小。快慢轴的双折射率差越大，快慢轴方向上的相速差越大，之间模式交叉就会越困难 (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) 。所以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。这样从而保持传输光的偏振态。但是在另一轴上必不可少会分到一部分偏振分量，这时候就有一个很重要的参数——消光比（ER），这是保偏光纤及保偏器件最重要的参数之一。偏振消光比表示的是当偏振光偏振方向与快慢轴其中一个轴向对齐之后，通过元器件后，沿原方向轴向的偏振分量与垂直方向处的偏振分量的比值。如果没有出现模式交叉耦合，测出来的消光比将是一个理想的数值。

    在保偏光纤应用中，光纤连接器必不可少。消光比是衡量保偏连接器的重要参数。表征连接器保持偏振信号偏振态的能力。由于保偏光纤与普通光纤相比有不同的规格，使得保偏连接器比普通连接器要求高的多。最重要的就是偏振轴的对中，尽管光纤在熔接时已经对快慢轴进行了精确对中，但是光纤端面的微小倾斜也会引起光纤扭动，并且角度偏差对消光比影响很大，因此在光纤熔接时，需要尽量将光纤端面切平；二是连接时引入的应力，应力引起的双折射效应，会使双折射轴旋转，使得消光比减小。

    保偏光纤主要应用在不允许偏振态发生改变的器件中。缺点：必须严格对准偏振方向，制造过程比较复杂，并且保偏光纤传输损耗比普通光纤高。



关于光越科技
    光越科技公司是一家专业研发、生产、销售具有国际领先水准的光纤元器件和模组的大型港资企业，在保偏器件的研究及优化上在行业内属于顶尖企业，创下了国内多项第一，属于政府重点鼓励的高新科技产业。现公司开发的2000nm波段保偏产品采用了法拉第旋光角匹配技术使现有的原材料可以制作2000nm的保偏器件，使得全世界范围内都没有标准的2000nm法拉第标准转子得以实现公司标准。通过精准选材，使2000nm高功率激光通过器件时产生的热透镜效应可以忽略不计，从而确保器件的功率范围内安全工作；通过精准选材，使光学材料在2000nm范围几乎没有吸收，从而有别于传统1550nm通信器件惯用材料，获得业界优秀的极低损耗。光越科技在光学相干断层成像术（Optical Coherence Tomography，简称OCT）也有相应的产品，现公司开发的OCT模块类产品大量用于医疗（OCT）以及光纤传感领域。基于迈克尔逊干涉现象实现光程调控技术，精密控制参考臂与干涉臂的光程差，使模块达到微米量级的探测、传感精度，满足医用或传感光学相干层析的要求。