保偏光纖偏振特性分析

李霞 （中國電子科技集團(tuán)有限公司第四十六研究所 天津300220）

保偏光纖偏振特性分析

李霞 （中國電子科技集團(tuán)有限公司第四十六研究所 天津300220）

近年來光纖陀螺在各種裝備中得到了快速應(yīng)用，保偏光纖繞制的光纖環(huán)圈作為光纖陀螺中的關(guān)鍵器件，其技術(shù)性和可靠性受到了普遍的關(guān)注。主要介紹了保偏光纖偏振串音和h參數(shù)的定義以及它們的相互關(guān)系，對(duì)保偏光纖的偏振特性進(jìn)行了描述。

保偏光纖 偏振特性 偏振串音 參數(shù)

0 引言

保偏光纖所具有的偏振保持特性，在光纖通信技術(shù)領(lǐng)域中可提高光傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信容量；在光纖傳感系統(tǒng)中可明顯降低光路中由偏振耦合引起的誤差。光纖陀螺的干涉式應(yīng)用是保偏光纖的重要應(yīng)用之一，其輸出信號(hào)的穩(wěn)定性取決于光纖中兩束干涉光偏振態(tài)的穩(wěn)定性，要求兩束光波的偏振態(tài)相同，因此光纖的偏振特性就成為影響光纖陀螺精度的一個(gè)重要因素。[1]光纖的偏振特性是評(píng)價(jià)保偏光纖的重要指標(biāo)，在光纖陀螺工程化技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，保偏光纖環(huán)圈作為其中的關(guān)鍵器件，是不可分割的一部分，其整體技術(shù)水平得到了迅速的提高，保偏光纖偏振特性也越來越為人們所重視。保偏光纖保持偏振的能力由偏振串音或h參數(shù)決定，只要測(cè)出偏振串音就可以確定保偏光纖的偏振特性。本文首先介紹了保偏光纖的偏振特性，并介紹了表征其偏振特性的偏振串音和h參數(shù)以及它們的相互關(guān)系。

1 保偏光纖的偏振特性

保偏光纖是具有保持偏振態(tài)能力的光纖，可分為高雙折射光纖和低雙折射光纖，一般所說的保偏光纖是指高雙折射光纖。按照幾何結(jié)構(gòu)來分，保偏光纖主要有熊貓型、領(lǐng)結(jié)型和橢圓應(yīng)力型，其中熊貓型因其對(duì)稱性優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛。保偏光纖的纖芯受到兩個(gè)應(yīng)力——沿X軸的外拉力和Y軸的壓應(yīng)力，因此在纖芯中產(chǎn)生了較高的應(yīng)力雙折射，形成了兩個(gè)互相正交的主軸。正是由于自身所具有的這種高雙折射，使兩正交軸方向上偏振模的相位常數(shù)差很大，不易產(chǎn)生耦合，淹沒了外部的干擾，從而保偏光纖可以在兩個(gè)主軸上輸出線偏振光保持其線偏振狀態(tài)。普通光纖的偏振狀態(tài)則受外界因素的影響很大。在理想的狀態(tài)下，如果線偏振光沿保偏光纖主軸注入，就將一直保持這種偏振狀態(tài)。如圖1所示，沿保偏光纖主軸入射的線偏振光輸出仍為線偏振光，且與輸出主軸重合。[2]

但實(shí)際上，當(dāng)光纖扭曲很大，或保偏光纖產(chǎn)生較小的彎曲半徑以竊取信號(hào)，或光纖遭到破壞等外界環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)，外加應(yīng)力就會(huì)克服光纖原有雙折射，偏振模態(tài)的一部分光會(huì)耦合到與之正交的模態(tài)上去，輸出光的偏振態(tài)隨之就會(huì)發(fā)生明顯的改變，造成偏振態(tài)的起伏。若入射光的偏振軸和快慢軸成一夾角，偏振態(tài)就隨光纖長度的增加呈周期性的變化，每個(gè)周期對(duì)應(yīng)的光纖長度稱為拍長，一般表示為Lb。圖2為保偏光纖中半個(gè)拍長內(nèi)偏振態(tài)的變化情況。

由圖2可看出，偏振態(tài)在半個(gè)拍長內(nèi)的變化情況為：從線偏振光——橢圓偏振光——圓偏振光——橢圓偏振光——與入射偏光差90°的線偏振光。另一半拍長重復(fù)上述過程，在Z=Lb及它的整數(shù)倍處恢復(fù)其初始偏振態(tài)。[3]

2 保偏光纖的偏振特性參數(shù)

保偏光纖的偏振特性參數(shù)主要有：表征保偏光纖雙折射程度的拍長Lb、偏振串音（或消光比）、偏振保持參數(shù)（即h參數(shù)）。相較之下，拍長在保偏光纖的實(shí)際應(yīng)用中并不十分重要，因此重點(diǎn)介紹偏振串音和h參數(shù)。

2.1 保偏光纖的偏振串音和消光比

在保偏光纖輸入端慢軸方向輸入一定功率線偏振光時(shí)，輸出端快軸上也會(huì)有輸出功率，輸出端快軸方向上光功率與輸出端總功率的比值就是保偏光纖的偏振串音。偏振串音是指光功率從一個(gè)偏振模串?dāng)_到另一個(gè)偏振模的比例。計(jì)算公式為：

式中，CT為保偏光纖的偏振串音，單位為dB；Pmax為輸出端主軸偏振光功率，單位為mW；Pmin為輸出端副軸偏振光功率，單位為mW。偏振串音表示保偏光纖的偏振性能，理想的保偏光纖偏振串音為-∞dB。保偏光纖的偏振串音越小說明保偏光纖對(duì)入射光偏振狀態(tài)的保持能力越強(qiáng)，串?dāng)_到另一偏振模式上的功率越小，保偏光纖的保偏性能越好。

偏振串音和消光比的物理意義是不同的，在日常應(yīng)用中，二者經(jīng)常被一同提及也極易混淆。消光比定義為：當(dāng)一束線偏振光精確地沿保偏光纖的某一光軸入射時(shí)，在正交軸方向上會(huì)激發(fā)起偏振模，兩個(gè)正交軸上的功率比值就是消光比。計(jì)算公式為：

式中，ER為保偏光纖的消光比，單位為dB；Pmax為輸出端主軸偏振光功率，單位為mW；Pmin為輸出端副軸偏振光功率，單位為mW。（1）式和（2）式相比只相差一個(gè)負(fù)號(hào)，偏振串音為負(fù)值，消光比為正值。一般來說，光纖越長，偏振串音越大，消光比越小。

偏振串音測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理基本為：由波長為650 nm的激光光源發(fā)出穩(wěn)定的單色光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束變?yōu)槠叫泄?，再?jīng)過起偏器后變?yōu)橄獗群芨叩木€偏振光，由準(zhǔn)直透鏡將線偏振光耦合到被測(cè)光纖中，檢偏棱鏡的輸出光由準(zhǔn)直透鏡匯聚到光電探測(cè)器上，當(dāng)檢偏棱鏡沿一定的方向旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)相應(yīng)的檢測(cè)到光功率的最大值Pmax和最小值Pmin，利用公式（1）和（2）即可得出被測(cè)光纖的偏振串音和消光比。

2.2 保偏光纖的偏振保持參數(shù)

偏振保持參數(shù)（即h參數(shù)）描述的是保偏光纖中因各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完善引起的模雙折射擾動(dòng)導(dǎo)致兩個(gè)正交的偏振模之間光功率隨機(jī)耦合的結(jié)果，它反映的是一種統(tǒng)計(jì)平均特性。也可以說h參數(shù)是隨機(jī)微擾模雙折射功率譜的度量，它描述了光功率從被激勵(lì)起的偏振模式交叉耦合到其正交偏振模式的平均參數(shù)。

h參數(shù)被定義為單位長度光功率的串?dāng)_量，一般情況下其數(shù)量級(jí)為10-6～10-4，單位為m-1。若注入光纖是沿軸方向的線偏振光，功率為P0，z為光纖傳播方向的長度，Px和Py分別為x軸方向和y軸方向的功率，則可以得到以下耦合方程：

根據(jù)邊界條件：

解得：

當(dāng)hz?1時(shí)，式（5）可分別近似表示為：

因此可以得到偏振串音和h參數(shù)之間的關(guān)系為：

在日常測(cè)試中，長為2 m的保偏光纖的偏振串音一般在-35～-50 dB之間。從（7）可以得出，h參數(shù)一定，光纖長度每增加10倍，偏振串音就增加10 dB。由于保偏光纖的均勻性并不是理想狀態(tài)，各段的參數(shù)也不一定相同，因此式（7）只是一個(gè)近似的公式。[4-5]一般情況下，我們假定保偏光纖是均勻的，通過h參數(shù)就可以計(jì)算出任意長度保偏光纖的偏振串音，如測(cè)出長度的保偏光纖的串音為CT1,可根據(jù)式（7）計(jì)算出該光纖的h參數(shù)，進(jìn)而可得到該保偏光纖每公里的串音值，這種計(jì)算方法在保偏光纖的實(shí)際測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用?！?/p>

[1]徐宏杰，何珺，秦秉坤，等.高精度保偏光纖偏振測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2003，（2）：208-210.

[2]郎曉萍，李曉英.單模保偏光纖偏振測(cè)試方法[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（1）：25-27.

[3]鄒雪峰，馮麗爽，馬迎建.保偏光纖偏振特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：47-49,53.

[4]馬迎建，馮麗爽，南書志，等.保偏光纖偏振特性測(cè)試系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006（4）：31-32.

[5]王敏琦.保偏光纖偏振度測(cè)試技術(shù)分析[J].光通信研究，2005（1）：51-53.

2012-07-08