保偏光纤

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缩写:PM光纤 定义:具有很强双折射的、可以保持某一方向线偏振的入射光束的偏振态的特种光纤。

光纤即使具有圆对称的结构也存在一定程度的双折射效应,因为在实际应用中总是受到一些机械应力或者其它效应会破坏对称性。因此,光在光纤中传播时偏振态会发生不受控制的改变(与波长有关),并且还与光纤弯曲和温度有关。


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保偏光纤原理

这一问题可以通过采用保偏光纤来解决,后者并不是不存在双折射,相反的,这是一种特种光纤,具有很强的双折射(高双折射光纤,PM光纤)。只要入射光纤中光的偏振方向与保偏光纤的一个轴平行,即使光纤存在弯曲,光的偏振态也不会发生变化。其物理原理是利用了相干模式耦合。由于很强的双折射效应,两个偏振模式的传播常数不同,因此它们的相对相位很快就逐渐变大。因此,任何光纤中存在的干扰都能与两个模式发生有效耦合,除非它具有一个与两偏振模式的传播常数差匹配的波数的空间傅里叶分量。如果差值足够大,光纤中普通的干扰变化很缓慢,不能进行有效的模式耦合。

得到保偏光纤的方法

常用的引入强双折射的方法是在预制棒的纤芯相反两侧(不一定为椭圆形的)加入两种改进玻璃组分的应力棒(具有不同程度的热膨胀)(如图1)。采用这种预制棒拉制光纤时,应力会造成机械应力在某一特定的方向。另一种方案是在纤芯周围采用椭圆形的不同玻璃材料的包层。

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图1:熊猫型保偏光纤(左)和领结型保偏光纤(右)。内置的压力部分是由不同玻璃得到的,图中为灰色区域显示。


另一种技术是采用一个椭圆形的纤芯称为形状双折射[1]。这时即使没有机械应力,椭圆形的形状本身就会产生一定程度的形状双折射

光子晶体光纤中,如果空气孔为非对称的就可以产生很强的双折射,也可以同时采用应力部分(需要折射率匹配)[6]。任何一种情况双折射拍长都很短(几个毫米甚至更短)以至于附加的应力效应只会使偏振态发生很小的混合现象。这种光纤的折射率差是10-3 量级,而所有的玻璃PM光纤的折射率差为10-4 量级。

应用

保偏光纤主要应用到不允许偏振态发生变化(例如,由温度变化引起的)的器件中。例如,光纤干涉仪和一些光纤激光器中。采用这种光纤的缺点是必须严格对准偏振方向,因此制作过程比较复杂。同时,保偏光纤的传输损耗比普通光纤高,而且不是所有的光纤都可以制作成保偏的形式。

保偏光纤中出射光的偏振消光比可能比入射光的要低。这可能是由于入射光偏振方向与保偏轴并不是严格对准造成的,也可能来自于模式混合。后者在存在机械应力的情况下会显著增大(例如,在光纤连接器中)。如果实际应用中需要很高的偏振消光比(例如,在干涉仪中),需要在光纤后面采用附加的高质量偏振器

不要将保偏光纤与单偏振光纤混淆一起,后者只传输特定方向的线偏振光。


参考文献

[1] K. Sano and Y. Fuji, “Polarization transmission characteristics of optical fibers with elliptical cross section”, Electron. Commun. Jpn. 63, 87 (1980)

[2] A. Kumar et al., “Birefringence calculations in elliptical-core optical fibers”, Electron. Lett. 20, 112 (1984)

[3] J. Noda et al., “Polarization-maintaining fibers and their applications”, J. Lightwave Technol. 4 (8), 1071 (1986)

[4] D. Mogilevtsev et al., “Design of polarization-preserving photonic crystal fibres with elliptical pores”, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 3, S141 (2001)

[5] J. R. Folkenberg et al., “Polarization maintaining large mode area photonic crystal fiber”, Opt. Express 12 (5), 956 (2004)

[6] T. Schreiber et al., “Stress-induced single-polarization single-transverse mode photonic crystal fiber with low nonlinearity”, Opt. Express 13 (19), 7621 (2005)


参阅:光纤单偏振光纤单模光纤光子晶体光纤双折射激光辐射的偏振态特种光纤模式耦合光纤偏振控制器