Page 23 - 网络电信2017年3月刊下
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特别关注
一种应力区面积小于2%的保偏光纤的结构设计
和性能研究
冯术娟 黄本华 周震华 刘瑞林 缪振华 江苏法尔胜光子有限公司
一、引言 存在一些缺陷，二重简并被破坏，从而引起基模双折射。线偏
振光沿着光纤传输时，线偏振光被分解成HE11x和HE11y模的传播
光纤的问世不仅引起了通信和信息传输方面巨大的技术革 常数不再相同，这样输入光的偏振态随着光纤中传输距离的不
命，同时也导致了传感器领域深刻的变革。长期以来，人们利 同而随机变化。如果两个模式的传播常数相差足够大时，那么
用光纤对磁场、温度、张力、压力等诸多物理量敏感的特点， 在传输过程中会大大减少由于光纤本身或者外界应力等影响引
研制出了各种光纤传感器。迄今为止，在光纤传感器中研究和 起的模间耦合，在光纤中传输的线偏振光保持一定的相位差传
应用得最卓有成效的是光纤陀螺，有人称之为这一领域成就的 输。保偏光纤正是人为的在单模光纤中引入双折射，造成单模
巅峰。同样，光纤水听器作为一种全新型的水声传感器，其探 光纤的纤芯不同方向存在有效折射率差，使HE11x和HE11y模式的
测灵敏度比传统的压电陶瓷水听器要高2～3个数量级，它在水 传播常数差别增大，从而实现光纤的偏振保持性能。
下的军事应用、海洋探测和保密监听等方面均有广阔的应用前
景。上述基于Sagnac效应的光纤陀螺和源于Mach-Zeheder干涉 三、应力区的结构设计对保偏光纤双折射的
仪的光纤水听器都属于典型的干涉型光纤传感器，它们都以两 影响
光束相位的高度稳定作为获得高灵敏度的前提。无论是原理
上，还是多年来的实践经验都表明：采用偏振保持光纤（简称 从保偏光纤（PMF）产生双折射的机理来看，主要分为三
保偏光纤，PMF）是制作高性能光纤传感器最有效的方案。 类：几何尺寸双折射致偏、应力双折射致偏、波导结构双折射
致偏。其中应力双折射保偏光纤由于性能稳定得到了长足的发
国外20世纪80年代就兴起了研究保偏光纤的研究和应用 展。应力双折射主要指来自材料本身的热应力和材料外部的机
的热潮，经过多年的发展国际保偏光纤的生产和使用都非常成 械应力，材料在受到应力引起材料折射率的变化即光弹效应产
熟。但由于保偏光纤产品在军事上的应用价值，光纤陀螺及光 生双折射。模双折射定义[1]为：
纤水听器等可用于军用惯导和声呐,属于高新科技产品，而保偏
光纤又是其核心部件，因而保偏光纤一直被西方发达国家列入 （1）
对我禁运的清单。国内对保偏光纤的研究和生产起步晚，由于
当时的技术和制作设备都比较落后，生产的保偏光纤质量一直 其中C为芯区的光弹性系数，而σx-σy是芯区的应力差，一
不稳定，无法达到国内工业化生产的要求。到21世纪初，国内 般单模光纤的B值为10-5～10-6之间，B>10-5为高双折射光纤，习
光纤行业得到长足的发展，以江苏法尔胜光子有限公司为代表 惯用拍长LP来表征其模式双折射，定义：
的企业最先投入保偏光纤的研究和生产，成功生产出具有自主
知识产权的一种极小应力区、高精度光纤陀螺用保偏光纤。 （2）
二、保偏光纤（PMF）的基本原理 式中Δβ为两偏振模传输常数差、λ为自由空间的光波
长，B为模双折射。如果Δβ值越大，拍长越小、光纤的双折射
理想的单模光纤在结构和组分上完全对称，没有任何的本 越大、光纤保持偏振性越好。另外一个表征保偏光纤的参数为
征残余应力，光纤没有受到外部应力的影响，基模HE11的两个 消光比η，当一个线偏振光的偏振态平行于主轴y（或者x）入
正交模式完全简并的，无法分开。实际中由于光纤制作过程中 射保偏光纤时，经过一段距离L的传输后，在光纤的另一端测试
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