保偏光纤偏振特性分析

李霞 （中国电子科技集团有限公司第四十六研究所 天津300220）

保偏光纤偏振特性分析

李霞 （中国电子科技集团有限公司第四十六研究所 天津300220）

近年来光纤陀螺在各种装备中得到了快速应用，保偏光纤绕制的光纤环圈作为光纤陀螺中的关键器件，其技术性和可靠性受到了普遍的关注。主要介绍了保偏光纤偏振串音和h参数的定义以及它们的相互关系，对保偏光纤的偏振特性进行了描述。

保偏光纤 偏振特性 偏振串音 参数

0 引言

保偏光纤所具有的偏振保持特性，在光纤通信技术领域中可提高光传输系统的稳定性和通信容量；在光纤传感系统中可明显降低光路中由偏振耦合引起的误差。光纤陀螺的干涉式应用是保偏光纤的重要应用之一，其输出信号的稳定性取决于光纤中两束干涉光偏振态的稳定性，要求两束光波的偏振态相同，因此光纤的偏振特性就成为影响光纤陀螺精度的一个重要因素。[1]光纤的偏振特性是评价保偏光纤的重要指标，在光纤陀螺工程化技术迅速发展的背景下，保偏光纤环圈作为其中的关键器件，是不可分割的一部分，其整体技术水平得到了迅速的提高，保偏光纤偏振特性也越来越为人们所重视。保偏光纤保持偏振的能力由偏振串音或h参数决定，只要测出偏振串音就可以确定保偏光纤的偏振特性。本文首先介绍了保偏光纤的偏振特性，并介绍了表征其偏振特性的偏振串音和h参数以及它们的相互关系。

1 保偏光纤的偏振特性

保偏光纤是具有保持偏振态能力的光纤，可分为高双折射光纤和低双折射光纤，一般所说的保偏光纤是指高双折射光纤。按照几何结构来分，保偏光纤主要有熊猫型、领结型和椭圆应力型，其中熊猫型因其对称性优势应用最为广泛。保偏光纤的纤芯受到两个应力——沿X轴的外拉力和Y轴的压应力，因此在纤芯中产生了较高的应力双折射，形成了两个互相正交的主轴。正是由于自身所具有的这种高双折射，使两正交轴方向上偏振模的相位常数差很大，不易产生耦合，淹没了外部的干扰，从而保偏光纤可以在两个主轴上输出线偏振光保持其线偏振状态。普通光纤的偏振状态则受外界因素的影响很大。在理想的状态下，如果线偏振光沿保偏光纤主轴注入，就将一直保持这种偏振状态。如图1所示，沿保偏光纤主轴入射的线偏振光输出仍为线偏振光，且与输出主轴重合。[2]

但实际上，当光纤扭曲很大，或保偏光纤产生较小的弯曲半径以窃取信号，或光纤遭到破坏等外界环境发生剧烈变化时，外加应力就会克服光纤原有双折射，偏振模态的一部分光会耦合到与之正交的模态上去，输出光的偏振态随之就会发生明显的改变，造成偏振态的起伏。若入射光的偏振轴和快慢轴成一夹角，偏振态就随光纤长度的增加呈周期性的变化，每个周期对应的光纤长度称为拍长，一般表示为Lb。图2为保偏光纤中半个拍长内偏振态的变化情况。

由图2可看出，偏振态在半个拍长内的变化情况为：从线偏振光——椭圆偏振光——圆偏振光——椭圆偏振光——与入射偏光差90°的线偏振光。另一半拍长重复上述过程，在Z=Lb及它的整数倍处恢复其初始偏振态。[3]

2 保偏光纤的偏振特性参数

保偏光纤的偏振特性参数主要有：表征保偏光纤双折射程度的拍长Lb、偏振串音（或消光比）、偏振保持参数（即h参数）。相较之下，拍长在保偏光纤的实际应用中并不十分重要，因此重点介绍偏振串音和h参数。

2.1 保偏光纤的偏振串音和消光比

在保偏光纤输入端慢轴方向输入一定功率线偏振光时，输出端快轴上也会有输出功率，输出端快轴方向上光功率与输出端总功率的比值就是保偏光纤的偏振串音。偏振串音是指光功率从一个偏振模串扰到另一个偏振模的比例。计算公式为：

式中，CT为保偏光纤的偏振串音，单位为dB；Pmax为输出端主轴偏振光功率，单位为mW；Pmin为输出端副轴偏振光功率，单位为mW。偏振串音表示保偏光纤的偏振性能，理想的保偏光纤偏振串音为-∞dB。保偏光纤的偏振串音越小说明保偏光纤对入射光偏振状态的保持能力越强，串扰到另一偏振模式上的功率越小，保偏光纤的保偏性能越好。

偏振串音和消光比的物理意义是不同的，在日常应用中，二者经常被一同提及也极易混淆。消光比定义为：当一束线偏振光精确地沿保偏光纤的某一光轴入射时，在正交轴方向上会激发起偏振模，两个正交轴上的功率比值就是消光比。计算公式为：

式中，ER为保偏光纤的消光比，单位为dB；Pmax为输出端主轴偏振光功率，单位为mW；Pmin为输出端副轴偏振光功率，单位为mW。（1）式和（2）式相比只相差一个负号，偏振串音为负值，消光比为正值。一般来说，光纤越长，偏振串音越大，消光比越小。

偏振串音测试系统的测试原理基本为：由波长为650 nm的激光光源发出稳定的单色光，经准直扩束变为平行光，再经过起偏器后变为消光比很高的线偏振光，由准直透镜将线偏振光耦合到被测光纤中，检偏棱镜的输出光由准直透镜汇聚到光电探测器上，当检偏棱镜沿一定的方向旋转180°时，检测电路会相应的检测到光功率的最大值Pmax和最小值Pmin，利用公式（1）和（2）即可得出被测光纤的偏振串音和消光比。

2.2 保偏光纤的偏振保持参数

偏振保持参数（即h参数）描述的是保偏光纤中因各种内部结构不完善引起的模双折射扰动导致两个正交的偏振模之间光功率随机耦合的结果，它反映的是一种统计平均特性。也可以说h参数是随机微扰模双折射功率谱的度量，它描述了光功率从被激励起的偏振模式交叉耦合到其正交偏振模式的平均参数。

h参数被定义为单位长度光功率的串扰量，一般情况下其数量级为10-6～10-4，单位为m-1。若注入光纤是沿轴方向的线偏振光，功率为P0，z为光纤传播方向的长度，Px和Py分别为x轴方向和y轴方向的功率，则可以得到以下耦合方程：

根据边界条件：

解得：

当hz≪1时，式（5）可分别近似表示为：

因此可以得到偏振串音和h参数之间的关系为：

在日常测试中，长为2 m的保偏光纤的偏振串音一般在-35～-50 dB之间。从（7）可以得出，h参数一定，光纤长度每增加10倍，偏振串音就增加10 dB。由于保偏光纤的均匀性并不是理想状态，各段的参数也不一定相同，因此式（7）只是一个近似的公式。[4-5]一般情况下，我们假定保偏光纤是均匀的，通过h参数就可以计算出任意长度保偏光纤的偏振串音，如测出长度的保偏光纤的串音为CT1,可根据式（7）计算出该光纤的h参数，进而可得到该保偏光纤每公里的串音值，这种计算方法在保偏光纤的实际测试中得到了广泛的应用。■

[1]徐宏杰，何珺，秦秉坤，等.高精度保偏光纤偏振测试系统的设计[J].光学技术，2003，（2）：208-210.

[2]郎晓萍，李晓英.单模保偏光纤偏振测试方法[J].北京机械工业学院学报，2005（1）：25-27.

[3]邹雪峰，冯丽爽，马迎建.保偏光纤偏振特性自动测试系统的设计与实现 [J].北京机械工业学院学报，2005（2）：47-49,53.

[4]马迎建，冯丽爽，南书志，等.保偏光纤偏振特性测试系统[J].电子测量技术，2006（4）：31-32.

[5]王敏琦.保偏光纤偏振度测试技术分析[J].光通信研究，2005（1）：51-53.

2012-07-08