中远红外保偏光纤研究进展

江 岭，赵浙明,3，李 杏，吴 波，密 楠

(1.宁波大学高等技术研究院，红外材料及器件实验室，宁波 315211；2.浙江省光电探测材料及器件重点实验室，宁波 315211；3.嘉兴学院，南湖学院，嘉兴 314001)



中远红外保偏光纤研究进展

江 岭1,2，赵浙明1,2,3，李 杏1,2，吴 波1,2，密 楠1,2

王训四1,2，刘自军1,2，戴世勋1,2，聂秋华1,2

(1.宁波大学高等技术研究院，红外材料及器件实验室，宁波 315211；2.浙江省光电探测材料及器件重点实验室，宁波 315211；3.嘉兴学院，南湖学院，嘉兴 314001)

保偏光纤是在单模光纤的基础上发展起来的一种特殊光纤，对线偏振光具有较强的偏振保持能力，这种特性使其被广泛的应用于光纤传感、光纤偏振器及各种偏振相干检测器等方面。非石英材料的使用将保偏光纤的透光范围由可见和近红外逐渐向中红外以及远红外扩展，由于对中远红外保偏光纤的研究起步的较晚，目前仍存有以下问题：(1)在中远红外波长范围内传统保偏光纤理论和应用亟待完善；(2)对于中远红外高双折射光子晶体保偏光纤的研究大部分都处于理论阶段，缺少实验验证与应用。本文回顾了中远红外保偏光纤研究历程，然后总结了保偏光纤的偏振保持参数、分类、制备方法及性能测试方法等，最后阐述了中远红外保偏光纤的应用及目前面临的主要问题和未来发展趋势。

保偏光纤； 中远红外； 光子晶体光纤； 高双折射； 消光比

1 引 言

1979年，Kaminow等[1-3]提出了保偏光纤(PMF,Polarization Maintaining Fiber)的概念，通过在纤芯附近引入两个对称的应力区，从而增大了两正交模之间的传播常数差，使得模式耦合系数减小，形成了双折射效应。它的特殊性就在于对线偏振光具有较强的偏振保持能力，这种特性使得保偏光纤被广泛的应用于光纤传感、光纤偏振器及各种偏振相干检测器等方面，比如光纤陀螺[4]等。

由于对石英保偏光纤的研究已经较为成熟，人们逐渐将研究材料转向了非石英，这使得保偏光纤的透光范围扩展到了中远红外。目前中远红外保偏光纤的研究主要包括氟化物、碲酸盐以及硫系玻璃。氟化物玻璃是以HfF4-BaF2两系统为基体材料的多组分玻璃，从紫外到中红外具有极宽的透光范围，无毒且具有较好的物理化学性质，比氧化物玻璃具有低的声子能量(约500 cm-1)，是当前研究最多的超低损耗中远红外光纤，它有可能在2.5～3.5 m范围内获得损耗约为10-3dB/km的光纤，曾是最有希望取代石英玻璃光纤的超大波段通信光纤材料。碲酸盐玻璃具有较宽的增益带宽，声子能量比较低(约750 cm-1)，折射率比较高(约2)，三阶非线性光学性能十分的优异(10～12 esu)，介电常数也比较高，抗腐蚀能力相对较好，稀土离子溶解性好，尤其是中红外透过性能比较优秀(透过范围可以达到6 m)。硫系玻璃是指含有一种或多种非氧硫族元素(S、Se、Te)加上其他类金属元素(砷、锑、锗等)形成的一种非氧化物玻璃[5]，它具有极宽的红外透过范围(依组份不同，其透过范围从0.5～25 m)，较高的红外光谱透过特性(透过率大于60%)，且是目前唯一一类可实现近、中、远红外全波段低损耗传输的光学玻璃。此外，硫系玻璃还具有极低的声子能量(小于350 cm-1)，极高的折射率(2～3.5)，极高的非线性折射率系数n2(n2=2～20×10-18m2/W，是石英材料的100～1000倍[6])。基于上述优点，使硫系玻璃成为红外光谱学应用领域的极佳光学材料。2010年德里理工大学的Dabas等[7]首次设计了一种新型高双折射硫系As2Se3光子晶体光纤用作保偏目的。近年来国内相关高校和研究机构也相继开展了中远红外保偏光纤的研究。2010年燕山大学的Zhang等[8]理论设计了一种用于传输中红外的高双折射多孔光纤。2011年燕山大学的王晓琰等[9]利用多极法理论研究了一种中红外高双折射As2Se3光子晶体光纤。2011年刘硕等[10]利用多极法基本理论研究了一种中红外高保偏硫系玻璃双芯光子晶体光纤。2012年燕山大学的Wang等[11]理论设计了一种简化结构的硫系As2Se3光子晶体光纤。同年，燕山大学的Liu等[12]利用有限元法分析了基于亚碲酸盐双芯光子晶体光纤的偏振分离器的特性，通过调整双芯光子晶体光纤的椭圆度，可以得到高双折射。2014年日本丰田工业大学的Deng等[13]利用白光干涉技术研究了一种高双折射椭圆芯亚碲酸盐微结构光纤的两个正交模式的色散，并使用全矢量有限差分法计算了快轴慢轴的折射率以及相应的拍长与波长的关系。随后，2014年北京邮电大学的魏帅[14]设计了一种高双折射高非线性亚碲酸盐椭圆纤芯光子晶体光纤，利用全矢量有限元法研究了这种光纤的双折射、非线性等特性。2015年印度喀拉拉大学的Luke等[15]设计并仿真了一种具有高椭圆度纤芯硫系光子晶体光纤，该光纤具有极高双折射、低限制损耗等特性。表1汇总了近年来已报道的部分中远红外保偏光纤的模式双折射，可以看出，在双折射程度上大部分保偏光纤都已达到了10-2数量级。由于高双折射光子晶体保偏光纤预制棒制备的复杂性，以至于有关中远红外高双折射光子晶体保偏光纤的报道大都只限于理论与仿真，而未加实验验证。

表1 已报道的中远红外保偏光纤的模式双折射

2 研究要点

2.1 工作原理

一般地，保偏光纤属于一种特殊的单模光纤[16]，即光纤只能传输一种模式的光。理想的单模光纤在几何结构上具有良好的圆对称性，因而所传输的基模LP01是两正交模式的二重简并模态(如图1所示)[17]。在实际光纤中，由于缺陷的存在使得这种二重简并被破坏，从而引起了双折射现象。本来这种双折射现象影响了单模光纤的传输质量，但是为了在标准单模光纤中维持模的偏振或者产生更高的双折射效应，就需要人为地利用结构缺陷或应力将双折射引入到光纤中，从而增大了LPx01和LPy01两模式的有效折射率差，减小了两模式的耦合效应，从而具有了对线偏振光具有较强的偏振保持能力。

图1 单模光纤中的两种模式[17]Fig.1 Two modes of a single-mode optical fiber

2.2 偏振保持特性

由于保偏光纤是在单模光纤的基础上发展起来的一种特殊光纤，因此表征保偏光纤性能的参数不仅包括常规单模光纤的性能特性，还包括与其偏振特性相关的双折射(B,Birefringence)和消光比(ER,Extinction Ratio)两个参数。

2.2.1 双折射

双折射是由于保偏光纤中传输的两个偏振模式的传播常数不同所引起的，传输速度较快的轴称为快轴，用nfast表示该轴的折射率，传输速度较慢的轴称为慢轴，用nslow表示该轴的折射率，其公式表示为

B=nslow-nfast

(1)

双折射越大，光纤对线偏振光的偏振保持能力就越强。

2010年Zhang等[8]所设计的高双折射多孔光纤，在归一化波长λ/Λ=5.3处，双折射达到了0.088。图2为中红外高保偏硫系玻璃双芯光子晶体光纤(PCF,Photonic Crystal Fibers)的双折射与空气填充率、归一化波长的关系图[10]，可以看出当结构参数一定时，双折射随归一化波长的增加而增大；在归一化波长不变的情况下双折射随空气填充率d/Λ的增大而不断增大，结果表明：当空气孔间距Λ=5.4 m，空气孔半径为r=1.35 μm，空气填充率d/Λ=0.5，归一化波长λ/Λ=2.04 m时，双折射可以达到0.551×10-2，具有较高的双折射。2014年魏帅[14]设计了椭圆纤芯长轴a为0.5 μm，短轴b为0.25 μm的高双折射亚碲酸盐椭圆纤芯光子晶体光纤，该光纤在1550 nm波长处，可获得7.66×10-2的高双折射值。图3为具有高椭圆度纤芯硫系光子晶体光纤的双折射与波长变化的关系[15]，可以看出双折射随着波长的增加而增大，在很宽的波长范围内，都可以得到10-2数量级的双折射值。

1.3.1 考试成绩。课程结束后，两组学生采用同一份试卷进行测试，试卷题型为选择题及病例分析题，各占50%，选择题参考执业医师考试以理解应用题型为主，对总成绩及病例分析题成绩进行分析。

图2 双芯PCF双折射随归一化波长λ/Λ的变化[10]Fig.2 Variation of birefringence with normalized wavelength(λ/Λ) in dual-core PCF

图3 双折射随波长的变化[15]Fig.3 Variation of birefringence with wavelength

2.2.2 消光比

当一束偏振光在保偏光纤中传输并且其入射方向与光轴平行，由于光纤中缺陷的存在，比如芯与包层界面不完善、折射率不均匀等，当偏振光在传输的过程中遇到这些随机的耦合点后，将有少量的光功率会耦合到另一正交的偏振方向上，在保偏光纤输出端可以检测到正交的两个偏振方向上均有光功率，就把两个正交轴上所输出的光功率比值就定义为消光比，其公式表示为

(2)

其中，Pw为注入偏振光轴上检测到的光功率，Pu为另一个正交轴上检测到的光功率。消光比也反映了保偏光纤的偏振保持能力，由于Pu>Pw，所以消光比为负值，即消光比越小，保偏光纤的偏振保持能力就越强。

当孔间距Λ=2 m时，硫系As2Se3光子晶体保偏光纤在λ=4 m处的消光比可高达30.22738[11]，研究结果表明：在最大平均功率为37 mW时，正交的本征极化模式之间没有出现耦合现象，即说明偏振状态被很好的保持了。图4为基质分别为SF57玻璃和亚碲酸盐玻璃双芯光子晶体光纤的消光比与波长变化的关系[12]，可以看出与相同结构的SF57玻璃光纤相比，亚碲酸盐玻璃光纤具有更大的消光比，在波长λ=1.55 m处，消光比可以达到-31 dB，结果表明：亚碲酸盐基质的双芯光子晶体光纤在生产偏振分离器中有着更实际的应用价值。

图4 消光比随波长的变化[12],基质为(a)SF57玻璃;(b)亚碲酸盐玻璃Fig.4 The extinction ratios value by varying wavelength(a)SF57 glass;(b) tellurite glass

2.3 分 类

按照双折射现象产生机理的不同，可将保偏光纤分为2类：

(1)形状双折射型，主要是由于光纤几何结构上的不对称性导致材料折射率的改变，进而产生双折射，比如椭圆芯保偏光纤(如图5(a)所示)和光子晶体保偏光纤；

(2)应力双折射型，主要是由光弹效应引起光纤材料折射率的改变，进而产生双折射，比如熊猫型保偏光纤(Panda)(如图5(b)所示)[18]、椭圆包层型保偏光纤(如图5(c)所示)以及领结型保偏光纤(Bow-tie)(如图5(d)所示)。

保偏光纤的结构不同，制备方法也差别较大。制备熊猫型保偏光纤预制棒的主要方法是护套打孔法[19-20]，具体步骤如图6所示。这种方法是先利用沉积工艺分别制备出预制棒和应力棒，然后在预制棒纤芯对称的两侧分别打孔，将两根应力棒分别插入对称的孔中，最后经过高温熔缩即可制成熊猫型保偏光纤预制棒。

图6 护套打孔法制备熊猫型保偏光纤预制棒[19,20]Fig.6 Fabrication of a PANDA preform by machining and the insertion of stress rods

图7 气相腐蚀法制备领结型保偏光纤预制棒[21]Fig.7 Fabrication of a bowtie preform by gas-phase etching

图8 研磨法制备椭圆包层型保偏光纤预制棒[22]Fig.8 Fabrication of a elliptical jacket preform by machining

制备领结型保偏光纤预制棒的主要方法是气相腐蚀法[21]。这种方法是选择合适的沉积工艺先沉积包层再沉积芯层，中间加以气流腐蚀应力层，最后采用缩棒技术对沉积管逐渐熔缩成实心棒，即可制成领结型保偏光纤预制棒(如图7所示)。

制备椭圆包层型保偏光纤预制棒的主要方法是研磨法。这种方法是先沉积好预制棒，然后将预制棒两侧的圆弧研磨至平即可制成椭圆包层型保偏光纤预制棒(如图8所示)[22]。制备椭圆芯保偏光纤预制棒的主要方法是减压烧缩法[23]。这种方法是先利用合适的沉积工艺沉积纤芯，然后在真空低压高温条件下熔缩成椭圆形，再沉积包层，即可制成椭圆芯保偏光纤预制棒。

2.5 中远红外光子晶体保偏光纤

光子晶体[24-25]是一种新型光学材料，基于光子晶体技术发展起来的光子晶体光纤近几年来成为了人们的研究热点。随着1996年第一根PCF[26]问世，光子晶体保偏光纤(PM-PCF,Polarization Maintained Photonic Crystal Fibers)就应运而生了。光子晶体保偏光纤的结构设计非常灵活，可以通过采用双芯、改变纤芯或纤芯附近空气孔的形状等多种方法来实现高双折射。

2010年Dabas等[7]设计了一种高双折射硫系As2Se3光子晶体光纤的简化结构(如图9(a)所示)，通过扩大中心位置两个空气孔，减少毗连中心区域的两个横向空气孔，可以获得高模式双折射。2011年王晓琰等[9]设计了一种中红外高双折射As2Se3光子晶体光纤(如图9(b)所示)，为三角形阵列结构，通过在纤芯位置减少4个空气孔，形成类椭圆纤芯且非正六边形结构。常见的光子晶体保偏光纤的设计结构一般为六边形，具有六重旋转对称性，而2011年冯荣普[27]设计了一种基质为碲玻璃、结构为非传统六边形阵列的新型光子晶体光纤(如图9(c)所示)，还数值模拟比较了三种基质相同的圆形包层不同纤芯结构的As2Se3光子晶体光纤的双折射等特性(如图9(d)所示)，研究结果显示矩形芯的双折射高于六边形和椭圆形芯。

图9 各种结构的中远红外PM-PCFFig.9 Middle and far infrared PM-PCFs of different structures

与传统的保偏光纤相比，高双折射光子晶体保偏光纤具有很多优点：(1)双折射可以达到10-3或10-2数量级，比传统保偏光纤要大1到2个数量级；(2)由于光子晶体保偏光纤的双折射属于几何双折射，其双折射具有很大的稳定性；(3)光子晶体保偏光纤的双折射与其很多几何参数都有关，可以很容易实现双折射的调节。

3 性能测试

若保偏光纤中的光沿某一光轴方向线偏振，则可以保持其偏振态在光纤中传播，若沿一其他任意角度线偏振，则偏振态会发生变化，变化一个周期所经过的长度就是保偏光纤拍长，由两正交模式的传播常数决定[28]。目前测量保偏光纤拍长的方法主要有动态压力法[29]、磁光调制法[30-32]和宽谱光源干涉法等，其中宽谱光源干涉法简单易行，只需通过光谱仪测量记录光谱变化并进行简单计算，即可测量出对应波长处的拍长，测量精度可达到0.1 nm[33]。

图10是宽谱光源(ASE)干涉法拍长测试光路图[28]。宽谱光源输出光经起偏系统P1后进入长度为L的保偏光纤，再经过检偏系统P2，最后在输出端用光谱仪(OSA)监测干涉条纹，由干涉理论

(3)

式中,△λ为干涉条纹两相邻极值之间的间隔，再通过公式

(4)

即可计算出保偏光纤的拍长。

图10 干涉法测量系统[28]Fig.10 Schematic diagram of interference experimental system

图11 保偏光纤消光比测试系统的原理图[34]Fig.11 Schematic diagram of the extinction ratios measuring system

消光比是衡量保偏光纤保偏特性的最本质参数，可以通过对光功率的测量进而求出消光比，图11是测量保偏光纤消光比的测试光路图[34]。

光源的光经过起偏光纤后变成线偏振光，然后注入到被测光纤中，经过检偏系统检偏再通过探测器，最后用光功率计测量出输出光的功率值。通过公式

(5)

即可计算出消光比，式中Pmax是测量到的光功率的最大值，Pmin是测量到的光功率的最小值。

4 应 用

4.1 偏振分束器

图12 归一化功率随传输距离的转移[10]Fig.12 Variation of normalized power with propagation length

偏振分束器(Polarization Splitter)[35,36]能将一束光分为两个处于正交偏振态的光束，并沿不同方向传输，是光通信、光传感、光测量、光信息处理及集成光学中的一种重要的光器件。偏振分束器可以通过构造结构的不对称性，引入高双折射，利用正交方向耦合长度的不同来达到分束的目的[37]。2011年刘硕等[10]数值模拟证实了利用硫系玻璃双芯光子晶体光纤用作偏振分束器，当L=15Lx=14Ly=2170 μm时实现了两偏振光的分离(如图12所示)。2012年Liu Shuo等[12]模拟设计了基于亚碲酸盐双芯光子晶体光纤的偏振分束器，该分束器长度为0.36 mm，消光比高于-10 dB的带宽达到了20 nm，并且在波长为1550 nm 时, 消光比达到了-31 dB。

4.2 色散补偿

图13 色散随波长的变化[38]Fig.13 Variation of chromatic dispersion with wavelength

图14 色散随波长的变化[15]Fig.14 Variation of chromatic dispersion with wavelength

近年来，在光纤通信系统中原本不太被关注的偏振模色散(PMD)问题越来越引起人们的重视[38]，由于PMD会限制高速光纤通信系统的传输容量和距离，人们一般会对PMD进行补偿以解决PMD所带来的传输系统性能恶化的问题[39]。

色散补偿光纤(DCF)是具有大的负色散光纤，在光纤通信系统中加入具有负色散的光纤来进行色散补偿，达到整条光纤线路的总色散近似为零的目的。2010年Dabas等[40]设计了具有负色散的高双折射硫系光子晶体光纤，其色散随波长变化的曲线如图13所示，从图中可以看出：在给定的波长范围内，该光纤具有负色散特性，因此可以用作在光纤通信系统中的色散补偿光纤。2011年王晓琰等[9]理论设计了一种具有较大负色散值高双折射As2Se3光子晶体光纤，可用于色散补偿。2015年Luke等[15]所设计的高双折射硫系光子晶体光纤在三个通信窗口均有较高的负色散(如图14所示)，可以用作色散补偿光纤。

5 总结与展望

虽然对保偏光纤的研究已有30多年历史，但目前还存有以下问题：

(1)目前所研究的传统保偏光纤主要集中在石英材料，与石英基质传统保偏光纤丰富的理论和应用研究成果相比，有关非石英材料的传统保偏光纤报道非常少，在中远红外波长范围内传统保偏光纤的理论和应用亟待完善；

(2)目前对于高性能的高双折射光子晶体保偏光纤的研究大部分都处于理论和软件仿真阶段，而未加实验验证。

中远红外保偏光纤由于采用了具有中远红外优良透过性非氧化物玻璃(尤其是硫系玻璃)基质材料，使其在中远红外波长内生产利用偏振光的器件等方面有着广阔的应用前景。当前无论是国内还是国外对中远红外保偏光纤的研究均处于初步阶段，尤其我国在设备工艺上不成熟，再加上保偏光纤产品在军事上的应用价值，国外一直没有开放对我国的出口，导致在保偏光纤的研发方面总是显得力不从心，因此需要我们进一步的深入研究。期待在不久之后，随着相关理论、新型制作技术和性能测试的不断改进和完善，制备出高精度的中远红外保偏光纤，将其应用到各种光纤传感和利用偏振光的器件中，尤其是军事和航空航天领域中用到的光纤陀螺，发挥其重要的作用。

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Advances on Middle and Far Infrared Polarization Maintaining Fibers

JIANGLing1,2,ZHAOZhe-ming1,2,3,LIXing1,2,WUBo1,2,MINan1,2WANGXun-si1,2,LIUZi-jun1,2,DAIShi-xun1,2,NIEQiu-hua1,2

(1.Laboratory of Infrared Material and Devices,College of Advanced Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Key Laboratory of Photoelectric Materials and Devices of Zhejiang Province,Ningbo 315211,China;3.Nanhu College,Jiaxing University,Jiaxing 314001,China)

Polarization maintaining fiber is a special fiber based on single-mode fiber, which can transmit the linear polarized light and faithfully preserve its polarization state. It is widely applied in fiber sensors, fiber polarizers and various polarization and coherent detectors, e.g. Our perspectives of light from the visible or near-infrared light can be broadened to the mid-infrared and far-infrared wavelength by using of non-quartz materials polarization maintaining fibers. As to the late beginning research on the middle and far infrared polarization maintaining fibers, there are some problems need to be solved just shown as follows: (1) The theories and applications of traditional polarization maintaining fibers in the mid-infrared and far-infrared band badly need to be updated; (2) Most reports of the middle and far infrared high birefringence polarization maintained photonic crystal fibers are only concerned on theory and their experimental verification and applications are rarely to appear. Here, we summarized the research progress of middle and far infrared polarization maintaining fibers, and then provided the parameters of critical polarization-maintaining ability, classifications, fabrications and characterization methods of polarization maintaining fibers. In the end, potential applications, current primal problems and developing trend of the future for the developing of middle and far infrared polarization maintaining fiber have also been concluded detailedly.

polarization maintaining fiber;middle and far infrared;photonic crystal fiber;high birefringence;extinction ratio

国家自然科学基金(61377099，61177087，61307060);浙江省重中之重学科开放基金(XKXL1508,XKXL1318);教育部新世纪优秀人才(NCET-10-0976);浙江省151人才第三层次、宁波大学王宽诚幸福基金、宁波大学优秀学位论文培育基金(PY2012015)

江 岭(1991-)，男，硕士研究生.主要从事硫系玻璃制备及光纤性能方面的研究工作.

王训四,研究员.

TN814

A

1001-1625(2016)12-4005-09