光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响

高亚明，冯 光，李昌峰，罗瑞芳，韩志辉

（中国电子科技集团公司 第46研究所，天津 300220）

光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响

高亚明，冯 光，李昌峰，罗瑞芳，韩志辉

（中国电子科技集团公司 第46研究所，天津 300220）

消光比是表征单偏振光纤偏振性能好坏的特征参数之一，影响它的因素有很多，如光谱带宽。结合熊猫型单偏振光纤的测量，搭建了双轴光谱带宽测量系统，通过对单偏振光纤的光谱带宽、消光比参数的大量测量和分析，找到了光谱带宽对消光比参数影响的原因。结论是单偏振光纤的工作波长要远离光谱带宽的下限位置，即HE11y模式的截止损耗峰，另外，要求HE11y模式的截止损耗要陡峭，这样才能保证单偏振光纤具有高消光比特性。

单偏振光纤；绝对单模光纤；光纤起偏器；光纤检偏器；光纤传感器

单偏振光纤的应用领域是高质量大功率激光子信号传输、高功率光纤激光器、超高压电流传感和光纤陀螺等[1-3]，由于利用了光纤波导的固有特性起偏，所以较以往出现的其它种类的光纤起偏器具有明显的价格、可靠性和稳定性优势[4]，适于规模生产。

尽管保偏光纤被广泛的应用于偏振光传输，但其波导具有让两个相互垂直偏振的简并基模同时传输的能力，其本质与通信单模光纤是一样的，只是有两个相互垂直的光学轴，是一种特殊的单模光纤[5]。单偏振光纤波导只支持简并基模中的 HE11x模式传输，而与其垂直的 HE11y模式由于高辐射损耗而截止，从这个意义上讲，它与通信单模和保偏光纤都不同，是一种特殊的单模光纤，通常被叫做绝对单模光纤。单偏振光纤的最大特点是可以将输入的圆偏振光直接转化为线偏振光输出，没有偏振模色散效应，所传输的偏振光状态对外界强干扰不敏感[6]。

单偏振光纤的特征参数之一是消光比，由于单偏振光波导不允许Y向偏振模式的传输，所以相较于保偏光纤的串音参数不同，它的偏振表征参数只能用消光比。影响单偏振光纤消光比的因素很多，其中光谱带宽相对于工作波长的位置是一个重要参数[7]。

1 实 验

我们用一根熊猫型单偏振光纤预制件拉制了25 km单偏振光纤，截选了四根光纤样品进行测试，长度都是4 m，测试系统见图1所示。在测试中应注意的一点是要调节光起偏器，使输出的偏振光分别与单偏振光纤的两个光轴平行，分别测量其输出的光谱曲线。

图2是双轴法测量单偏振光纤光注入与输出示意图，在光谱带宽范围内只有X轴向偏振光输出，Y轴向偏振光由于是辐射模而不能传输。

图 3(a)～(d)是四根单偏振光纤光谱带宽的测试图，每张图中两条选取竖线间的距离就是光谱带宽，它们分别相交于两个简并基模 HE11x和 HE11y的截止损耗曲线上的一点，与HE11x模的交点对应损耗值是1 dB，与HE11y模的交点对应损耗值是20 dB。四张图中的光谱带宽窗口相对于工作波长1053 nm是逐次向短波长方向移动的，这主要是由于光纤制作工艺的误差和波动造成的。具体讲有以下几个原因：一是在单偏振光纤用单模光纤预制件的制作过程中，由于MCVD玻璃机床的系统性问题，单模光纤预制件的芯径和数值孔径是有一定波动范围的；二是在机械打孔和研磨加工过程中，由于加工误差的引入，最终应力施加单元的应力施加误差会造成纤芯沿长度方向形变不同；三是在拉丝过程中，光纤丝径的波动造成纤芯的直径产生波动，同时会带来不同的纤芯变形问题等。

图1 单偏振光纤光谱测试系统示意图Fig.1 Schematic of single polarization fiber spectrum measurement system

图2 双轴法测量单偏振光纤光注入与输出示意图Fig.2 Schematic diagram of optical fiber injection and output with single polarization

图3 单偏振光纤中光谱带宽向短波长移动Fig.3 Spectral bandwidth of single polarization fiber moves to short wavelength

2 实验结果与讨论

产生单偏振光纤光谱带宽的原因是由于纤芯受到应力施加造成的，它使得纤芯沿X和Y方向的有效折射率产生了差异[8]，X方向的有效折射率提高了δn，图4是其折射率变化的示意图，图5是其折射率变化的实测图，光纤结构是椭圆包层形。应力引入的 δn使得两个简并基模HE11x和HE11y的截止波长λCX、λCY产生了分裂[9]，由公式(1)和(2)分别计算它们的截止波长。正是由于这一分裂，为光纤具有单偏振特性打下了基础，产生了单偏振光纤的光谱带宽。

式中：a为光纤半径；n1为光纤芯部折射率；n2为光纤包层折射率；Vcx为 HE11x模式归一化频率；Vcy为HE11y模式归一化频率。

单偏振光纤的消光比参数定义为η= -10lg(px/py)，它是单偏振光纤性能好坏的表征之一，消光比公式可以化简为式(3)。

从公式(3)可以看出，单偏振光纤的消光比η主要与 HE11y模式的损耗有关，αy越大，光纤的消光比越大，这与我们在图3中的四根单偏振光纤样品的情况是一致的，我们测量得到这四根单偏振光纤的消光比分别是9 dB / 4 m、33.6 dB / 4 m、33.6 dB / 4 m、33.9 dB / 4 m。这一试验结果证明，窗口内的消光比η变化不大，其原因是由于 HE11y模式的截止损耗随波长迅速增加，HE11y模式所携带的能量在一个较短的波长范围内就消耗殆尽造成的。随着光谱带宽窗口进一步向短波长方向移动，光谱带宽内的αy呈现无穷大，其实已经不存在了，所以图3中后三张图情况所对应的单偏振光纤的消光比基本是相同的。

图4 应力施加造成单偏振光纤芯区折射率变化示意图Fig. 4 Variation of refractive index of single polarization fiber core caused by stress

图5 应力施加造成单偏振光纤芯区折射率变化测试图Fig.5 Test pattern of the change of refractive index of single polarization fiber core caused by stress

式中：h为双折射光纤的h参数；δz为单偏振光纤芯部两个简并基模 HE11x和 HE11y的有效折射率差；αx和αy分别为两个简并基模的损耗；z为光纤长度。

图6和图7是一文献中报道的试验结果，光纤是椭圆包层应力施加W型单模单偏振光纤，图6中表示出其光谱带宽窗口在615～640 nm区间，消光比大于等于20 dB，导模损耗小于1dB。图7中分别表示出简并基模HE11x（X偏振模）和HE11y（Y偏振模）输出光功率Px和Py随波长的变化情况[10]。把图6与图3比较可以看出，图3中单偏振光纤截止损耗曲线上升陡峭，而图6中的情况是αy上升缓慢，根据公式(3)可知图6中光纤的消光比必然小。从图7中也可以得出同样的结论，在低于640 nm波长区间，Px基本上是恒定常数，而Py在615 nm处沿短波长方向逐渐升高，其消光比会逐渐减小。由此可知，光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响取决于两个因素，一个是光谱带宽窗口相对于工作波长的位置，另一个是损耗αy随着波长的变化是否剧烈。

图6 W凹陷型单偏振光纤中截止基模的损耗系数α与波长的关系，归一化单位是10-6Fig.6 Relationship between the loss factorαof cutoff basic mode in a single polarization fiber and hewavelength, which is depression, and the normalized unit is 10-6

图7 W凹陷型单偏振光纤功率输出与波长的关系Fig.7 Relationship between output power and wavelength of single polarization fiber with W depression type

3 结 论

影响单偏振光纤消光比的因素很多，其中光谱带宽是重要的因素之一。要制作高性能的单偏振光纤，一方面光谱带宽不仅要被充分的打开，而且还要稳定在设计的位置上，使得工作波长处于窗口中，另一方面HE11y模式的截止损耗αy随着波长的变化要剧烈。否则，由于光谱带宽的偏离或αy随着波长的变化平缓，会严重影响单偏振光纤的性能，甚至使其失去单偏振特性。

（References）：

[1] 武延荣, 郭丽霞, 薛文瑞, 等. 单偏振光子晶体光纤，光学学报, 2007, 27 (4): 593-597. Wu Yan-rong, Guo Li-xia, Xue Wen-rui, et al. Photonic crystal fiber with single polarization[J]. Acta Optica Sinica, 2007, 27 (4): 593-597.

[2] 王圻, 宁提纲, 郑晶晶. 偏振器件在通信和传感中的应用[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2006(2): 8-11. Wang Qin, Ning Ti-gang, Zhang Jing-jing. Polarization device application in communication and sensing[J]. Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications, 2006(2): 8-11.

[3] 李亚岚, 宁提纲, 温晓东, 等. 单偏振光纤激光器的研究进展[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2011(5): 4-7. Li Ya-lan, Ning Ti-gang, Wen Xiao-dong, et al. Research progress of single polarization fiber lasers[J]. Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications, 2011(5): 4-7.

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[6] 高亚明, 冯光, 刘永建, 等. 熊猫型单偏振光纤[J]. 激光与红外, 2011, 41: 1244-1247. Gao Ya-ming, Feng Guang, Liu Yong-jian, et al. Single polarization optical fiber of Panda type[J]. Laser and Infrare, 2011, 41: 1244-1247.

[7] Nolan D A. Single-polarization fiber with a high extincttion ratio[J]. Opt. Lett., 2004, 29(16): 1855-1857.

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[9] Ji Min-ning. Cutoff wavelengths of the fundamental modes in W-tunneling optical fibers[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2000, 27(5): 292-296.

[10] 季敏宁, 宫爱玲, 张永安. W型单模单偏振光纤截止基模的能量损耗[J]. 光学学报, 2002, 22(5): 530-534. Ji Min-ning, Gong Ai-ling, Zhang Yong-an. Energy loss of cutoff fundamental mode of W type single mode single polarization optical fiber[J]. Acta Optica Cinica, 2002, 22(5): 530-534.

Influence of light spectrum bandwidth on extinction ratio of single polarization optical fiber

GAO Ya-ming, FENG Guang, LI Chang-feng, LUO Rui-fang, HAN Zhi-hui
(46 Institute of the Electronic Science And Technic Group Corporation of China, Tianjin 300220, China)

The extinction ratio is one of the characteristic parameters of single-polarization fiber polarization performance, which is affected by many factors, including the spectral bandwidth. By measuring the Panda-type single-polarization fiber, a measurement system of biaxial spectral bandwidth is built. Based on lots of measurement and analysis on the spectral bandwidth and extinction ratio parameters of single-polarization fiber, the spectral bandwidth’s effect on extinction ratio parameter is found. The conclusion is that the working wavelength of single polarization fiber should be far away from the lower limit position of the spectral bandwidth, i.e. the cut-off loss peak of HE11ymode, and the HE11ymode cut-off loss should be steep, so as to ensure that the single polarization fiber has high extinction ratio.

single-polarization single-mode optic fiber; absolute single mode fiber; optical fiber polarizer; optica fiber filter; optical fiber sensor

U666.1；TB114.3

A

1005-6734(2017)02-0227-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2017.02.016

2016-11-04；

2017-03-20

天津自然科学基金（16YFZCgx00370）

高亚明（1960—），男，教授级高级工程师，从事特种光纤研究。E-mail: gaoym46@126.com