【毕业学位论文】保偏光纤特性参数的实验研究-物理电子学

长春理工大学硕士学位论文保偏光纤特性参数的实验研究姓名：王众申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：薛玲玲20080401摘 要保偏光纤(于对线偏振光具有较强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛的应用。近年来人们在保偏光纤的理论设计、制造工艺和参数测量等方面做了大量工作，取得重大进展。本文首先通过对保偏光纤原理及种类的介绍，对保偏光纤的特性参数：消光比、拍长、偏振度进行详细了的说明。用缜密的计算过程和数据描述了光在光纤中的传输原理，并对保偏光纤的发展及其测量技术的进步做了详细的介绍。在实验部分，根据保偏光纤的原理，以及保偏光纤内部模耦合的特征，搭建了基于点耦合分析压力测量法测量保偏光纤特性参数中拍长的实验测试系统，完成整个测试系统的光路设计、数据处理部分的工作。在整个工作中能够根据测量的原理，实现了各个分系统的设计功能，并针对检测的要求将测试系统划分为偏振调整机构和数据测量两部分。关键词：保偏光纤 特性参数 拍长 点耦合分析压力法MF)in on to on is a in he of of he of in by in is a of on an of of of it n ng in of of in of he as of to of in ey 呈交的硕士学位论文保偏光纤特性参数的实验研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：王迎辨鱼月盈长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名： 幺兰堕羔年三月篮指导导师签名：诲捻谁盟年上月日第一章绪 ；论11光纤结构及类型111光纤的结构光纤(由纯石英经复杂的工艺拉制而成的一种高度透明的玻璃丝。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图11所示。从横截面看，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略低于纤芯，它为光的传输提供反射面光隔离；涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光线的柔韧性，起延长光纤寿命的作用。图11光纤的结构示意图112光纤类型光纤种类很多，且可用不同的方法分类，其常用的类型分类有：根据折射率在横截面上的分布形状分为阶跃型和渐变(梯度)型两种；根据光纤中传输模式的多少分为单模光纤和多模光纤两种；按制造光纤的材料则石英系列、塑料包层石英纤芯、多成分玻璃纤维、全塑光纤等四种，光纤通信中主要用石英光纤。阶跃型光纤是指纤芯和包层的折射率n；和在纤芯和包层的交接处呈现阶梯型变化的光纤，折射率的分布如图12(a)所示“。如果纤芯的折射率随着半径的增大而逐渐减小，而包层中的折射率为均匀的，这种光纤称为渐变(梯度)型光纤，折射率的分布如图12(b)所示。所谓模式，即电磁场的一种场型结构分布形式。电磁场有许多模式，模式不同，其场型结构不同。单模光纤只能传输一个模式，即光纤的基模(模)。单模光纤的直径较小，约为4m，纤芯的折射率的分布为均匀的，故单模光纤多为阶跃光纤。多模光纤在一定的工作波长下，可以传输多种模式。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。因此对于石英光纤则主要有多模光纤折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤三类。根据应用的需要，在常规单模光纤的基础上，又设计出许多特种单模光纤。图12光纤折射率的横截面分布113光纤标准及编号制定光纤标准的国际组织主要有国际电工委员会国际电信联盟一电信标准化机构()。按照1(1995)光纤第1部分总规范光纤的分类法，光纤被分为类为多模光纤，纤的分类、名称、命名对应关系如表卜1纤分类及编号212单模光纤在给定的工作波长上，只能传输单一基模的光纤称为单模光纤。由于单模光纤中不存在模式色散，因此，它有相当宽的传输频带(一般在几十吉赫兹以上)，有利于高码速、长距离、大容量的信息传输。因此，单模光纤在通信系统得到迅速发展。单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，得到极其广泛的应用，随着信息社会的到来，人们研究出了光纤放大器、时分复用、波分复用和频分复用技术，从而使单模光纤的传输距离、通信容量和传输速度进一步提高。发展单模光纤的重要意义还在于它在通信以外的广阔领域也有重要应用。单模光纤的基模的相位，对各种外界的微扰(如磁场、转动、振动、加速度、温度等)极其敏感，而相位的变化可以引起电磁场极化的旋转，利用这一特性，可以制作高灵敏的光纤传感器。L 21单模光纤的单模传输条件1主模与第一高次模由表卜2乜1可以看出，模的归一化截止频率最低，即V。=0。所以模是单模光纤的主模，它没有截止现象，在任何频率时都可以传输。除外，次低的归一化截止频率是240483，它所对应的模式是模，称模为第一高次模。表1模传输条件从前面的分析可知，光纤的导波形成的条件是V止条件是V光纤的单模工作条件决定于第一高次模的截止特性，只要第一高次模截止时，则其它所有高次模均处于截止状态，而光纤中只传输主模。由此可得出单模光纤的单模传输条件为： y；孥厢240483(11)122单模光纤的特征参数光纤的实用参数很多，这里仅介绍单模光纤常用的特性参数：衰减系数、截止波长和模场直径。1衰减系数功率的损耗叫做光纤衰减。它是光纤通信系统设计对需要考虑的一个重要因素，它决定线路上中继距离长短。衰减量的大小通常用单位长度(通常是衰减，即衰减系数1：1表示“1，其定义为：砌) (12)式中 I光纤长度，箱入光纤的光功率；光纤输出的光功率。2截止波长x。截止波长是单模光纤所特有的参量，也是单模光纤最基本的参数，通常可以用它来判断光纤中是否是单模工作方式。由光纤传输理论可知，要保持单模传输，就要使光纤的归一化频率的截止频率240483时，高次模正好截止，光纤中只传导基模。此时，对于给定的光纤(n，、由式1所对应的波长九。又称为临界波长“1。光纤中第一高次模的截止波长为：A，。_：2x42=6513)。1丽 u。7只有当工作波长大于次截止波长时，才能保证单模工作。(1)模场直径)场强(即电厂强度)在光纤横截面内有以特定分布，其分布与光纤结构有关，光功率被约束在光纤横截面一定范围内。而模场直径就是衡量这个范围的物理量，他是单模光纤的重要参数。对于阶跃型单模光纤，基模()场强在光纤横截面的分布近似为高斯分布，如图13所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值的1义为模场直径，用131 场直径的标称值应当在910|l 差为l 1( 。3 基模场强分布曲线4123单模光纤的双折射特性1双折射现象在单模光纤中，由于横向电场的极化方向的不同而基模存在着沿(E，=O)和。(在理想的轴对称的光纤中，这两个偏振模具有相同的传输常数(B，=9，)，两个偏振模完全简并。但是，实际光纤难免有形状、折射率、应力等分布不均匀，将使两种模式的3，B，)，形成相位差a B，简并受到破坏，这种现象叫做双折射现象。2偏振态类型 偏振即极化的意思，系指电场或磁场的空间方位随时间的变化。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。这种电磁波的极化问题，在研究光传播时，通常用偏振来描述，即光矢量的空间方位称光的偏振。一般分为三种偏振态“1。(1)线偏振光：光矢量的端点描绘出的图形是一条直线，称为线偏振光。(2)圆偏振光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差90。，则合成场矢量将随时间光矢量的大小不变，而方向绕传播方向旋转。矢量的端点的轨迹为一个圆，故称为圆偏振光。(3)椭圆偏振光：如果电场的两个分量，空间方位互相垂直，而偏振和相位都不等，随着时间成场矢量的端点的轨迹时一个椭圆，故称为椭圆偏振光。3单模光纤中的双折射及影响(1)双折射分类。对应光的偏振状态，双折射也有三种，即线双折射、圆双折射和椭圆双折射。1)线双折射：两个正交的线偏振光，如果在其方向上有不同的折射率，则将使其有不同的相位常数，即产生双折射，此称为线双折射。2)圆双折射：两个旋转方向相反的圆偏振光，如果在其旋转方向上有不同的折射率，则将使其有不同的相位常数，这种双折射称为圆双折射。3)椭圆双折射：在传输媒质中，如果同时存在线双折射和圆双折射，即为椭圆双折射。(2)双折射对偏振状态的影响。1)偏振演化及拍长。在单模光纤中，如果B，B，则将使传播速度不等，形成相位差A B=B，一B，称为偏振双折射率“，双折射程度用归一化双折射率：8：堂；竺 (14)卢 2能保持线偏振，否则其偏振状态将沿光纤长度方向周期演变，即周期性地由线偏振一椭圈偏振一圆偏振一椭圆偏振一线偏振这样演化。偏振态变化一个周期的长度句话说，两个正交的偏振模，当相位变化之差为2 经讨长度为一个拍长，根据拍长定义可得：三。；罢；罢 (15)“。万。面 u”2)偏振保持光纤。光纤中若存在双折射，将要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。一般单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。常规单模光纤的0值虽然不大(典型的但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难，而通常采用光纤的特殊设计，即人为地引入强双折射，把13值增加到(典型值B=10。)足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振保持光纤。13保偏光纤的发展保偏光纤(于对线偏振光具有较强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛应用m。国外20世纪80年代就掀起了内虽然在80年代也开始从事是由于技术落后，至今保偏产品质量仍然不能满足应用的要求，尤其是不能够满足中高精度光纤陀螺对际上保偏光纤的生产和应用已经相当成熟，但西方国家对我国一直限制出口。我国有关单位从事保偏光纤的研究也有十多年历史，但由于西方国家技术上的封锁及国内相关单位的设备工艺水平限制，仅能生产小批量产品，且其主要性能指标与西方国家同类产品相比仍有较大差距，成为我国光纤陀螺等相关产业发展的一个重要瓶颈。国内向均匀性差、偏振温度稳定性差和光纤强度差等问题，一直是我国光纤传感器技术及惯导技术发展的障碍。自20世纪70年代以来各国都在竞相研究和开发高性能的现在为止，熊猫型振保持特性优良、损耗较低等优点得到了广泛的开发和应用。目前， 国外已经研究出一系列的高性能P,用窗口630，850，980，1300，1400500振串音高达45dB300和1550131温度适应性的围环境的变化会对用于航空航天领域的光纤陀螺，要求温下光纤中产生压应力会导致光纤徽弯和模式偶合，使光纤的偏振性能恶化。因此，过选择耐环境温度变化的光纤涂层材料，优化光纤内涂层和外涂层的厚度比。以及调整光纤涂层厚度等措施可以提高。有研究表明，采用紫外光固化的聚酞亚胺缓冲涂层，可以承受一60一100振串音变化小于05dB外已经研究出高温度稳定性的6够在一40一85环境下承受200次循环试验，130000 m。采用有机硅树脂作徐层材料制成的以应用于作环境中。132组阵物玻璃光纤氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗中红外及远红外光纤，它是以系统为基体材料的多组分玻璃光纤，其最低损耗在25 u 10dB中继距离可达到1105于红外光纤传感器，工作波长为25 u m，模双折射为43101。氟化物促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展。133掺稀土德华本特研制的高增益高双折射光纤，芯层中杂浓度为1310“个得了36 双折射为1310一，偏振串音为一37 00 m料、并掺杂造的用于二次谐波发生器。133光子晶体前，国外已经开始了光子晶体用氧化硅一空气之间的折射率反差大，容易获得高双折射，研制出了保偏光子晶体光纤(随着光纤技术的飞速发展，光纤应用的领域不断扩大。特别是90年代以后，相关的光纤传感器的实用化提供了技术保障，随着电子信息技术的进步，光纤偏振器、光纤偏振偶合器、波分复用器、调制器和水听器等相干检侧器对调查报告表明，国内光纤传感器在整个传感器市场中的占有率仅为2，以蹦其是光纤陀螺(域对量轻、无机械运动部件、启动快、动态误差小、可靠性高和寿命长等优点。因此具有取代现有机械陀螺产品而大量使用的趋势。特别是3大战略武器：洲际导弹、远程轰炸机和核潜艇的制导，飞机和汽车的定位导航。机器的传感控制所需求的国防、基础研究及传感器领域的特种光纤研发的大量经验，开发出的特种光纤以其强劲实力占据国2000年亿美元，2002年就达到了50亿美元抽1。中国对中高低档精度的于货源供应极为有限，以及国外对我国保持封锁和禁运等手段，遏制了我国军用惯导技术的发展。由此可见，着世界新技术的飞速发展和新产品的不断开发，)采用光子晶体光纤新技术制造新型的高性能(2)开发温度适应性适应航空航天等领域环境的要求；(3)开发出各种掺稀土足光放大器等器件应用的需求；(4)开发氟化物进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展；(5)低衰减着单模光纤技术的不断完善，损耗、材料色散和波导色散已经不再是影响光纤通信的主要因素，单模光纤的偏振模色散(渐成为限制光纤通信质量的最严重的瓶颈，在了解决般都采取了对是及光源波长的轻徽扰动都非常敏感，会随时间发生随机变化。这些都给光纤通信系统的果低衰减的为高速传输系统中的6)利用克尔效应和法拉第旋光效应制造偏振光器件。14 本文主要研究内容和意义本文以压力法测量保偏光纤拍长L。，因为它原理简单，设计合理，精度高，且对光纤无破坏。基于光弹效应，当在光纤侧向作用一个压力时，将产生附加双折射，当改变压力位置时，输出偏振态随着改变，由此可测得拍长。保偏光纤不仅可以实现巨大容量的相干光通信，且可制成许多光纤传感器和光信息处理器，因此良好有效的测量保偏光纤的特性参数非常具有意义。在采用压力法测量时，要求输入线偏振光方向与被测光纤双折射轴一致(对轴输入)，即只激发一个偏振模。当光纤拍长较长或工作在多模情况时，这种测量难以进行。采用点耦合分析方法，测量时输入偏振光不要求对轴，而只要调整检偏器的方向，得到很好的结果。第二章保偏光纤原理与特性参数21光纤的传输原理与特性211光纤传输的射线理论几何光学分析法又称为射线理论方法，它是基于这样一种观点，在满足光波的波长要远小于光线的横向尺寸的条件下，近似地认为光波的波长为零(于是光的衍射现象就可以忽略，光的发射角可近似认为零。这样就可以将光看成一条射线，从而运用几何光学方法简单直观的对光波在光纤中传播、反射、折射等现象进行分析和研究。 ，我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图21所示：匿21光的反射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律有：，ll 雄2 中，弹。为纤芯的折射率，靠：为包层的折射率。显然，若埠，蚪：，则会有0：，p，。弗：的比值增大到一定程度，则会使折射角e：己90*，此时的折射光纤线不再进入薄层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过(六一90。时)，或者重返回到纤芯中进行传播(六三90。时)。这中现象叫做光的全反射现象，如图22所示：全反射现象是光纤传输的基础，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯进行传播，没有跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的损耗22光的全反射现象1光在阶跃光纤中的传播按照折射率分布情况光纤可分为阶跃光纤和渐变光纤。由于阶跃光纤的折射率的变化是阶跃的，因此纤芯和包层间有严格的边界。光在阶跃光纤中的传播轨迹“2如图23所示：骶 通常用入射光与光纤顶端的夹角0，来衡量光纤接收光的能力，于是就产生了数值孔径(概念”1。数值孔径定义为：朋t (21)因为光在空气中的折射率栉。；1， 于是由折射定律可得一lt1 0。一吼)，为保证光在光纤中的全反射，应有见。为全反射临界角吼是有：00也h。一厢=删 眨z，光纤通信技术并不是根据纤芯和包层的折射率本身来工作，两是依靠两者的差值，将差值定义为：1一咒2 (23)被称为相对折射率，其定义如下：10=n (24)其中，n；(n。+，l：)2。由此可以推到出数值孔径的另一个公式“”： 。瓶；网；(纽所以厄 (25)反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率“”。光纤的然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为其相对折射率差也就越大，从而使光纤的传输容量变小“。因此建议18024)O02，我国一般取2O02。数值孔径是一个小于1的无量纲的数。2光在渐变光纤中的传播渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的“”。假设光纤是由许多同轴的均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，如图24所示：堙二光在渐变光纤中传播的定性解释即，ll2，珂13，12。由折射定律知，若，则有82，p。这样光在每二层的分界面皆会产生折射现象“”。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光则又逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由许多许多线段组成的正弦波。可表示为：)其中，定常数口，为纤芯半径(26)为相对折射率差面为初始相位，待定常数于是，以不同角度入社的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似聚焦状，如图25所示”1： 彦庐式m一乡。乡图25光在渐变光纤中的传播轨迹2I2光纤传输的波动理论当光纤的尺寸与光的波长相当时，用几何光学分析法分析光纤中光的特性便受到了限制，这时需要用波动理论分析法，波动理论分析法是基于电磁场理论，在麦克斯韦方程的基础上，运用光纤纤芯与包层分界面的边界条件，导出光纤中光场的分布形式，得到光在光纤中的传播特性。 本论文主要用到阶跃式光纤，下面主要介绍阶跃光纤的模式理论，对于圆柱形光纤我们采用圆柱坐标系，如图26所示：圆柱坐标系在圆柱坐标系中用纵向场E：、H：分量表示的横向场E，、E，、日，、H。分量“”弘一南(哮+等等) ，园r乞一南等等一掣警) 他s，即一南(卢等一等等) 眩。，卟一寿(等一雠引 式中七；丽一甜1，；缸肛为自由空间的波数；。；栉为介质的折射率“。均匀波导中纵向场E：、日：的亥姆霍兹(程为：E：一0 (211)+膏2H：一0 (212)在圆柱坐标系中只有在圆柱坐标系中纵向场E：、H：的波动方程表示为：磐+堕+丢等+等城20r r Or r 以：-。 汜m|a2 。要罐(214) a2 式中忍：。先令 ， ：r，妒，z=。R(r知)z(z) (215)日：r，妒，z)=丑。月(，(妒)z(z) (216)z)表示导波沿光纤轴向的变化规律为行波，用表示其传播的相位常数，则z(z)=217)妒(妒)表示沿9：周方向)的变化规律应是以扳为周期的函数，则矿(妒)一行一0,1,2， (218)由式(213)至(217)可得：掣七掣+卜产卦m。 咖2 r 2 J上式是在特定的边界条件下求解R(r)的贝塞尔(程“1，通过此式可求出阶跃光纤的模式情况。图27为第一类。和第二类1)解的形式：在纤芯中(r 托；，l，。对于传输导模，在纤芯中沿径向呈驻波分布，应满足七知?一0的条件，其解应取振荡形式：月(，)：，。嘛)+匕慵再万r)，s n (220)式中，Jm r)和)分别为曲线如图2。K、。一：!Ym(r)10501(a)一彩沁：乃忒 。州：心k7(b)图27(a)第一类b)第二类0时，匕(o)为无穷大，而在这一点实际的光场分量应为有限值，所以这个解应该舍去。在包层里(，a)，埠一n：。对于传输导模，在包层里场分量应迅速衰减，因此，应满足芦2一。2”；，0的条件。其解的形式“”为： R(，)：，。(r)+K。(r)r，n(221)式中，j。(r)和K。(r)分别表示第一类和第二类虚宗量的曲线如图28所示：I。(f)302010。仁善l?j： czw t 0时，K。(指数增加趋势，表明场不能被约束在纤芯内，即出现辐射模，纤芯内的场被截止，包层中的场则为振荡型，光能从径向辐射出去。c)结合参量“和W，来定义光纤的重要结构参量一光纤的归一化频率y：矿t厨=是决定这光纤中的模式数量的重要参数仞1，与波导尺寸(纤芯d)和真空中的波数成正比。由此可以得出到模的传输条件，为了得到纤芯里振荡、包层里迅速衰减的解的形式，必须满足：女；H；一72，n；，0 (226)因此，导模的传输常数的取值范围是：卢盯口(228)(229)其中彳、用(29)(212)式表示的横向场方程式，可以求出E。和。分量为：玎一口H。=(230)(231)利用光纤的边界条件确定光纤中导波的特性，在纤芯和包层的边界上，电磁场的切向方向连续，即在纤芯和包层界面(，一口)上E，和H，也应该连续，于是可得到特征方程为：础+瑞憾端+瑞】 仫。：，一2陟+部壶+吉)对于通信中所用到的弱波导光纤，玎，一n：，上式可简化为： 、【端+端卜肌(砉+吉) 汜式即为弱导光纤的特征方程。式中“”表示方程有两组解，取“正号”时为一组解，对应的模式为“负号”酐t：应的模式为22保偏光纤的参数、原理及应用：221保偏光纤的原理理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性，因而所传输的基模，是两正交模式的二重简并模态。在实际的光纤中，由于缺陷的存在，这种二重简并被破坏，从而引起模态双折射。为了在标准单模光纤中维持模的偏振，就需要将双折射引入到光17纤中，使。和两模式的有效折射率不同，两正交模的传播常数卢。与卢。差别增大，两模式耦合几率减小。如果光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振，那么光将维持其偏振态在光纤中进行传输。如果在沿着光纤传输时，光在其它角度被线性偏振，偏振态将发生变化，从线性到椭圆到线性，再到椭圆并再次返回到线性，具有通常所说的差拍周期长度种变化是模的正交分量间的相位差的结果，相差由它们的传输常数之间的差别产生。差拍长度越短，光纤对偏振的不规则性效应就越具有弹性，光纤对线性偏振光的偏振保持能力就越强。保偏光纤中双折射产生原因：从产生的机理来看，双折射主要分为3类曲：(1)形状双折射：电介质材料几何形状的各向异性。导致材料的介电常数(r)和材料的导磁率(r)的各向异性，将引起材料折射率n(r)的各向异性。(2)应力双折射：主要指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力，材料在受到应力引起材料折射率的变化即弹光效应而产生双折射。(3)外界电磁场引起的双折射：横向电场在光纤中引起的克尔(应会产生线双折射，纵向磁场在光纤中引起的法拉第效应会产生圆双折射。222保偏光纤的结构及其制造技术猫型、蝴蝶结结型、椭圆包层套层纤芯型、扁平包层型、边槽型边隧道型、扭转型和旋光纤等。几何型波导结构的隧道型以及哑铃纤芯型等相继被淘汰。应力感应型熊猫型、蝴蝶结型、椭圆纤芯及椭圆包层型和椭圆套层发展较快。气相腐蚀法、钻孔插棒法、研磨法、光刻腐蚀法、减压缩棒法、预制棒变形法等。管套棒法是将7根预制棒集聚成一束插入石英套管中。中心为芯棒，两边为一对对称的掺铝或硼的石英棒，其余4根为对称石英棒。然后拉丝制造成图29所示的蝴蝶结型29熔缩形成蝴蝶结型钻孔插棒法是在单模光纤预制棒包层的一条直径上加工一对对称的孔，并将孔的内表面加工处理使其光洁度和清洁度达到要求。然后将一对应力棒插入对称孔中。加热使其应力棒与单模棒熔接为一体，经过拉丝后即成为熊猫型大地提高了加工精度，相腐蚀法(见图210212)都是采用改进化学气相沉积(艺技术。首先沉积几层氟磷缓冲层，再沉积一定层数的掺杂硼硅酸盐玻璃(如图210)，然后沿着石英管两侧局部加热，同时向管内通入含氟气体，使石英管被加热部分内壁的硼硅酸盐层腐蚀(如图211)；然后再沉积包层，最后沉积掺锗的芯层(如图212)，经过熔缩成棒后形成如图29所示横截面的高双折射光纤预制棒。经过拉丝，形成蝴蝶结型沉积掺杂三氧化二氟玻璃 气相腐蚀 沉积芯层图210 图211 图212预制捧粉末外包技术为前采用气相轴向沉积(艺，利用双喷灯沿着应力棒两侧对称地外包上石英包层，然后经过脱水烧结，制造出透明的工艺技术的采用不仅省去了繁琐的机械加工工艺，而且可以设计和制造不同结构的保偏预制棒，时，外喷技术避免了机械加工造成的杂质污染和预制棒表面损伤提高了光纤强度；粉末(制捧经过脱水烧结后，降低了光纤的衰减，采用该技术可以制造出强度好、衰减小的高质量的23保偏光纤的特性参数1消光比首先，对于任何一个传输偏振光的光纤系统，消光比是一个必要的参数。消光比是度量偏振相关器件(如保偏光纤、保偏光纤祸合器、偏振器)保持偏振态稳定性能的指标。当一束线偏振光精确地沿保偏器件某一光轴入射时。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。消光比的测试方法如下：沿被测器件输入端的慢轴(或主轴)注入线偏振光，测量输出端正交方向的输出功率P，(慢轴)，轴)。可得器件的消光比指标：目。一10 (234)19其基本形式no，征偏振矢量)，7表明当前偏振光的偏振方向按保偏光纤的模振动方向注入时，在出射端出现了模向。这说明光传输过程中偏振态发生了变化，产生模耦合，形成一种合成复杂的偏振光。大偏振保持能力强，同时也说明两本征偏振模之间能量耦合情况。对光纤陀螺偏振元器件来说，如保偏光纤线圈，7量不仅反映本征偏振态之间的耦合。更重要的是反映了光纤陀螺由偏振噪声产生的输出非互易相移或噪声，即中；nb J 77此量与输出的旋转角速度成正比，这正是光纤陀螺系统需尽力避免的。因此，为提高系统的信噪比，提高光纤器件的消光比减小偏振噪声是一个重要方面。2拍长保偏光纤最重要的一个特性参数是拍长，拍长是指两正交偏振模的相位差达2石时的光纤长度，它是表征光纤双折射程度的一个非常客观的参数，用不同的方法测出的拍长具有可比性。许多资料介绍了拍长测试的一些常见方法，如：偏振横向散射法，偏振光时域反射计法，扭转法，压力法，压力调制法，光弹性调制法、电磁法和剪断法等，另外国外一些文献还介绍到可以采用色散雷达法、光频域反射计法和声光陷波滤波法等来测试拍长“。对一般的单模光纤来说：成，卢。分别是两个基模(本征矢)的传愉常数，且它们的值相等。但对于不断受外界场影响的单模光纤传感系统来说，芦；，卢，在光纤中不同位置都可能随时问变化，这使得展一卢，。这样本征偏振光的传输就不能达到一致，它们所形成的合成偏振矢量就不稳定。因此为避免这种情况的发生，在光纤拉制工艺中采用增大光纤本征双折射芦=(多，一多，)，使得外场对光纤双折射的影响相对减小。当入射线偏振光在双折射光纤的主轴上传输时，偏振状态就可一直保持着，而如以任意方向入射时，两线本征偏振态将以固定的传播常数差卢传输，其合成光偏振状态沿光纤长度方向呈周期性变化，周期L。称光纤拍长，拍长L。与光纤双折射有以下关系：L s=2玎A (2，35)光纤双折射愈强，拍长就越短。如光纤拍长小于一般的外场干扰周期，则这种光纤就能提供单偏振传输的条件。可见，拍长概念能较好地描写光偏振传输时状态变化，而消光比则对传输后的偏振状态有一较好的描述。短拍长光纤陀螺系统保证单偏振光稳定的传输，从而获得稳定的干涉信号输出。因此拍长测试是保偏振光纤测试重要组成部分。3偏振度偏振度是理论上的概念，是表明光干涉分辨率的量度。实验中，当一线偏振光注入光纤系统后，出端的偏振态用偏振度来评判是种较为方便的表示，t(Imb f)(m f) (236)m，分别是光纤出射光经检偏后的最大和最小光强。实验中一种新的拍长测量方法就是基于测量偏振度参量进行的。实际上，当=0时，出射光为圆偏光；=1时，为线偏光；其它情况为椭圆光或部分偏振光嘲。在保偏光纤的测量时，入射线偏振光以任意角度p2注入到光纤的主轴时，输出光的偏振态是一种复杂的形态，其偏振度为：。(口一 0 0y“ (237)实际上，经精确光轴对准，线偏光将以45。角注入到光纤主轴，上式则简化为：-I 芦Z I (238)此式代表了在保偏光纤中的偏振态随光纤长度变化的一种简化模式。23保偏光纤的分类及测量方法231保偏光纤的分类保偏光纤根据双折射可以分为高双折射和低双折射两种类型；也可以按照双折射产生的原因分为应力效应双折射和几何形变效应型双折射。在实际的应用中并没有明确的区分出低双折射(高双折射(偏光纤。通常以普通单模光纤的双折射B=101104作为区分高双折射(是低双折射(偏光纤的标准。1高双折射保偏光纤在高双折射光纤中，双折射两种类型的高双折射光纤：双偏振态光纤和单一偏振态光纤。单一偏振态保偏光纤利用本征模间不同的弯曲损耗差异可以实现，目前采用的型式有：领结型、扁平型和熊猫型光纤。单一偏振态保偏光纤具有特殊的传输串扰特性，当其长度超过200米以后，传输串扰基本上为一常数：30偏振态高双折射光纤由于模式间的随机耦合，其串扰随着长度而下降“”。目前产生高双折射的最可取方法是强内应力法和几何形变法。强内应力法即在光纤芯的芯施加强内应力，而产生折射率差B。因应力区形状不同，这类光纾分为椭圆套层式、熊猫式和颁结式三种。通过在光纤芯径周围设置应力区，此类光纤展现出较好的性能参数：低损耗、低串扰。在熊猫型光纤中双折射可以达到85X 10。5。从13的大小看，领结式结构最佳，熊猫式结构次之。熊猫保偏光纤在光纤包层通过掺杂特种石英玻璃(掺硼或掺锗等)，在光纤芯径周边形成了高内应力区，使光纤内部在不同的方向形成不同的折射率，达到了21高双折射效果，以实现保偏特性。熊猫光纤的抗抵外界的随机干扰和本征的随机干扰最为有效。当种干扰耦合系数也剧烈下降，趋近一个很小的稳定值，同时反映了光纤保偏能力越强。几何形变法即利用特种工艺改变光纤的芯径和包层的形状，使其在现折射率差，目前有矩形保偏光纤和椭圆形保偏光纤。在椭圆型保偏光纤中已可以达到84于较大的双折射差和光纤芯径的形状误差，此类型保偏光纤具有较高的光学损耗。扁矩形保偏光纤利用椭圆应力包层产生双折射，因而比一般高双折射光纤更具有主铀方向容易确定和抗外界干扰能力强的优点。这种光纤是多层的，而且包层形状为椭圆。椭圆应力包层(内包层)的存在使得内外包层的热膨胀系数不同，产生了折射率分布的各向异性，这一各向异性在纤芯和内包层中是一样的。2低双折射保偏光纤在低双折射保偏光纤中，目前有三种类型：圆形芯径光纤；基于几何形变的旋转型保偏光纤；基于应力的扭曲型保偏光纤341折射可以达到4310-。232保偏光纤的参数测量由于在单模保偏光纤中，两本征轴方向线偏振模的传播速度不同，所以会产生差拍现象。习惯上用L，表示差拍的拍长，其物理意义是：拍长等于使两正交偏振模的相位差达2时的光纤长度。根据=入为已知光的波长，只要测出拍长后，就可以求出B，这种测量方法称为拍长法。拍长法是目前测量双折射的最主要的方法。测量拍长的方法可以分为两大类：第一类是通过观测入射到光纤中的横向或后向散射光实现的；第二类是通过测量传输光实现的。而后者是测量拍长的主要方法。这类方法几乎都是通过在光纤外部加一个已知的扰动(分布的或集中的)来改变光纤的固有双折射，通过测量输出光的偏振态(扰动的变化，从而求出前主要方法有：散射法、转法、压力法、压力调制法、光弹性调制法、电磁法、剪断法啡1等。1散射法散射法是通过探测光纤中横向和后向瑞利散射光进行光纤参数测量的方法。偏振横向散射法测拍长是历史上最早用来测量拍长的方法。测量时将一段待测光纤固定在装有匹配液的槽中，用圆偏振光入射，等同激励两个正交偏振模根据偶极子沿振动方向辐射为零的原理，在与双折射本征轴成45。角的方位上观测，可找出一系列辐射为零的点，可直接测量出拍长L，“1。这种方法的优点是直观、方便，其缺点是只适用于可见光范围，而且要求光源很强(10偏振光时域反射计(在光时域反射计的基础上改进而成的。它可以直接显示出偏振态沿光纤的展开，只要测出振荡信号的周期，就可以求出扭转法扭转法在待测光纤上施加一个可控制的扭转作为分布扰动(用方位角确定扭转量)，当线偏振