保偏(PM)光纤教程

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偏振的介绍

当光通过空间中一点时，振动电场的方向和振幅随着时间沿着一条路径前行。在一个横剖面（一个垂直于前进方向的平面）上彼此之间成直角的电磁场矢量表示偏振光波信号。按照在横剖面上跟踪得出的图案，使用电场矢量作为时间的函数来定义偏振。 偏振可以分为线性、椭圆或者圆形偏振，在其中线性偏振是最简单的一种。无论哪一种偏振都是光导纤维传输中的一个问题。

无论哪一种无线电通讯和光纤测量系统都是指能够分析两种光波之间干涉的设备。我们不能使用干涉所给出的信息，除非组合的振幅随着时间的流逝保持稳定，这也就是说，光波处于相同的偏振状态。在这种情况下有必要使用能够传输偏振稳定状态的光纤。所以为了解决这个问题开发了能够保持偏振的光纤。（将在下文中将保偏光纤简称为PM光纤。）

什么是PM光纤？

在光纤当中的光偏振扩散逐步变得不可控制（这主要取决于波长），这也取决于光纤的任何弯曲程度以及温度状态。因此需要特殊的光纤来达到所需要的光学性能，这些光学性能在光穿过光纤时会受到偏振的影响。像光纤干涉仪和传感器，光纤激光器，和电光电调制器之类的许多系统也会有偏振相关损耗，影响系统的性能。通过使用名为PM光纤的特殊光纤，这一问题能够得到解决。

PM光纤的原理

假设发射进入光纤的光偏振与双折射轴线中的一根同轴，那么即使光纤被弯曲的话，也会保持这种偏振状态。按照一致振型耦合的原理可以理解这种现象后面的物理原理。因为存在强烈的双折射现象，这两种偏振模式的传播常数不同，因此这种涉及模式的相对相会出现快速的漂移。因此，只要任何沿着光线的干扰具有有效的空间傅里叶分量（并且具有与两种偏振模式的传播常数之间差异相配的波数），都可以有效的与两种模式匹配。如果这种差异足够大，那么在光线当中的常规干扰也会逐渐缓慢的变化，能够实现有效的振型耦合。因此PM光纤的原理使得差异足够大。

在最常用的光纤长途通信应用领域当中，PM光纤用于将光线从一个地方到另一个地方导入线性极化的状态。为了实现该结果，必须满足几个条件。输入光纤必须高度极化以避免发射慢轴和快轴两种模式，在这两种状态中输出偏振状态是不可预知的。

由于同样的原因，输入光纤的电场必须准精确地对准一根光纤的主轴（在工业惯例当中通常情况下是慢轴）。如果PM光纤路径光缆由光纤连接器连接的分段光纤组成或者是拼接的接头组成，配合的光纤旋转定位则是一个非常关键的问题。此外，必须在PM光纤上安装连接器，而且在安装连接器的过程当中，所产生的内应力不会导致电场投影在光纤上不使用的光轴上。

PM光纤的应用

PM光纤应用于不允许出现偏振态漂移的领域中，例如温度的变化。这样的例子是光纤干涉仪以及一些光纤激光器。使用这样的光纤的缺点是，通常情况下需要精确定位偏振的方向，这样就会出现更多的麻烦。与此同时传播损失也要比标准的光纤高，而且很难将所有类型的光纤都保持在偏振保留形态。

PM光纤用于特殊应用领域，例如光纤传感应用、干涉量度学和量子密钥分发方面。也常用于远距离通讯上的激光发生器和调制器之间的连接，因为调制器要求使用偏振光作为输入。很少用于远距离传输，因为PM光纤非常昂贵，并且与单模光纤相比衰减更高。

使用PM光纤的要求

终端：当PM光纤的终端是光纤连接器时，把应力竿与连接器相连是非常重要的事项，通常情况下是与连接器的键连接。

拼接：在拼接PM光纤也应当非常仔细。当熔合光纤时，X、Y、Z轴都应当很好的定位，并且转动定位也必须良好，这样才能够精确定位应力杆。

另外一个要求则是在光纤末端处的入射条件必须与光纤横截面的横向主轴的方向一致。