在光纖通信和傳感領域，保偏光纖因其能夠維持光的偏振狀態而受到重視。本文將探討保偏光纖的類型以及影響其消光比的關鍵因素。

什么是保偏光纖
了解保偏光纖之前，我們先看看什么是偏振特性。
偏振是橫波的一種屬性，指橫波在與其傳播方向垂直的平面內沿著某一特定方向振蕩的性質。光是一種電磁波，以橫波方式傳播，其電場與磁場都垂直于其傳播方向。
通常，光的偏振方向是指其電場的振蕩方向。光的偏振存在3種偏振態：完全偏振、部分偏振和完全非偏振。其中完全偏振光又可分為3類：當其振蕩軌跡為直線時，即只沿確定的方向振蕩，稱為線偏振光；當其振蕩軌跡為一橢圓時，稱為橢圓偏振光；當其振蕩軌跡為一圓形時，稱為圓偏振光。
自然光屬于完全非偏振光，可看作所有方向上線偏振光的集合，并能轉化為偏振光。例如，當自然光以特定角度入射兩種不同介質的分界面時，其反射光為線偏振光，透射光為部分偏振光，這個特定角度就是布儒斯特角，又叫起偏角，此時其對應的反射光和透射光夾角為90°。自然光和完全偏振光的疊加，即為部分偏振光。

保偏光纖的類型
保偏光纖種類很多，根據雙折射的大小，可以分成高雙折射光纖（雙折射系數B~10-4）和低雙折射光纖（B~10-7-10-9）。根據雙折射現象的產生機理分類，可以分成結構雙折射和應力雙折射。

具體類型的保偏光纖
PANDA型：這是最常見的保偏光纖類型，其內部結構由兩個高折射率的硼硅玻璃“熊貓”構成，具有較好的偏振保持性能和穩定性。
ELLIPTICAL型：這種類型的保偏光纖通過改變纖芯形狀的不對稱性增加光纖的雙折射。
BOW-TIE型：這種類型的保偏光纖也是通過特殊的結構設計來實現雙折射。
橢圓芯光纖：通過纖芯的橢圓度來增加雙折射。
橢圓空芯光纖：在1550 nm處可以獲得較高的雙折射。
橢圓包層型保偏光纖：通過纖芯處的應力雙折射約為10-4。
類矩形保偏光纖：應力誘導的雙折射達到了3.98×10-4。

偏振消光比的影響因素
偏振消光比（Polarization Extinction Ratio, PER）是衡量保偏光纖保持偏振態能力的一個重要參數，它定義為兩個正交偏振態之間的最大光強比。影響偏振消光比的因素有很多，以下是一些主要的影響因素。雙折射（Birefringence） ：雙折射是保偏光纖中兩個正交偏振態之間折射率的差異。雙折射越大，兩個偏振態之間的差異越明顯， PER越高。雙折射的大小直接影響偏振態的分離程度。在保偏光纖中，當線偏振光沿光纖的一個特征軸傳輸時，部分光信號可能會耦合進入另一個與之垂直的特征軸，這會導致出射偏振光信號的 PER下降，影響雙折射效應。
光纖長度：光纖長度對 PER的影響是復雜的，涉及到光的傳播特性、雙折射效應、環境條件以及光纖的物理特性等多個因素。在實際應用中，需要綜合考慮這些因素，以確保保偏光纖能夠維持所需的偏振消光比。
溫度變化：溫度的升高會導致光纖材料的折射率變化，影響雙折射特性，從而影響消光比。在某些情況下，溫度變化引起的熱應力也可能導致光纖結構的微小變化，進而影響消光比。
應力變化：外部應力，如機械壓力或溫度梯度，可以引起光纖內部的應力分布變化，進而改變雙折射特性，影響PER。
光纖材料 ：不同材料的熱光系數和折射率差異會影響雙折射。某些材料在溫度變化下折射率變化較大，這會影響PER。
光纖內部結構缺陷： 保偏光纖在拉制過程中，由于光纖內部產生的結構缺陷會造成保偏性能的下降，即當線偏振光沿光纖的一個特征軸傳輸時，部分光信號會耦合進入另一個與之垂直的特征軸，最終造成出射偏振光信號偏振消光比的下降。
光纖的連接和耦合 ：光纖接頭和耦合器的偏振依賴性可能導致偏振態的變化，這會降低整個系統的PER。保偏光纖連接器的封裝技術和內部結構設計對消光比有顯著影響，改善封裝技術和元件內部結構設計可以提高消光比。
光源的偏振態：如果光源的偏振態不是完全線性或圓偏振，而是部分混合偏振態，那么在通過保偏光纖后，PER會降低。
光纖的彎曲和扭曲 ：光纖的彎曲和扭曲可以引起局部應力，改變雙折射特性，從而影響PER。彎曲半徑越小，影響越大。
光纖的老化和疲勞：長期受力或環境影響可能導致光纖材料性能退化，改變其雙折射特性，進而影響PER。
環境因素：濕度和化學腐蝕可以逐漸改變光纖材料的物理和化學特性，影響雙折射和PER。
為了確保高PER，需要在設計和制造保偏光纖時考慮這些因素，并在實際應用中采取適當的措施來控制這些影響因素，如使用溫度穩定的材料、優化光纖的幾何設計、確保光纖接頭和耦合器的偏振保持性能等。

消光比的評價及測量
理論上線偏光的能量完全集中于一個方向上，消光比無窮大；圓偏光的能量平均分布于兩正交方向上，消光比為0；橢圓偏振光，消光比介于0和無窮之間；非偏振光的消光比為0。實際上，40dB消光比已經相當高了，低偏光源的消光比一般小于0.5dB。

偏振消光比的測量方法
旋轉檢偏器法：這是一種常用的偏振消光比測量方法。假設檢偏器的消光比足夠高，遠大于光源的消光比并且可以連續旋轉。當檢偏器的主軸方向與輸入光的主偏振分量方向重合時，功率計探測到的功率最大；當起偏方向與偏振態主方向正交時，功率計探測到的功率最小。邦加球法：根據斯托克斯參量來間接計算偏振消光比。這種方法通過測量光束的不同“偏振含量”來獲取四個斯托克斯參數，從而得到任意激光束的偏振度、方位角和橢圓角。
自動測試方法：包括高消光比測試方法、自動測試方法、雙調制測試方法等。這些方法能夠更加精確地測量待測偏振片的消光比，適用于高精度測量需求。
消光比測試系統： 曲阜師范大學的李國華等人提出了高消光比測試系統，該系統采用兩只高精度偏光鏡組成標準起偏系統，通過連續旋轉待測偏振模塊并同步記錄透射光強的變化曲線，精確獲取主透射光強的極大值和極小值。系統采用伺服法來消除光源強度起伏的影響，并使用衰減測量法來避免檢測部分非線性引起的誤差。該系統能夠穩定可靠地測量不同偏光鏡的消光比，精度優于10-6。
減小偏振消光比差異的措施
優化寬波導和相移波導的長度：通過精確確定寬波導和相移波導的長度，可以調節馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）兩臂之間的雙折射和臂長差，從而提高偏振分束器（ PBS）的PER。這種方法可以通過實驗和理論計算來確定最優的波導長度，以實現高的PER。
改善封裝技術：永久性保偏光纖連接器內部結構：通過改善永久性保偏光纖連接器的內部結構，如光彈效應和插芯材料選擇，可以提高消光比。
熱固膠固化程序：研究和優化熱固膠的固化程序，以提高消光比。
改善元件內部結構設計：對保偏光纖連接器的內部結構進行設計改進，如調整耦合裸光纖的插芯細孔直徑、固定包層光纖長度等，可以提高消光比性能。
系統優化：在光學系統設計中，根據實際需求選擇合適的偏振片，并優化系統參數以提高消光比和整體性能。這可能包括調整光源的功率和偏振方向、優化光路布局等。

審核編輯 黃宇