光譜帶寬對單偏振光纖消光比的影響

高亞明，馮 光，李昌峰，羅瑞芳，韓志輝

（中國電子科技集團公司 第46研究所，天津 300220）

光譜帶寬對單偏振光纖消光比的影響

高亞明，馮 光，李昌峰，羅瑞芳，韓志輝

（中國電子科技集團公司 第46研究所，天津 300220）

消光比是表征單偏振光纖偏振性能好壞的特征參數之一，影響它的因素有很多，如光譜帶寬。結合熊貓型單偏振光纖的測量，搭建了雙軸光譜帶寬測量系統，通過對單偏振光纖的光譜帶寬、消光比參數的大量測量和分析，找到了光譜帶寬對消光比參數影響的原因。結論是單偏振光纖的工作波長要遠離光譜帶寬的下限位置，即HE11y模式的截止損耗峰，另外，要求HE11y模式的截止損耗要陡峭，這樣才能保證單偏振光纖具有高消光比特性。

單偏振光纖；絕對單模光纖；光纖起偏器；光纖檢偏器；光纖傳感器

單偏振光纖的應用領域是高質量大功率激光子信號傳輸、高功率光纖激光器、超高壓電流傳感和光纖陀螺等[1-3]，由于利用了光纖波導的固有特性起偏，所以較以往出現的其它種類的光纖起偏器具有明顯的價格、可靠性和穩定性優勢[4]，適于規模生產。

盡管保偏光纖被廣泛的應用于偏振光傳輸，但其波導具有讓兩個相互垂直偏振的簡并基模同時傳輸的能力，其本質與通信單模光纖是一樣的，只是有兩個相互垂直的光學軸，是一種特殊的單模光纖[5]。單偏振光纖波導只支持簡并基模中的 HE11x模式傳輸，而與其垂直的 HE11y模式由于高輻射損耗而截止，從這個意義上講，它與通信單模和保偏光纖都不同，是一種特殊的單模光纖，通常被叫做絕對單模光纖。單偏振光纖的最大特點是可以將輸入的圓偏振光直接轉化為線偏振光輸出，沒有偏振模色散效應，所傳輸的偏振光狀態對外界強干擾不敏感[6]。

單偏振光纖的特征參數之一是消光比，由于單偏振光波導不允許Y向偏振模式的傳輸，所以相較于保偏光纖的串音參數不同，它的偏振表征參數只能用消光比。影響單偏振光纖消光比的因素很多，其中光譜帶寬相對于工作波長的位置是一個重要參數[7]。

1 實 驗

我們用一根熊貓型單偏振光纖預制件拉制了25 km單偏振光纖，截選了四根光纖樣品進行測試，長度都是4 m，測試系統見圖1所示。在測試中應注意的一點是要調節光起偏器，使輸出的偏振光分別與單偏振光纖的兩個光軸平行，分別測量其輸出的光譜曲線。

圖2是雙軸法測量單偏振光纖光注入與輸出示意圖，在光譜帶寬范圍內只有X軸向偏振光輸出，Y軸向偏振光由于是輻射模而不能傳輸。

圖 3(a)～(d)是四根單偏振光纖光譜帶寬的測試圖，每張圖中兩條選取豎線間的距離就是光譜帶寬，它們分別相交于兩個簡并基模 HE11x和 HE11y的截止損耗曲線上的一點，與HE11x模的交點對應損耗值是1 dB，與HE11y模的交點對應損耗值是20 dB。四張圖中的光譜帶寬窗口相對于工作波長1053 nm是逐次向短波長方向移動的，這主要是由于光纖制作工藝的誤差和波動造成的。具體講有以下幾個原因：一是在單偏振光纖用單模光纖預制件的制作過程中，由于MCVD玻璃機床的系統性問題，單模光纖預制件的芯徑和數值孔徑是有一定波動范圍的；二是在機械打孔和研磨加工過程中，由于加工誤差的引入，最終應力施加單元的應力施加誤差會造成纖芯沿長度方向形變不同；三是在拉絲過程中，光纖絲徑的波動造成纖芯的直徑產生波動，同時會帶來不同的纖芯變形問題等。

圖1 單偏振光纖光譜測試系統示意圖Fig.1 Schematic of single polarization fiber spectrum measurement system

圖2 雙軸法測量單偏振光纖光注入與輸出示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fiber injection and output with single polarization

圖3 單偏振光纖中光譜帶寬向短波長移動Fig.3 Spectral bandwidth of single polarization fiber moves to short wavelength

2 實驗結果與討論

產生單偏振光纖光譜帶寬的原因是由于纖芯受到應力施加造成的，它使得纖芯沿X和Y方向的有效折射率產生了差異[8]，X方向的有效折射率提高了δn，圖4是其折射率變化的示意圖，圖5是其折射率變化的實測圖，光纖結構是橢圓包層形。應力引入的 δn使得兩個簡并基模HE11x和HE11y的截止波長λCX、λCY產生了分裂[9]，由公式(1)和(2)分別計算它們的截止波長。正是由于這一分裂，為光纖具有單偏振特性打下了基礎，產生了單偏振光纖的光譜帶寬。

式中：a為光纖半徑；n1為光纖芯部折射率；n2為光纖包層折射率；Vcx為 HE11x模式歸一化頻率；Vcy為HE11y模式歸一化頻率。

單偏振光纖的消光比參數定義為η= -10lg(px/py)，它是單偏振光纖性能好壞的表征之一，消光比公式可以化簡為式(3)。

從公式(3)可以看出，單偏振光纖的消光比η主要與 HE11y模式的損耗有關，αy越大，光纖的消光比越大，這與我們在圖3中的四根單偏振光纖樣品的情況是一致的，我們測量得到這四根單偏振光纖的消光比分別是9 dB / 4 m、33.6 dB / 4 m、33.6 dB / 4 m、33.9 dB / 4 m。這一試驗結果證明，窗口內的消光比η變化不大，其原因是由于 HE11y模式的截止損耗隨波長迅速增加，HE11y模式所攜帶的能量在一個較短的波長范圍內就消耗殆盡造成的。隨著光譜帶寬窗口進一步向短波長方向移動，光譜帶寬內的αy呈現無窮大，其實已經不存在了，所以圖3中后三張圖情況所對應的單偏振光纖的消光比基本是相同的。

圖4 應力施加造成單偏振光纖芯區折射率變化示意圖Fig. 4 Variation of refractive index of single polarization fiber core caused by stress

圖5 應力施加造成單偏振光纖芯區折射率變化測試圖Fig.5 Test pattern of the change of refractive index of single polarization fiber core caused by stress

式中：h為雙折射光纖的h參數；δz為單偏振光纖芯部兩個簡并基模 HE11x和 HE11y的有效折射率差；αx和αy分別為兩個簡并基模的損耗；z為光纖長度。

圖6和圖7是一文獻中報道的試驗結果，光纖是橢圓包層應力施加W型單模單偏振光纖，圖6中表示出其光譜帶寬窗口在615～640 nm區間，消光比大于等于20 dB，導模損耗小于1dB。圖7中分別表示出簡并基模HE11x（X偏振模）和HE11y（Y偏振模）輸出光功率Px和Py隨波長的變化情況[10]。把圖6與圖3比較可以看出，圖3中單偏振光纖截止損耗曲線上升陡峭，而圖6中的情況是αy上升緩慢，根據公式(3)可知圖6中光纖的消光比必然小。從圖7中也可以得出同樣的結論，在低于640 nm波長區間，Px基本上是恒定常數，而Py在615 nm處沿短波長方向逐漸升高，其消光比會逐漸減小。由此可知，光譜帶寬對單偏振光纖消光比的影響取決于兩個因素，一個是光譜帶寬窗口相對于工作波長的位置，另一個是損耗αy隨著波長的變化是否劇烈。

圖6 W凹陷型單偏振光纖中截止基模的損耗系數α與波長的關系，歸一化單位是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

圖7 W凹陷型單偏振光纖功率輸出與波長的關系Fig.7 Relationship between output power and wavelength of single polarization fiber with W depression type

3 結 論

影響單偏振光纖消光比的因素很多，其中光譜帶寬是重要的因素之一。要制作高性能的單偏振光纖，一方面光譜帶寬不僅要被充分的打開，而且還要穩定在設計的位置上，使得工作波長處于窗口中，另一方面HE11y模式的截止損耗αy隨著波長的變化要劇烈。否則，由于光譜帶寬的偏離或αy隨著波長的變化平緩，會嚴重影響單偏振光纖的性能，甚至使其失去單偏振特性。

（References）：

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[3] 李亞嵐, 寧提綱, 溫曉東, 等. 單偏振光纖激光器的研究進展[J]. 光纖與電纜及其應用技術, 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] 高亞明, 馮光, 劉永建, 等. 熊貓型單偏振光纖[J]. 激光與紅外, 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.

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[10] 季敏寧, 宮愛玲, 張永安. W型單模單偏振光纖截止基模的能量損耗[J]. 光學學報, 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

天津自然科學基金（16YFZCgx00370）

高亞明（1960—），男，教授級高級工程師，從事特種光纖研究。E-mail: gaoym46@126.com