江 嶺，趙浙明,3，李 杏，吳 波，密 楠

(1.寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院，紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211；2.浙江省光電探測(cè)材料及器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211；3.嘉興學(xué)院，南湖學(xué)院，嘉興 314001)

?

中遠(yuǎn)紅外保偏光纖研究進(jìn)展

江 嶺1,2，趙浙明1,2,3，李 杏1,2，吳 波1,2，密 楠1,2

王訓(xùn)四1,2，劉自軍1,2，戴世勛1,2，聶秋華1,2

(1.寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院，紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211；2.浙江省光電探測(cè)材料及器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211；3.嘉興學(xué)院，南湖學(xué)院，嘉興 314001)

保偏光纖是在單模光纖的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種特殊光纖，對(duì)線偏振光具有較強(qiáng)的偏振保持能力，這種特性使其被廣泛的應(yīng)用于光纖傳感、光纖偏振器及各種偏振相干檢測(cè)器等方面。非石英材料的使用將保偏光纖的透光范圍由可見(jiàn)和近紅外逐漸向中紅外以及遠(yuǎn)紅外擴(kuò)展，由于對(duì)中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的研究起步的較晚，目前仍存有以下問(wèn)題：(1)在中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳統(tǒng)保偏光纖理論和應(yīng)用亟待完善；(2)對(duì)于中遠(yuǎn)紅外高雙折射光子晶體保偏光纖的研究大部分都處于理論階段，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用。本文回顧了中遠(yuǎn)紅外保偏光纖研究歷程，然后總結(jié)了保偏光纖的偏振保持參數(shù)、分類(lèi)、制備方法及性能測(cè)試方法等，最后闡述了中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的應(yīng)用及目前面臨的主要問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

保偏光纖； 中遠(yuǎn)紅外； 光子晶體光纖； 高雙折射； 消光比

1 引 言

1979年，Kaminow等[1-3]提出了保偏光纖(PMF,Polarization Maintaining Fiber)的概念，通過(guò)在纖芯附近引入兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力區(qū)，從而增大了兩正交模之間的傳播常數(shù)差，使得模式耦合系數(shù)減小，形成了雙折射效應(yīng)。它的特殊性就在于對(duì)線偏振光具有較強(qiáng)的偏振保持能力，這種特性使得保偏光纖被廣泛的應(yīng)用于光纖傳感、光纖偏振器及各種偏振相干檢測(cè)器等方面，比如光纖陀螺[4]等。

由于對(duì)石英保偏光纖的研究已經(jīng)較為成熟，人們逐漸將研究材料轉(zhuǎn)向了非石英，這使得保偏光纖的透光范圍擴(kuò)展到了中遠(yuǎn)紅外。目前中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的研究主要包括氟化物、碲酸鹽以及硫系玻璃。氟化物玻璃是以HfF4-BaF2兩系統(tǒng)為基體材料的多組分玻璃，從紫外到中紅外具有極寬的透光范圍，無(wú)毒且具有較好的物理化學(xué)性質(zhì)，比氧化物玻璃具有低的聲子能量(約500 cm-1)，是當(dāng)前研究最多的超低損耗中遠(yuǎn)紅外光纖，它有可能在2.5～3.5 m范圍內(nèi)獲得損耗約為10-3dB/km的光纖，曾是最有希望取代石英玻璃光纖的超大波段通信光纖材料。碲酸鹽玻璃具有較寬的增益帶寬，聲子能量比較低(約750 cm-1)，折射率比較高(約2)，三階非線性光學(xué)性能十分的優(yōu)異(10～12 esu)，介電常數(shù)也比較高，抗腐蝕能力相對(duì)較好，稀土離子溶解性好，尤其是中紅外透過(guò)性能比較優(yōu)秀(透過(guò)范圍可以達(dá)到6 m)。硫系玻璃是指含有一種或多種非氧硫族元素(S、Se、Te)加上其他類(lèi)金屬元素(砷、銻、鍺等)形成的一種非氧化物玻璃[5]，它具有極寬的紅外透過(guò)范圍(依組份不同，其透過(guò)范圍從0.5～25 m)，較高的紅外光譜透過(guò)特性(透過(guò)率大于60%)，且是目前唯一一類(lèi)可實(shí)現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)紅外全波段低損耗傳輸?shù)墓鈱W(xué)玻璃。此外，硫系玻璃還具有極低的聲子能量(小于350 cm-1)，極高的折射率(2～3.5)，極高的非線性折射率系數(shù)n2(n2=2～20×10-18m2/W，是石英材料的100～1000倍[6])?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，使硫系玻璃成為紅外光譜學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的極佳光學(xué)材料。2010年德里理工大學(xué)的Dabas等[7]首次設(shè)計(jì)了一種新型高雙折射硫系A(chǔ)s2Se3光子晶體光纖用作保偏目的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的研究。2010年燕山大學(xué)的Zhang等[8]理論設(shè)計(jì)了一種用于傳輸中紅外的高雙折射多孔光纖。2011年燕山大學(xué)的王曉琰等[9]利用多極法理論研究了一種中紅外高雙折射As2Se3光子晶體光纖。2011年劉碩等[10]利用多極法基本理論研究了一種中紅外高保偏硫系玻璃雙芯光子晶體光纖。2012年燕山大學(xué)的Wang等[11]理論設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的硫系A(chǔ)s2Se3光子晶體光纖。同年，燕山大學(xué)的Liu等[12]利用有限元法分析了基于亞碲酸鹽雙芯光子晶體光纖的偏振分離器的特性，通過(guò)調(diào)整雙芯光子晶體光纖的橢圓度，可以得到高雙折射。2014年日本豐田工業(yè)大學(xué)的Deng等[13]利用白光干涉技術(shù)研究了一種高雙折射橢圓芯亞碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖的兩個(gè)正交模式的色散，并使用全矢量有限差分法計(jì)算了快軸慢軸的折射率以及相應(yīng)的拍長(zhǎng)與波長(zhǎng)的關(guān)系。隨后，2014年北京郵電大學(xué)的魏帥[14]設(shè)計(jì)了一種高雙折射高非線性亞碲酸鹽橢圓纖芯光子晶體光纖，利用全矢量有限元法研究了這種光纖的雙折射、非線性等特性。2015年印度喀拉拉大學(xué)的Luke等[15]設(shè)計(jì)并仿真了一種具有高橢圓度纖芯硫系光子晶體光纖，該光纖具有極高雙折射、低限制損耗等特性。表1匯總了近年來(lái)已報(bào)道的部分中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的模式雙折射，可以看出，在雙折射程度上大部分保偏光纖都已達(dá)到了10-2數(shù)量級(jí)。由于高雙折射光子晶體保偏光纖預(yù)制棒制備的復(fù)雜性，以至于有關(guān)中遠(yuǎn)紅外高雙折射光子晶體保偏光纖的報(bào)道大都只限于理論與仿真，而未加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 已報(bào)道的中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的模式雙折射

2 研究要點(diǎn)

2.1 工作原理

一般地，保偏光纖屬于一種特殊的單模光纖[16]，即光纖只能傳輸一種模式的光。理想的單模光纖在幾何結(jié)構(gòu)上具有良好的圓對(duì)稱(chēng)性，因而所傳輸?shù)幕P01是兩正交模式的二重簡(jiǎn)并模態(tài)(如圖1所示)[17]。在實(shí)際光纖中，由于缺陷的存在使得這種二重簡(jiǎn)并被破壞，從而引起了雙折射現(xiàn)象。本來(lái)這種雙折射現(xiàn)象影響了單模光纖的傳輸質(zhì)量，但是為了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中維持模的偏振或者產(chǎn)生更高的雙折射效應(yīng)，就需要人為地利用結(jié)構(gòu)缺陷或應(yīng)力將雙折射引入到光纖中，從而增大了LPx01和LPy01兩模式的有效折射率差，減小了兩模式的耦合效應(yīng)，從而具有了對(duì)線偏振光具有較強(qiáng)的偏振保持能力。

圖1 單模光纖中的兩種模式[17]Fig.1 Two modes of a single-mode optical fiber

2.2 偏振保持特性

由于保偏光纖是在單模光纖的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種特殊光纖，因此表征保偏光纖性能的參數(shù)不僅包括常規(guī)單模光纖的性能特性，還包括與其偏振特性相關(guān)的雙折射(B,Birefringence)和消光比(ER,Extinction Ratio)兩個(gè)參數(shù)。

2.2.1 雙折射

雙折射是由于保偏光纖中傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振模式的傳播常數(shù)不同所引起的，傳輸速度較快的軸稱(chēng)為快軸，用nfast表示該軸的折射率，傳輸速度較慢的軸稱(chēng)為慢軸，用nslow表示該軸的折射率，其公式表示為

B=nslow-nfast

(1)

雙折射越大，光纖對(duì)線偏振光的偏振保持能力就越強(qiáng)。

2010年Zhang等[8]所設(shè)計(jì)的高雙折射多孔光纖，在歸一化波長(zhǎng)λ/Λ=5.3處，雙折射達(dá)到了0.088。圖2為中紅外高保偏硫系玻璃雙芯光子晶體光纖(PCF,Photonic Crystal Fibers)的雙折射與空氣填充率、歸一化波長(zhǎng)的關(guān)系圖[10]，可以看出當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，雙折射隨歸一化波長(zhǎng)的增加而增大；在歸一化波長(zhǎng)不變的情況下雙折射隨空氣填充率d/Λ的增大而不斷增大，結(jié)果表明：當(dāng)空氣孔間距Λ=5.4 m，空氣孔半徑為r=1.35 μm，空氣填充率d/Λ=0.5，歸一化波長(zhǎng)λ/Λ=2.04 m時(shí)，雙折射可以達(dá)到0.551×10-2，具有較高的雙折射。2014年魏帥[14]設(shè)計(jì)了橢圓纖芯長(zhǎng)軸a為0.5 μm，短軸b為0.25 μm的高雙折射亞碲酸鹽橢圓纖芯光子晶體光纖，該光纖在1550 nm波長(zhǎng)處，可獲得7.66×10-2的高雙折射值。圖3為具有高橢圓度纖芯硫系光子晶體光纖的雙折射與波長(zhǎng)變化的關(guān)系[15]，可以看出雙折射隨著波長(zhǎng)的增加而增大，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，都可以得到10-2數(shù)量級(jí)的雙折射值。

1.3.1 考試成績(jī)。課程結(jié)束后，兩組學(xué)生采用同一份試卷進(jìn)行測(cè)試，試卷題型為選擇題及病例分析題，各占50%，選擇題參考執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試以理解應(yīng)用題型為主，對(duì)總成績(jī)及病例分析題成績(jī)進(jìn)行分析。

圖2 雙芯PCF雙折射隨歸一化波長(zhǎng)λ/Λ的變化[10]Fig.2 Variation of birefringence with normalized wavelength(λ/Λ) in dual-core PCF

圖3 雙折射隨波長(zhǎng)的變化[15]Fig.3 Variation of birefringence with wavelength

2.2.2 消光比

當(dāng)一束偏振光在保偏光纖中傳輸并且其入射方向與光軸平行，由于光纖中缺陷的存在，比如芯與包層界面不完善、折射率不均勻等，當(dāng)偏振光在傳輸?shù)倪^(guò)程中遇到這些隨機(jī)的耦合點(diǎn)后，將有少量的光功率會(huì)耦合到另一正交的偏振方向上，在保偏光纖輸出端可以檢測(cè)到正交的兩個(gè)偏振方向上均有光功率，就把兩個(gè)正交軸上所輸出的光功率比值就定義為消光比，其公式表示為

(2)

其中，Pw為注入偏振光軸上檢測(cè)到的光功率，Pu為另一個(gè)正交軸上檢測(cè)到的光功率。消光比也反映了保偏光纖的偏振保持能力，由于Pu>Pw，所以消光比為負(fù)值，即消光比越小，保偏光纖的偏振保持能力就越強(qiáng)。

當(dāng)孔間距Λ=2 m時(shí)，硫系A(chǔ)s2Se3光子晶體保偏光纖在λ=4 m處的消光比可高達(dá)30.22738[11]，研究結(jié)果表明：在最大平均功率為37 mW時(shí)，正交的本征極化模式之間沒(méi)有出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，即說(shuō)明偏振狀態(tài)被很好的保持了。圖4為基質(zhì)分別為SF57玻璃和亞碲酸鹽玻璃雙芯光子晶體光纖的消光比與波長(zhǎng)變化的關(guān)系[12]，可以看出與相同結(jié)構(gòu)的SF57玻璃光纖相比，亞碲酸鹽玻璃光纖具有更大的消光比，在波長(zhǎng)λ=1.55 m處，消光比可以達(dá)到-31 dB，結(jié)果表明：亞碲酸鹽基質(zhì)的雙芯光子晶體光纖在生產(chǎn)偏振分離器中有著更實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 消光比隨波長(zhǎng)的變化[12],基質(zhì)為(a)SF57玻璃;(b)亞碲酸鹽玻璃Fig.4 The extinction ratios value by varying wavelength(a)SF57 glass;(b) tellurite glass

2.3 分 類(lèi)

按照雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的不同，可將保偏光纖分為2類(lèi)：

(1)形狀雙折射型，主要是由于光纖幾何結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致材料折射率的改變，進(jìn)而產(chǎn)生雙折射，比如橢圓芯保偏光纖(如圖5(a)所示)和光子晶體保偏光纖；

(2)應(yīng)力雙折射型，主要是由光彈效應(yīng)引起光纖材料折射率的改變，進(jìn)而產(chǎn)生雙折射，比如熊貓型保偏光纖(Panda)(如圖5(b)所示)[18]、橢圓包層型保偏光纖(如圖5(c)所示)以及領(lǐng)結(jié)型保偏光纖(Bow-tie)(如圖5(d)所示)。

保偏光纖的結(jié)構(gòu)不同，制備方法也差別較大。制備熊貓型保偏光纖預(yù)制棒的主要方法是護(hù)套打孔法[19-20]，具體步驟如圖6所示。這種方法是先利用沉積工藝分別制備出預(yù)制棒和應(yīng)力棒，然后在預(yù)制棒纖芯對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)分別打孔，將兩根應(yīng)力棒分別插入對(duì)稱(chēng)的孔中，最后經(jīng)過(guò)高溫熔縮即可制成熊貓型保偏光纖預(yù)制棒。

圖6 護(hù)套打孔法制備熊貓型保偏光纖預(yù)制棒[19,20]Fig.6 Fabrication of a PANDA preform by machining and the insertion of stress rods

圖7 氣相腐蝕法制備領(lǐng)結(jié)型保偏光纖預(yù)制棒[21]Fig.7 Fabrication of a bowtie preform by gas-phase etching

圖8 研磨法制備橢圓包層型保偏光纖預(yù)制棒[22]Fig.8 Fabrication of a elliptical jacket preform by machining

制備領(lǐng)結(jié)型保偏光纖預(yù)制棒的主要方法是氣相腐蝕法[21]。這種方法是選擇合適的沉積工藝先沉積包層再沉積芯層，中間加以氣流腐蝕應(yīng)力層，最后采用縮棒技術(shù)對(duì)沉積管逐漸熔縮成實(shí)心棒，即可制成領(lǐng)結(jié)型保偏光纖預(yù)制棒(如圖7所示)。

制備橢圓包層型保偏光纖預(yù)制棒的主要方法是研磨法。這種方法是先沉積好預(yù)制棒，然后將預(yù)制棒兩側(cè)的圓弧研磨至平即可制成橢圓包層型保偏光纖預(yù)制棒(如圖8所示)[22]。制備橢圓芯保偏光纖預(yù)制棒的主要方法是減壓燒縮法[23]。這種方法是先利用合適的沉積工藝沉積纖芯，然后在真空低壓高溫條件下熔縮成橢圓形，再沉積包層，即可制成橢圓芯保偏光纖預(yù)制棒。

2.5 中遠(yuǎn)紅外光子晶體保偏光纖

光子晶體[24-25]是一種新型光學(xué)材料，基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來(lái)的光子晶體光纖近幾年來(lái)成為了人們的研究熱點(diǎn)。隨著1996年第一根PCF[26]問(wèn)世，光子晶體保偏光纖(PM-PCF,Polarization Maintained Photonic Crystal Fibers)就應(yīng)運(yùn)而生了。光子晶體保偏光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常靈活，可以通過(guò)采用雙芯、改變纖芯或纖芯附近空氣孔的形狀等多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高雙折射。

2010年Dabas等[7]設(shè)計(jì)了一種高雙折射硫系A(chǔ)s2Se3光子晶體光纖的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)(如圖9(a)所示)，通過(guò)擴(kuò)大中心位置兩個(gè)空氣孔，減少毗連中心區(qū)域的兩個(gè)橫向空氣孔，可以獲得高模式雙折射。2011年王曉琰等[9]設(shè)計(jì)了一種中紅外高雙折射As2Se3光子晶體光纖(如圖9(b)所示)，為三角形陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)在纖芯位置減少4個(gè)空氣孔，形成類(lèi)橢圓纖芯且非正六邊形結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的光子晶體保偏光纖的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一般為六邊形，具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，而2011年馮榮普[27]設(shè)計(jì)了一種基質(zhì)為碲玻璃、結(jié)構(gòu)為非傳統(tǒng)六邊形陣列的新型光子晶體光纖(如圖9(c)所示)，還數(shù)值模擬比較了三種基質(zhì)相同的圓形包層不同纖芯結(jié)構(gòu)的As2Se3光子晶體光纖的雙折射等特性(如圖9(d)所示)，研究結(jié)果顯示矩形芯的雙折射高于六邊形和橢圓形芯。

圖9 各種結(jié)構(gòu)的中遠(yuǎn)紅外PM-PCFFig.9 Middle and far infrared PM-PCFs of different structures

與傳統(tǒng)的保偏光纖相比，高雙折射光子晶體保偏光纖具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)雙折射可以達(dá)到10-3或10-2數(shù)量級(jí)，比傳統(tǒng)保偏光纖要大1到2個(gè)數(shù)量級(jí)；(2)由于光子晶體保偏光纖的雙折射屬于幾何雙折射，其雙折射具有很大的穩(wěn)定性；(3)光子晶體保偏光纖的雙折射與其很多幾何參數(shù)都有關(guān)，可以很容易實(shí)現(xiàn)雙折射的調(diào)節(jié)。

3 性能測(cè)試

若保偏光纖中的光沿某一光軸方向線偏振，則可以保持其偏振態(tài)在光纖中傳播，若沿一其他任意角度線偏振，則偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化，變化一個(gè)周期所經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度就是保偏光纖拍長(zhǎng)，由兩正交模式的傳播常數(shù)決定[28]。目前測(cè)量保偏光纖拍長(zhǎng)的方法主要有動(dòng)態(tài)壓力法[29]、磁光調(diào)制法[30-32]和寬譜光源干涉法等，其中寬譜光源干涉法簡(jiǎn)單易行，只需通過(guò)光譜儀測(cè)量記錄光譜變化并進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，即可測(cè)量出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的拍長(zhǎng)，測(cè)量精度可達(dá)到0.1 nm[33]。

圖10是寬譜光源(ASE)干涉法拍長(zhǎng)測(cè)試光路圖[28]。寬譜光源輸出光經(jīng)起偏系統(tǒng)P1后進(jìn)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的保偏光纖，再經(jīng)過(guò)檢偏系統(tǒng)P2，最后在輸出端用光譜儀(OSA)監(jiān)測(cè)干涉條紋，由干涉理論

(3)

式中,△λ為干涉條紋兩相鄰極值之間的間隔，再通過(guò)公式

(4)

即可計(jì)算出保偏光纖的拍長(zhǎng)。

圖10 干涉法測(cè)量系統(tǒng)[28]Fig.10 Schematic diagram of interference experimental system

圖11 保偏光纖消光比測(cè)試系統(tǒng)的原理圖[34]Fig.11 Schematic diagram of the extinction ratios measuring system

消光比是衡量保偏光纖保偏特性的最本質(zhì)參數(shù)，可以通過(guò)對(duì)光功率的測(cè)量進(jìn)而求出消光比，圖11是測(cè)量保偏光纖消光比的測(cè)試光路圖[34]。

光源的光經(jīng)過(guò)起偏光纖后變成線偏振光，然后注入到被測(cè)光纖中，經(jīng)過(guò)檢偏系統(tǒng)檢偏再通過(guò)探測(cè)器，最后用光功率計(jì)測(cè)量出輸出光的功率值。通過(guò)公式

(5)

即可計(jì)算出消光比，式中Pmax是測(cè)量到的光功率的最大值，Pmin是測(cè)量到的光功率的最小值。

4 應(yīng) 用

4.1 偏振分束器

圖12 歸一化功率隨傳輸距離的轉(zhuǎn)移[10]Fig.12 Variation of normalized power with propagation length

偏振分束器(Polarization Splitter)[35,36]能將一束光分為兩個(gè)處于正交偏振態(tài)的光束，并沿不同方向傳輸，是光通信、光傳感、光測(cè)量、光信息處理及集成光學(xué)中的一種重要的光器件。偏振分束器可以通過(guò)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，引入高雙折射，利用正交方向耦合長(zhǎng)度的不同來(lái)達(dá)到分束的目的[37]。2011年劉碩等[10]數(shù)值模擬證實(shí)了利用硫系玻璃雙芯光子晶體光纖用作偏振分束器，當(dāng)L=15Lx=14Ly=2170 μm時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩偏振光的分離(如圖12所示)。2012年Liu Shuo等[12]模擬設(shè)計(jì)了基于亞碲酸鹽雙芯光子晶體光纖的偏振分束器，該分束器長(zhǎng)度為0.36 mm，消光比高于-10 dB的帶寬達(dá)到了20 nm，并且在波長(zhǎng)為1550 nm 時(shí), 消光比達(dá)到了-31 dB。

4.2 色散補(bǔ)償

圖13 色散隨波長(zhǎng)的變化[38]Fig.13 Variation of chromatic dispersion with wavelength

圖14 色散隨波長(zhǎng)的變化[15]Fig.14 Variation of chromatic dispersion with wavelength

近年來(lái)，在光纖通信系統(tǒng)中原本不太被關(guān)注的偏振模色散(PMD)問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視[38]，由于PMD會(huì)限制高速光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和距離，人們一般會(huì)對(duì)PMD進(jìn)行補(bǔ)償以解決PMD所帶來(lái)的傳輸系統(tǒng)性能惡化的問(wèn)題[39]。

色散補(bǔ)償光纖(DCF)是具有大的負(fù)色散光纖，在光纖通信系統(tǒng)中加入具有負(fù)色散的光纖來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償，達(dá)到整條光纖線路的總色散近似為零的目的。2010年Dabas等[40]設(shè)計(jì)了具有負(fù)色散的高雙折射硫系光子晶體光纖，其色散隨波長(zhǎng)變化的曲線如圖13所示，從圖中可以看出：在給定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，該光纖具有負(fù)色散特性，因此可以用作在光纖通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償光纖。2011年王曉琰等[9]理論設(shè)計(jì)了一種具有較大負(fù)色散值高雙折射As2Se3光子晶體光纖，可用于色散補(bǔ)償。2015年Luke等[15]所設(shè)計(jì)的高雙折射硫系光子晶體光纖在三個(gè)通信窗口均有較高的負(fù)色散(如圖14所示)，可以用作色散補(bǔ)償光纖。

5 總結(jié)與展望

雖然對(duì)保偏光纖的研究已有30多年歷史，但目前還存有以下問(wèn)題：

(1)目前所研究的傳統(tǒng)保偏光纖主要集中在石英材料，與石英基質(zhì)傳統(tǒng)保偏光纖豐富的理論和應(yīng)用研究成果相比，有關(guān)非石英材料的傳統(tǒng)保偏光纖報(bào)道非常少，在中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳統(tǒng)保偏光纖的理論和應(yīng)用亟待完善；

(2)目前對(duì)于高性能的高雙折射光子晶體保偏光纖的研究大部分都處于理論和軟件仿真階段，而未加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

中遠(yuǎn)紅外保偏光纖由于采用了具有中遠(yuǎn)紅外優(yōu)良透過(guò)性非氧化物玻璃(尤其是硫系玻璃)基質(zhì)材料，使其在中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)內(nèi)生產(chǎn)利用偏振光的器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)中遠(yuǎn)紅外保偏光纖的研究均處于初步階段，尤其我國(guó)在設(shè)備工藝上不成熟，再加上保偏光纖產(chǎn)品在軍事上的應(yīng)用價(jià)值，國(guó)外一直沒(méi)有開(kāi)放對(duì)我國(guó)的出口，導(dǎo)致在保偏光纖的研發(fā)方面總是顯得力不從心，因此需要我們進(jìn)一步的深入研究。期待在不久之后，隨著相關(guān)理論、新型制作技術(shù)和性能測(cè)試的不斷改進(jìn)和完善，制備出高精度的中遠(yuǎn)紅外保偏光纖，將其應(yīng)用到各種光纖傳感和利用偏振光的器件中，尤其是軍事和航空航天領(lǐng)域中用到的光纖陀螺，發(fā)揮其重要的作用。

[1] Kaminow I,Ramaswamy V.Single-polarization optical fibers:slab model[J].AppliedPhysicsLetters,1979,34(4):268-270.

[2] Kaminow I P,Ramaswamy V.Single polarization optical fibers and methods of fabrication[P].US Patents:4179189,1979-12-18.

[3] Kaminow I,Simpson J,Presby H,et al.Strain birefringence in single-polarisation germanosilicate optical fibres[J].ElectronicsLetters,1979,15(21):677-679.

[4] Lefevre H C.The fiber-optic gyroscope[M].Boston:Artech house,2014:7-13.

[5] Seddon A.Chalcogenide glasses:a review of their preparation,properties and applications[J].JournalofNon-CrystallineSolids,1995,184:44-50.

[6] Smektala F,Brilland L,Chartier T,et al.Recent advances in the development of holey optical fibers based on sulfide glasses[J].SPIE,2006,6128.

[7] Dabas B,Sinha R.Design of highly birefringent chalcogenide glass PCF:A simplest design[J].OpticsCommunications,2011,284(5):1186-1191.

[8] Zhang L,Li S G,Yao Y Y,et al.Properties of high birefringence chalcogenide glass holey fibre for mid-infrared transparency[J].JournalofOptics,2010,12(3):035207.

[9] 王曉琰,李曙光,劉 碩,等.中紅外高雙折射高非線性寬帶正常色散 As2Se3光子晶體光纖[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(6):64213-064213.

[10] 劉 碩,李曙光,付 博,等.中紅外高保偏硫系玻璃雙芯光子晶體光纖耦合特性研究[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(3):34217-034217.

[11] Wang X Y,Li S G,Liu S,et al.Generation of a mid-infrared broadband polarized supercontinuum in As2Se3photonic crystal fibers[J].ChinesePhysicsB,2012,21(5):054220.

[12] Liu S,Li S G,Du Y.Analysis of the characteristics of the polarization splitter based on tellurite glass dual-core photonic crystal fiber[J].Optics&LaserTechnology,2012,44(6):1813-1817.

[13] Deng D H,Sega D,Cheng T L,et al.Dispersion characterization of two orthogonal modes in a birefringence tellurite microstructured optical fiber[J].Opticsexpress,2014,22(20):23920-23927.

[14] 魏 帥.亞碲酸鹽亞波長(zhǎng)尺寸光子晶體光纖及其特性研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2014.

[15] Luke S,Sudheer S,Pillai V M.Modeling and analysis of a highly birefringent chalcogenide photonic crystal fiber[J].Optik-InternationalJournalforLightandElectronOptics,2015,126(23):3529-3532.

[16] Akers F I,Thompson R E.Polarization-maintaining single-mode fibers[J].Appliedoptics,1982,21(10):1720-1721.

[17] Kaminow I.Polarization-maintaining fibers[J].AppliedScientificResearch,1984,41(3-4):257-270.

[18] Hosaka T,Okamoto K,Miya T,et al.Low-loss single polarisation fibres with asymmetrical strain birefringence[J].ElectronicsLetters,1981,17(15):530-531.

[19] 沈建平.保偏光纖預(yù)制棒的加工研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2012.

[20] 童維軍.熊貓保偏光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制備工藝及性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.

[21] Birch R,Payne D N,Varnham M.Fabrication of polarisation-maintaining fibres using gas-phase etching[J].ElectronicsLetters,1982,18(24):1036-1038.

[22] Méndez A,Morse T F.Specialty optical fibers handbook[M].London:Academic Press,2011:259-260.

[23] Noda J,Okamoto K,Sasaki Y.Polarization-maintaining fibers and their applications[J].JournalofLightwaveTechnology,1986,4(8):1071-1089.

[24] John S.Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J].Physicalreviewletters,1987,58(23):2486.

[25] Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics[J].Physicalreviewletters,1987,58(20):2059.

[26] Knight J,Birks T,Russell P S J,et al.All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding[J].Opticsletters,1996,21(19):1547-1549.

[27] 馮榮普.非石英中紅外高雙折射光子晶體光纖基本特性研究[D].秦皇島：燕山大學(xué),2011.

[28] 姜 暖,李智忠,楊華勇,等.保偏光纖雙折射分析及全光纖拍長(zhǎng)測(cè)試方法比對(duì)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(7):91-96.

[29] Calvani R,Caponi R,Cisternino F,et al.Fiber birefringence measurements with an external stress method and heterodyne polarization detection[J].JournalofLightwaveTechnology,1987,5(9):1176-1182.

[30] Khan M R,Irvine-Halliday D.Measurement of beat length in Hi-Bi fiber using Faraday magneto-optic effect[J].ElectricalandComputerEngineering,1996,1:241-244.

[31] Shi Z D,Bao H H,Liu S.Research on magneto-optic modulation method measuring beat-length of birefringence optical fiber[J].JournalofOptoelectronicsLaser,2008,19(3):369.

[32] Zhang Penggang,Irvine-Halliday D.Measurement of the beat length in high-birefringent optical fiber by way of magnetooptic modulation[J].JournalofLightwaveTechnology,1994,12(4):597-602.

[33] 米 劍,張春熹,李 錚,等.利用寬譜光源及偏光干涉測(cè)量保偏光纖拍長(zhǎng)[J].光電子,激光,2006,17(9):1074-1077.

[34] 馬 南,黃榜才,吳少波，等.保偏光纖消光比測(cè)量誤差的分析[J].天津科技,2012,(1):28-30.

[35] Florous N J,Saitoh K,Koshiba M.Synthesis of polarization-independent splitters based on highly birefringent dual-core photonic crystal fiber platforms[J].PhotonicsTechnologyLetters,2006,18(11):1231-1233.

[36] Lu W L,Lou S Q,Wang X,et al.Ultrabroadband polarization splitter based on three-core photonic crystal fibers[J].Appliedoptics,2013,52(3):449-455.

[37] Chen M Y,Sun B,Zhang Y K,et al.Design of broadband polarization splitter based on partial coupling in square-lattice photonic-crystal fiber[J].Appliedoptics,2010,49(16):3042-3048.

[38] 徐 坤,謝世鐘.高速光纖通信中的偏振模色散及其補(bǔ)償技術(shù)[J].半導(dǎo)體光電,2000,21(1):1-5.

[39] 陳 偉,李詩(shī)愈,成 煜,等.保偏光纖技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].光通信研究,2003,(6):54-57.

[40] Dabas B,Sinha R.Design and characterization of highly birefringent chalcogenide As2Se3glass photonic crystal fiber with low confinement loss[J].SPIEPhotonicDevices+Applications,2010:7781.

Advances on Middle and Far Infrared Polarization Maintaining Fibers

JIANGLing1,2,ZHAOZhe-ming1,2,3,LIXing1,2,WUBo1,2,MINan1,2WANGXun-si1,2,LIUZi-jun1,2,DAIShi-xun1,2,NIEQiu-hua1,2

(1.Laboratory of Infrared Material and Devices,College of Advanced Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Key Laboratory of Photoelectric Materials and Devices of Zhejiang Province,Ningbo 315211,China;3.Nanhu College,Jiaxing University,Jiaxing 314001,China)

Polarization maintaining fiber is a special fiber based on single-mode fiber, which can transmit the linear polarized light and faithfully preserve its polarization state. It is widely applied in fiber sensors, fiber polarizers and various polarization and coherent detectors, e.g. Our perspectives of light from the visible or near-infrared light can be broadened to the mid-infrared and far-infrared wavelength by using of non-quartz materials polarization maintaining fibers. As to the late beginning research on the middle and far infrared polarization maintaining fibers, there are some problems need to be solved just shown as follows: (1) The theories and applications of traditional polarization maintaining fibers in the mid-infrared and far-infrared band badly need to be updated; (2) Most reports of the middle and far infrared high birefringence polarization maintained photonic crystal fibers are only concerned on theory and their experimental verification and applications are rarely to appear. Here, we summarized the research progress of middle and far infrared polarization maintaining fibers, and then provided the parameters of critical polarization-maintaining ability, classifications, fabrications and characterization methods of polarization maintaining fibers. In the end, potential applications, current primal problems and developing trend of the future for the developing of middle and far infrared polarization maintaining fiber have also been concluded detailedly.

polarization maintaining fiber;middle and far infrared;photonic crystal fiber;high birefringence;extinction ratio

國(guó)家自然科學(xué)基金(61377099，61177087，61307060);浙江省重中之重學(xué)科開(kāi)放基金(XKXL1508,XKXL1318);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(NCET-10-0976);浙江省151人才第三層次、寧波大學(xué)王寬誠(chéng)幸?；?、寧波大學(xué)優(yōu)秀學(xué)位論文培育基金(PY2012015)

江 嶺(1991-)，男，碩士研究生.主要從事硫系玻璃制備及光纖性能方面的研究工作.

王訓(xùn)四,研究員.

TN814

A

1001-1625(2016)12-4005-09