保偏光纤的原理「保偏光纤熔接」

时间：2023-04-12 11:25:03来源：搜狐

今天带来保偏光纤的原理「保偏光纤熔接」，关于保偏光纤的原理「保偏光纤熔接」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

应用科学是非常大的一类学科，将现有科学知识应用于实际的系统中。基础科学开发出大量的基本信息，来预测、解释和理解自然世界中的现象。而应用科学是利用科学过程和知识作为获得特定实践或有用结果的手段。这包括与应用科学相关的广泛领域，包括工程和医学。

现在互联网产业太活跃，似乎一说到“应用”，就是在说手机APP。那我们的保偏光纤能做些什么应用呢？

（找到保偏光纤了吗？）

（1）干涉仪

保偏光纤的应用涵盖了电信、医学和传感器等等领域。很典型的应用都是利用了干涉进行测量，确保干涉仪的信号臂和参考臂中传播的光始终以相同的偏振态进行重组，利用光纤确保光学相长干涉，来防止信号衰减的能力。如果使用常规的单模光纤，则每个臂中传播的光的偏振态将随时间独立地变化，导致重组信号在两个波形的相对偏振态在360度范围内变化时在最大和零之间衰变。

概括地说，保偏光纤的基本原理释放了它用于干涉仪的能力。所以在主要应用领域中，都与干涉测量技术有关。

（2）光纤陀螺仪

光纤陀螺仪（Fiber Optical Gyroscope，FOG）是获得很大商业成功的一种干涉式光纤传感器。从本质上讲，FOG是一种旋转和转速传感器，它一般包括三个保偏光纤的传感环，每个环对应于所需的自由度（用飞机术语来说：roll滚动，pitch俯仰和yaw偏航）。光同时发射到每个传感环的光纤尾端（两个尾端），并在探测器处重新组合。如果传感环旋转，在内部传输的两个方向的光的行进距离会呈现一定的区别，发生多普勒频移（Sagnac效应），其结果是正向传输的和反向传播的光束的相位出现不同，原本相干的两路光从而产生了干扰。可以对其进行分析，以确定干扰的程度和速率、回转。

FOG的基本设计非常合适地说明了将光纤用作本征光学传感元件的主要好处；光纤具有导光和弯曲能力，因此可以将超长的光程限制在较小的物理体积内。这些较长的路径长度会放大相对较弱的光学效果，从而可以制造非常紧凑的高精度传感器。典型的FOG传感环由200至5000 米的保偏光纤，具体取决于所需的精度性能，现在的性能已经足以够挑战激光陀螺仪的精度（波音飞机使用激光陀螺仪）。

另一方面，陀螺仪的尺寸也在不断缩小。1920年，最初的的演示FOG的基本原理，使用自由空间光学器件进行的，该光学器件部署在几平方公里的面积上。与之形成鲜明对比的，现在可以使用比茶杯口还要小的传感环中进行相同的测量。

（3）相干光通讯

从最早的特种光纤技术开始，保偏光纤就已经用于通讯领域。人类不断追求高带宽，技术发展带动了更高的符号速率、更多并行通道数、高阶复杂的调制技术，如今的相干光通讯（Coherent Communications）已经发展成非常庞大的系统，调制、发射、相干接收等都有大量的尖端技术。

通讯技术主要就是信号的发射和接收。相干光通讯的基本原理：在发送端。采用外光调制的方式将信号调幅、调相、调频的方式调制到光载波上，经过后端的处理发送出去。达到接收端以后，首先经过均衡处理，在进入光混频器，与本地的光振荡器产生的光信号进行相干混合，最后探测器接收。1990年代初，随着掺铒光纤放大器（EDFA）的出现与密集波分复用（DWDM）的结合，形成了一种更有效的方法。高带宽无中继器传输的通用解决方案也逐渐成熟。要详细了解相干光通讯，需要知道很多相关的技术和术语，比如I/Q解调、OOK调制、BPSK调制、星座图等等，技术还在不断发展，这部分内容还需要和大家一起共同来学习。

相干通信作为一种专用技术，也常会用于需要实时处理大量数据的应用中，尤其是在军事相控阵雷达部署中能够实现天线远程处理。

（4）集成光学

干涉式传感器中的信号处理以及常规和相干通信中的传输或检测，都使用了保偏光纤，相关的另一项重要技术是集成光学（Integrated Optics，IO）。

在电信发射机中使用的铌酸锂（LiNbO3）调制器中最经常遇到IO。典型的调制器由铌酸锂芯片组成，在该芯片中扩散了掺有二氧化钛的波导，两侧是金电极。保偏光纤的尾纤可提供稳定的偏振态，并与芯片的双折射轴对齐。该设备的功能是基于泡克耳斯效应（Pockels effect）。当向电极施加电压时，基板的折射率与该电压成比例变化。有效光程长度的最终变化可用于产生干扰，根据掺杂二氧化钛的波导的精确设计，可对其进行操控以提供相位，频率或幅度的调制，甚至在通道之间切换光功率。

补充：泡克耳斯效应（Pockels effect）是德国物理学家弗里德里斯·泡克耳斯于1893年研究发现的。光介质在恒定或交变电场下产生光的双折射效应，这是一种线性电-光效应，其折射率的变化和所加电场的大小成正比。但这种效应只存在缺少反演对称性（几何结构）的晶体中，例如铌酸锂（LiNbO3）,钽酸锂（LiTaO3），硼酸钡（BBO），和砷化镓（GaAs）等，或存在其它非中心对称的介质，例如在电场极化高分子和玻璃中出现。电场极化高分子中含有特别设计的有机分子，它们具有比高非线性晶体高10倍的非线系数。泡克耳斯效应和克尔效应的区别在于：泡克耳斯效应是与电场大小成正比，而克尔效应则是与电场大小的平方成比例的。

（5）多普勒激光风速仪和测速仪

许多情况下，保偏光纤执行的功能是提供灵活的传输系统，使微弱的光学信号处理成为可能。比如激光多普勒测速仪（Laser Doppler Anemometry，LDV）和激光多普勒风速仪（LDV，Velocimetry），就是用于流速测量的非接触技术。这一技术应用在风洞中的空气流动、静脉和动脉中的血流，流速是通过测量从流体散射光的多普勒频移来确定的。为了进行测量，将来自激光源的线性偏振光分成两个相等的分量，并通过两个相同长度的保偏光纤传输到测量位置。

在保偏光纤的输出处，透镜将两束光束聚焦到运动流体内的一个小点上。此时，两个光束会聚形成干涉条纹。流体中的小粒子由于它们相对于两个射束方向运动，因此以略微不同的多普勒频率散射体现来自每个射束的光。这些散射光中的一部分之后将被芯径较大的多模光纤收集，并传输到光电探测器。在此，两个频率结合在一起形成一个瞬时的拍频。此拍频与每个激光束产生的多普勒频率之差线性相关，确定了与粒子速度的线性关系，形成一个整体的测试装置。

（6）更多的应用场景（EDFA泵浦组合器，反射抑制方案，电流传感器和光学相干断层扫描）

使用保偏光纤可实现偏振光的远程传输，从而扩展到整个行业的其他各种应用。电信系统架构的发展要求EDFA不断增加功率输出，在有些设计中，通过980或1480 nm抽运二极管的偏振复用实现的。类似地，泵浦二极管也被尾纤缠绕在保偏光纤中，以实现基于偏振的方案来抑制背向反射。

在传感器中，法拉第效应电流传感器（current sensing）产业也逐渐发展起来。作为极化设备，电流传感器依赖于向传感器头传递稳定且已知的极化状态，并且通常通过保偏光纤来实现。

在医学上，患有冠状动脉心脏病的患者被称为“冠狀動脈慢性全阻塞”（Chronic TotalOcclusion, CTO），即血管完全被阻塞。医生正在借助特殊导管或“导丝”进行诊断，这就是有名的OCT技术。OCT技术的起源可以追溯到1980年代后期电信行业光学低相干反射法（Optical Low Coherent Reflectometry, OLCR）。OCT使用低相干（宽带）光。保偏光纤在其中也起到重要作用，使外科医生能够通过光学相干反射法（OCR）来区分血管壁和自身阻塞之间的关系，从而有利于安全切除。