光纖纖芯

1966年高錕先生在文章中首次提出利用介質光導纖維以光載波傳輸信息，由此奠定了光纖作為介質傳光的理論基礎。經過幾年的研究，1970年美國康寧公司首次拉制出損耗為20dB/Km的光纖，較大地降低了光纖的傳輸損耗從此使光纖通信技術的發展成為可能。近年來科研工作者研究發現，由於光纖具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、體積小、易於集成等優點，光纖傳感技術成為光電技術領域活躍的分支之一。

光纖傳感技術涉及領域廣泛，主要有軍事、國防、航空航天、能源環保、工業控制、醫療衞生、計量檢測、食品安全、家用電器等諸多領域。其中涉及到的幾種主要傳感器主要有：光纖陀螺儀、光纖水聽器、光纖光柵温度傳感器、光纖電流互感器等各種光纖傳感技術。微結構光纖及保偏光纖以其靈活的結構和奇異的特性成為光纖傳感領域的中堅力量。 ^[2] 

微結構光纖(Microstructuredfiber，MOF)根據其結構及傳輸機理的不同可分為以下兩大類：一類是折射率引導型微結構光纖；另一類是帶隙型具有周期空氣孔排布的光子晶體光纖。折射率引導型微結構光纖按其結構的不同主要有毛細管光纖、平行陣列芯光纖和多芯光纖等。毛細管光纖最早是在1981年由Hidaka等人提出來的。顧名思義，毛細管光纖就是其纖芯內部是空心結構，這就導致它有許多特殊性能。在傳感領域，毛細管光纖在測量液體、氣體等方面具有其獨特的優越性。1997年，ITO.H課題組利用空心光纖對熱銣原子的運動進行控制，實現人類對原子領域的認識更加深入的瞭解。南京航空航天大學智能材料與結構航空科技實驗室通過在空心光纖上注入膠來實現複合材料的診斷、修復等功能，從而實現毛細管光纖的特殊結構的應用。平行陣列芯光纖是指按照一定的規則進行的多個纖芯的排布並共用同一包層的光纖，這樣在纖芯之間會產生相互耦合等作用，進而產生很多奇異特性。哈爾濱工程大學光纖傳感實驗室製作了一系列的折射率引導形多芯微結構光纖。多芯光纖是在上世紀70年代末提出的，其主要目的是通過將光纖纖芯集成在一根光纖中，這樣就可大幅度降低光纖光纜的製作成本，提高光纖的集成度。1994年法國電信公司首先製作出四芯單模光纖。2010年美國OFS公司B.Zhu等人設計並製作了七芯的多芯光纖，七個纖芯成正六邊型排布。2012年R.Ryf與S.Randel等人利用少模光纖製作出三芯的微結構光纖，減少了多芯光纖的纖芯串擾等問題。雖然這些波導型微結構光纖在遠程光纖通信中會有光的纖芯間的耦合及串擾等問題，但是這無疑為光纖傳感領域提供了一種新的思想。 ^[2] 

單模光纖中存在兩個正交的偏振態。在光纖結構嚴格保持對稱的理想情況下，這兩個模式的傳播是相等的。但在實際生產和應用中，由於單模光纖受温度、應力等外界環境以及製造時產生的應力影響，總是存在一定的橢圓度、折射率分佈及應力非對稱性的影響，從而使兩個傳播常數存在差異，因此傳播中會產生附加的相位差，光學中稱之為雙折射。這種雙折射必然會導致偏振模色散的產生。在光纖傳感及光纖計量測量等領域中要求光在光纖中傳播應具有穩定的偏振態。在許多集成光學器件中，對輸入光偏振態也具有選擇性。由於這種偏振模的色散現象，普通的單模光纖限制了光纖傳感等領域的發展，保偏光纖由此產生。

解決單模光纖中偏振態不穩定這個問題，主要分為兩種辦法。第一種是：儘量減少單模光纖的這種非對稱特性，想辦法解決光纖的橢圓度及內部殘餘應力所帶來的影響，使這種單模光纖的雙折射效果降至最低，達到兩個模式之間可以相互簡併。當歸一化雙折射傳播常數B小於10^-6時，這種光纖我們通常稱之為低雙折射保偏光纖（LowBirefringentFiber，簡稱LBF）。第二種方法是加大單模光纖的非對稱性，加大其雙折射特性，使兩個模式之間的光不易相互耦合。我們稱這種保偏光纖為高雙折射保偏光纖（HighBirefringenceFiber，簡稱HBF），其歸一化雙折射傳播常數B大於10^-5。高雙折射保偏光纖按照其傳播特性可分為雙偏振光纖和單偏振光纖。雙偏振光纖是將兩個偏振模分開，使其偏振模式在傳輸過程中保持基本不變；而單偏振光纖只能傳輸兩個正交偏振模中的一個模式，另一個模式被抑制不能傳播，我們稱這種光纖為單偏振光纖或絕對單模光纖。

按照光纖中雙折射產生的方式不同，保偏光纖可分為幾何形狀效應光纖、應力感應光纖。如圖1,為幾種常見的保偏光纖端面結構圖，其中領結型、熊貓型、內橢圓包層型、矩形應力包層型保偏光纖為應力感應型光纖；橢圓芯型、邊槽型、邊隧道型等保偏光纖為幾何形狀效應型光纖。大多數保偏光纖採用在光纖中產生殘餘應力的方法來製作。 ^[2]