保偏跳线知识讲解​

一、引言​

在光通信及众多光学应用领域中，保偏跳线发挥着极为关键的作用。随着技术的不断进步，对于光信号传输的稳定性和准确性要求日益提高，保偏跳线应运而生并得到广泛应用。它解决了普通光纤在传输光信号时，偏振态易受外界因素干扰而发生变化的问题，确保光信号在传输过程中偏振状态的稳定，为高精密光学系统的可靠运行提供了保障。​

二、工作原理​

（一）普通光纤的偏振态问题​

理论上，理想的单模光纤应具有完美的几何圆对称性，光在其中传播时偏振态不会改变。但在实际生产中，常规光纤会受到多种外力作用，导致其粗细不均匀或产生弯曲等情况，进而引发双折射现象。而且，当光纤受到波长、弯曲度、温度等外部因素干扰时，光的偏振态在常规光纤中传输就会变得杂乱无章，这在许多对偏振态要求严格的应用场景中是无法接受的。​

（二）保偏光纤的保偏原理​

保偏光纤正是为解决上述偏振态变化问题而设计的。它并非消除光纤中的双折射现象，而是通过在光纤几何尺寸上进行特殊设计，产生更强烈的双折射，以此来抵消外界应力对入射光偏振态的影响。常见的实现方式有以下几种：​

1. 熊猫光纤（Panda Fiber） ：在纤芯两侧对称地引入应力区，因其形状类似熊猫的眼睛而得名。应力型保偏光纤主要依靠嵌入的应力棒和光纤纤芯热膨胀系数的不同产生热应力，在热应力作用下材料折射率发生变化，从而产生双折射效应。应力棒与光纤纤芯平行，施加的应力在光纤纤芯内产生双折射，有利于光仅沿一个方向偏振传播，维持保偏工作。​
2. 领结光纤（Bow - Tie Fiber） ：应力区呈领结形状，这种设计能提供更高的双折射效应，通过特定的应力分布来保持光信号的偏振状态。​
3. 椭圆包层光纤（Elliptical Cladding Fiber） ：利用椭圆形的包层结构实现保偏效果。椭圆形的形状本身就会产生一定程度的形状双折射，即便没有机械应力，也有助于维持光的偏振态。​

保偏光纤在拉制过程中，当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降，影响双折射效应。保偏光纤通过在穿过光纤的两个垂直极化中引起光速差来工作，这种双折射在光纤内产生两个主要的传输轴，分别称为光纤的快轴和慢轴。其中，快轴为折射率小的方向，光传输速度较快，垂直穿过两个应力区中心连线的中点；慢轴为穿过两个应力区终点的一个光轴，是折射率大的方向，传输速度较慢。若入射线偏振光的偏振方向与光纤的快轴或慢轴一致，则光在传输过程中其偏振态保持不变。若入射光的偏振方向和快轴或慢轴成一夹角，会同时激发两种传播常数不同的正交偏振模式，两个偏振分量间功率会发生周期交换，这个周期就称为拍长。保偏跳线正是基于保偏光纤的这些特性，通过精准的连接器键位来实现偏振模态的耦合对准，确保两根保偏光纤在耦合时的偏振模态保持偏振光原有的偏振状态，维持高的消光比进行传输。​

三、结构组成​

（一）光纤​

保偏光纤是保偏跳线的核心部分，其核心材料通常为石英。不同类型的保偏光纤，如熊猫型、蝶型、椭圆型等，在实际应用中各有特点。目前，熊猫型和蝶型保偏光纤使用较为广泛。熊猫型光纤常有 780nm、980nm、1310nm、1550nm 等多种波长可供选择，以满足不同应用场景对波长的需求。​

（二）连接器​

连接器用于确保光纤间的精确对接，常见类型有 FC、SC、LC 等。这些连接器在不同的应用场景中有各自的优势，例如 FC 连接器常用于电信网络和有线电视网络，具有良好的插拔重复性；SC 连接器则以其操作简便、快速插拔的特点，在光纤通信系统中广泛应用；LC 连接器尺寸小巧，适用于高密度布线的场合。保偏连接器作为两根保偏光纤耦合的重要组件，在设计和制造上有着更高的精度要求，以确保能够维持高的消光比进行光信号传输。​

（三）护套​

护套的主要作用是保护光纤，防止其受到外界的物理损伤、化学腐蚀等。常用的护套材料有 PVC（聚氯乙烯）或 LSZH（低烟无卤）。在一些特殊应用场景中，还会根据需求选择具有特定性能的护套，如需要进行缠绕使用时，可选择 250um 裸纤直接加上连接头；若使用时需要有一定的抗拉强度以及抗压强度，则可以选择 3.0mm 铠装护套。​

四、主要性能指标​

（一）偏振消光比（PER）​

偏振消光比是衡量保偏光纤保持偏振状态能力的重要指标，通常以分贝（dB）表示。其定义为当一束线偏振光精确地沿保偏器件某一光轴入射时，在正交轴上激发起的偏振模与原光轴上功率的比值。简单来说，就是两个正交轴上的功率比值，消光比越大，说明该偏振产品性能越好，保偏光纤保持偏振态的能力越强。对于常规保偏光纤跳线而言，消光比的典型值为 20 - 23dB，而在一些高性能要求的应用中，如科研实验、高端光纤传感等领域，可提供消光比高达 30dB 甚至更高的保偏光纤跳线。​

（二）插入损耗（Insertion Loss）​

插入损耗指的是光信号在光纤中传输时的损耗，同样以分贝（dB）表示。该数值越低，表明光信号在传输过程中的能量损失越小，传输效率越高。一般来说，优质的保偏光纤跳线插入损耗应尽可能低，例如长飞公司的保偏光纤跳线插入损耗可低至≤0.3dB（包层 125µm） ，这对于保证光信号在长距离传输过程中的强度和质量至关重要。​

（三）回波损耗（Return Loss）​

回波损耗用于衡量光信号反射回光源的损耗，以分贝（dB）表示。数值越高，意味着光信号反射越小，从而减少了反射光对光源及整个光学系统的干扰。在一些对信号稳定性要求极高的应用场景中，如长距离光纤通信、高精密干涉测量等，高回波损耗的保偏光纤跳线能够有效提高系统的可靠性和测量精度。例如，部分保偏光纤跳线可提供 FC/APC 高回损连接器选项，以满足特定应用对高回波损耗的需求。​

（四）工作波长（Operating Wavelength）​

保偏光纤跳线的工作波长根据不同的应用场景和光学器件的要求而有所不同。常见的工作波长包括 850nm、980nm、1310nm 和 1550nm 等。其中，850nm 波长常用于短距离通信和数据传输；980nm 波长在光纤放大器泵浦源等方面有应用；1310nm 和 1550nm 波长则是光纤通信领域中最为常用的两个波长窗口，1310nm 波长具有较低的衰减和色散特性，适合中等距离传输，而 1550nm 波长的衰减更低，更适合长距离、大容量的光信号传输。​

（五）长度​

保偏光纤跳线的长度可根据具体应用需求进行定制。常见的标准长度有 1 米、2 米、5 米等，在一些特殊的工程场景中，如大型数据中心的布线、长距离光纤传感网络的搭建等，可能需要定制几十米甚至上百米的超长保偏光纤跳线，以满足不同设备之间的连接需求。​

五、应用领域​

（一）光纤传感​

1. 干涉仪 ：在光纤干涉仪中，保偏光纤跳线用于保持光信号的偏振状态，确保干涉测量的精度。例如，在迈克尔逊干涉仪、马赫 - 曾德尔干涉仪等中，精确的偏振态控制对于获得稳定、准确的干涉条纹至关重要，保偏光纤跳线能够有效减少外界因素对偏振态的干扰，提高测量精度，广泛应用于微小位移测量、应变测量、振动检测等领域。​
2. 陀螺仪 ：光纤陀螺仪是一种基于萨格纳克效应的惯性测量装置，对光信号的偏振稳定性要求极高。保偏光纤跳线在光纤陀螺仪中用于连接光源、探测器和各种光学元件，保证光信号在传输过程中的偏振态不变，从而提高陀螺仪的测量精度和稳定性，在航空航天、航海导航、自动驾驶等领域有着重要应用。​
3. 温度、压力、应变等物理量测量 ：利用保偏光纤对温度、压力、应变等物理量变化敏感的特性，通过监测光信号偏振态的变化来实现对这些物理量的高精度测量。例如，在电力电缆的温度监测、桥梁结构的应力监测、石油管道的压力监测等方面，保偏光纤跳线作为信号传输的关键部件，为准确获取物理量信息提供了保障。​

（二）通信系统​

1. 长距离、高速通信 ：在长距离光纤通信系统中，偏振模色散（PMD）是影响信号传输质量的重要因素之一。保偏光纤跳线能够减少偏振模色散，保证光信号的偏振态在长距离传输过程中相对稳定，从而提高通信系统的传输速率和可靠性。特别是在高速率、大容量的光纤通信网络，如 10Gbps、40Gbps 甚至 100Gbps 及以上的通信链路中，保偏光纤跳线的应用有助于降低误码率，延长传输距离。​
2. 相干光通信 ：相干光通信技术利用光的偏振、相位等信息来提高通信系统的性能，对光信号的偏振态控制要求极为严格。保偏光纤跳线在相干光通信系统中用于连接激光器、调制器、探测器等关键器件，确保光信号在整个传输链路中的偏振态准确可控，为实现高效的相干光通信提供了必要条件。​

（三）激光系统​

在高功率激光传输中，光束质量的保持至关重要。保偏光纤跳线能够确保激光在传输过程中的偏振态稳定，从而保证光束的质量和聚焦特性。例如，在激光加工、激光医疗、激光雷达等领域，高功率激光需要精确的偏振控制来实现高效的能量传输和准确的目标探测，保偏光纤跳线在这些应用中起到了关键的连接和偏振维持作用。​

（四）量子通信​

在量子通信领域，尤其是量子密钥分发（QKD）等应用中，光子的偏振态是携带量子信息的重要载体。保偏光纤跳线用于保持光子的偏振状态，确保量子信息在传输过程中的准确性和安全性。由于量子通信对偏振态的微小变化极为敏感，保偏光纤跳线的高质量性能对于实现可靠的量子通信链路至关重要，为未来构建安全的量子通信网络奠定了基础。​

六、使用注意事项​

（一）对准​

连接保偏光纤跳线时，需精确对准光纤的慢轴和快轴。如果对准不准确，会导致偏振态发生变化，从而影响保偏性能，降低偏振消光比，使光信号的质量下降。在实际操作中，通常会借助专业的对准设备和工具，如光纤对准仪等，来确保光纤慢轴和快轴的准确对齐，同时要注意应力区的正确对接。​

（二）清洁​

保持连接器端面的清洁至关重要。任何污染物，如灰尘、油污等，附着在连接器端面上，都会影响光信号的传输性能，导致插入损耗增大、回波损耗降低等问题。在使用前后，应使用专用的光纤清洁工具，如无尘擦拭纸、酒精棉球等，对连接器端面进行仔细清洁，确保端面干净整洁。​

（三）弯曲半径​

保偏光纤跳线在使用过程中应避免过小的弯曲半径。过小的弯曲会对光纤造成物理损伤，导致光纤内部结构变形，进而影响光信号的传输，增加插入损耗，甚至可能损坏光纤。一般来说，不同规格的保偏光纤跳线都有其规定的最小弯曲半径，在布线和安装过程中，应严格按照产品说明书的要求，确保光纤的弯曲半径在安全范围内。​

（四）常见问题及解决方法​

1. 插入损耗过大 ：当出现插入损耗过大的问题时，首先应检查连接器是否清洁，如有污染物，需及时清洁。其次，要确认光纤对准是否准确，可通过重新对准光纤来解决问题。此外，还需检查光纤本身是否存在损伤，如发现光纤有明显的弯折或破损，应及时更换光纤跳线。​
2. 偏振消光比低 ：若偏振消光比低，需确认光纤慢轴和快轴是否对准，确保应力区对齐。如果是连接器的问题，可检查连接器的键位是否正确，是否存在磨损或损坏的情况，必要时更换连接器。另外，光纤在使用过程中受到的外部应力也可能影响偏振消光比，需排查周围环境是否存在对光纤产生不当应力的因素，并加以消除。​
3. 回波损耗低 ：回波损耗低通常是由于连接器端面受损导致的。此时，应仔细检查连接器端面是否有划痕、污染或其他损坏迹象。若端面有轻微污染，可进行清洁处理；若端面受损严重，则需要更换连接器，以提高回波损耗，减少光信号反射。

审核编辑 黄宇