光纤的基本特性及测试5概要

理想的单模光纤模式是线偏振的，它的两个基模HE11(x)和HE11(y)是相互垂直的线偏振模。它们的传播常数相等，故彼此简并(Δβ=0)。在传播过程中，保持彼此相位相同，保持线偏振态不变。实际上，一方面由于光纤本身的不完善性，另一方面由于外场微扰的作用，造成芯径椭圆度或纤芯折射率变化。上述这些变化因素会引起单模光纤偏振态的变化。§7.5光纤的偏振与双折射光纤的偏振与双折射特性不仅对光在光纤中的传输有影响，而且对光纤传感技术和光纤中的非线性研究具有十分重要的意义。设单模光纤中，有一个线偏振的入射波E0激励起两个正交的基模HE11(x)和HE11(y)，并分别沿着两个特定的主轴ox、oy方向振动。它们的横电场幅度、由下式表示:式中是入射波E0与x轴的夹角。00cossinxyaEaE7.5.1单模光纤的偏振1.偏振演变(7.5.1)xaya式中βx，βy分别为基模HEx和HEy的传播常数。由于外场的微扰或光纤本身的不完善性，将造成βx≠βy。设Δβ=βx-βy，则两个模场之比有:exp[()]exp[()]xxxyyyEajtzEajtz考虑这两个基模在光纤传输中任意z处的电场:(7.5.2)zexp()yyxxEajzEa两个基模的合成模电矢量的末端轨迹表示了模的偏振态，同时唯一地取决于两个基模的相位差。显然，相位差不是一个固定常数，而是传输距离z的函数。随着z的增加，不断变大，因而合成模的偏振态也不断变化。下面详细分析合成模的以下几种偏振态:(1)线偏振模(2)右旋正椭圆偏振模(3)左旋正椭圆偏振模(4)椭圆偏振模(7.5.3)(1)线偏振模:当相位差=mπ(m=0，±1，±2，…)时，有:(2)右旋正椭圆偏振模:当=(4m+1)π/2(m=0，±1，±2，…)时，有:(1)yymxxEaEaexp[(41)/2]yyyxxxEaajmjEaa(7.5.4)(7.5.5)如果入射模E0与x轴夹角=±π/4，则ax=ay，这时上面的偏振模变成右旋圆偏振模:(3)左旋正椭圆偏振模:当=(4m-1)π/2时，有:yxEjEexp[(41)/2]yyyxxxEaajmjEaa(7.5.6)(7.5.7)yxEjEexp()yyxxEajEa(7.5.8)(7.5.9)同样当=±π/4时，，则变成左旋圆偏振模:(4)椭圆偏振模:这是最一般的情况。当相位差为上述数值以外的任意值，则偏振态由式(7.5.3)形式表示:当为2mπ(2m+1)π区间的值，即sin0时，合成模为右旋椭圆偏振模。当为(2m+1)π(2m+2)π区间的值，即sin0时，合成模为左旋椭圆偏振模。xyaa由上述讨论可知，当两个基模的相位从0到2π之间变化时，合成模偏振态将按线偏振(=0)→右旋椭圆偏振(0π)→左旋椭圆偏振(π2π)→线偏振(=2π)的顺序，周期性地重复演变。拍长:在偏振态的一个重复演变周期内，模式传输所走过的距离Λ。显然一个拍长Λ可由下式表示:2/(7.5.10)因此，由于外场的微扰作用或光纤本身的不完善性，原来简并的模式分开了(Δβ≠0)，造成上述的偏振演变现象。exp()exp()xxxyyyaCjzaCjz2.基模的耦合以上是从合成模振动矢量的末端轨迹来讨论光纤的偏振演变。同样，从单模光纤的两个正交的基模和出发，在理想规则波导的条件下，，两模之间没有耦合，各自保持相互垂直的线偏振状态。它们的合成场:以及:xxyyEaeae(7.5.11)Cx，Cy模场的幅度系数，均为常数(7.5.12)11HEx11HEyxy()()()()()()xxxxxyyyyyyyxxdCzjkCzjkCzdzdCzjkCzjkCzdz如果光纤受外场的微扰作用，则两模式的传播常数发生了变化:βx≠βy，从而两模之间产生了耦合，其耦合方程有:式中，为两模式间互耦合系数，这里取的是虚数；两模的自耦合系数,(7.5.13)xykyxkyykxxk'xxxxxkk'yyyyykk/2xxyykk根据两模式的总功率守恒的条件，在假定光纤无损耗时令，,,假设初始条件:当z=0时，入射模Cx(0)=1，Cy(0)=0，则式(7.5.13)的解可写成以下形式:xyyxkk2xyxykkkxxyykk1/222/2sk()[cos()sin()]exp()2()sin()exp()xyxyCzszjszjzskCzjszjzs(7.5.14)上式说明两个正交的模式将以L=π/s为周期反复地作能量交换.此外，在多模光纤中，因为所有的模式都可能参与耦合，情况更为复杂，因而总的合成模场的偏振变化是随机的，由此看来考虑多模光纤的偏振态意义不大。7.5.2单模光纤的双折射光的双折射与光的偏振效应同是介质的光学各问异性的两种现象。双折射:指单模光纤两个基模的传播常数β出现差异的现象.表示双折射的方法有多种，最简单的方法是用Δβ来表示，也可用参数B表示://xyBnnn(7.5.15)xy用B参数来表示合成模式偏振旋转周期的拍长为：2/B(7.5.16)由于微扰而产生的单模光纤双折射有以下三种情况:(1)单模光纤截面椭圆度的双折射:在许多情况下，由于外场的微扰作用会使光纤截面产生非圆度或椭圆度，这样光纤的几何畸变可以等效为介质的介电常数ε的畸变Δε(2)单模光纤弯曲的双折射:光纤的弯曲，使纤芯截面有椭圆度，通常用量e来表示:e=μa/R由于光纤弯曲，相对于曲率中心的光纤芯轴的外半部分受拉力，内半部分受压力，造成应变，从而导致折射率的变化，即所谓光弹效应。(7.5.17)(3)单模光纤扭转的双折射:扭转几何形变会引起两个基模的耦合产生圆偏振模；扭转的光弹效应是由于扭转力在光纤里产生一个弹性应变场引起的。7.5.3偏振型单模光纤根据实际应用，对单模光纤的偏振态将提出不同的要求。下面就把几种主要的偏振型单模光纤作简单的介绍。1.低双折射光纤1)由于光纤制作上的不完善性，出现了许多畸变。2)光纤的残余内应力是由于纤芯和包层的热膨胀系数不相等所造成的纤芯有椭圆度，使横截面上两个横向坐标方向的应力不同，从而产生光弹效应并导致双折射。此外，还可用互补偿的方法来降低双折射。2.高双折射单模光纤与上面相反，这里需要的是尽可能高的双折射的光纤。当光纤双折射很大时，由于两个基模的传播的传播常数之差Δβ很大，拍长Λ=2π/Δβ就很小，由微扰产生的耦合作用也就很小，从而在光纤中所激励的某一基模如,可以在较长的距离内保持主导地位，以使偏振态基本恒定不变。实现光纤具有高双折射的途径，通常是采用加大纤芯椭圆度和加强光纤的内应力。如图7.5.1所示，强内应力的高双折射光纤除了椭圆外包层型，椭圆外套型外，还有熊猫型、蝴蝶结型等结构图7.5.1高双折射光纤结构11HExxy3.绝对单模光纤通常的单模光纤具有相互正交的偏振模和如果想办法把光纤设计成使这两个偏振基模的传输损耗不相等，以致使其中一个模截止或使两模的消化比达几十个分贝，例如50dB，光纤内就只剩下一个偏振在传输了，这种光纤即是真正的单模光纤。11HEx11HEy为了实现两个基模具有不同衰减的目的，采用的方法是使光纤的内包层的折射率具有最低的折射率。如图7.14所式，在轴对称的折射率分布中，加两个折射率“深谷”，并满足:2[()]20nrnrdr(7.5.18)图7.5.2W型光纤的折射率分布的关系，其中n2为外包层折射率。这种折射率分布曲线如W字形，是W型光纤的一种。在这种光纤中，两基模分别得两个不同的截止频率，即存在ΔVc。W型光纤的具体结构如图7.15所示，有“边坑”式，“边坠道”式等。图7.5.2W型光纤的具体结构