（电路与系统专业论文）双折射多孔光纤偏振特性测试技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 近年来多孔光纤以其独特的结构和性能而备受研究者的关注，其重要特性之 一是可以通过灵活的结构设计实现较高的模式双折射率，同时具有良好的温度稳 定性。拍长是表征双折射光纤偏振特性的一个关键指标，本论文依托国家自然科 学基金资助项目，主要研究了多孔双折射光纤的拍长测试技术。 论文首先综述了多孔双折射光纤的国内外研究概况，并分析比较了测量双折 射光纤拍长的几种常用实验方法。结合多孔光纤特殊的包层微孔结构，选定磁光 调制法和背向切割法作为主要研究内容。为了能够迅速准确地测定出光纤尾端出 射光的偏振态，首先研制了一套多功能偏振态自动检测仪。该系统采用n i 公司 的数据采集卡和l a b v i e w 软件来组成虚拟仪器，采用光电开关控制数据的实时采 集，实现旋转检偏器角度的精确定位。通过数据插值重采样，解决了电机转速不 稳定带来的系统误差，并通过傅立叶级数变换，来得到椭圆偏振态的斯托克斯各 参量。该系统每秒钟可以采集、处理和显示1 5 个偏振椭圆，基本上满足实验室 实时测试的需要。该系统具有多重功能的模块化结构，既可以测量自由空间光束， 也可测量光纤出射光。既可作为偏振态测试仪，也可作为光功率计使用。 在此系统的基础上，进一步搭建了磁光调制法和背向切割法拍长测试系统， 对实验室现有的多孔双折射光纤样品进行了测试，在测试过程中进行了大量的数 据处理和分析，得到了精确合理的拍长测试结果。在磁光调制测量系统中，着重 分析了在不同的入射光偏振态和不同的渥拉斯顿棱镜检偏角度下输出信号的变 化规律及相应的测试灵敏度的大小，找到了达到最大灵敏度的三种起偏方式和检 偏方式。在背向切割法测量系统中，研究了确定出射光的偏振椭圆旋向的实验方 法，提出了多锯齿波和单锯齿波两种数据处理拟合方案，扩大了拍长的测试范围， 使背向切割法能够测量拍长为毫米量级的高双折射光纤。 在光纤拍长测试实验中引入虚拟仪器技术后，自动化程度提高，人机交互界 面更加友好，在较大程度上提高了工作效率。 关键词：多孔光纤；双折射；偏振特性；虚拟仪器；拍长。 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，h o l e yo p t i c a lf i b e rh a sb e e nc o n c e r n e dd u et oi t su n i q u eq u a l i t y , w h i c hc a na c h i e v eh i g hb i r e f i i n g e n c eb yf l e x i b l es 们l c t u r ed e s i g na n dm e a n w h i l e m a i n t a i ng o o dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y s i n c eb e a t l e n g t hi sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e rt o e x p r e s st h ep o l a r i z a t i o nc h a r a c t e ro ft h eb i r e f r i g e n to p t i c a lf i b e r , b e i n gs u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e sf o u n d a t i o np r o j e c t s ，t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo ft h eb e a t l e n g t ho ft h eb i r e f r i g e n th o l e yo p t i c a lf i b e r t h er e s e a r c hs k e l e t o no nb i r e f f i n g e n th o l e yo p t i c a lf i b e ri nd o m e s t i ca n da b r o a d i sf i r s t l yr e v i e w e di nt h ep a p e r , a n dt h e ns e v e r a lc o m m o nm e a s u r e m e n tm e t h o d so f b e a t - l e n g t ho ft h eb i r e f r i g e n to p t i c a lf i b e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d c o n s i d e r i n g t h em i c r oh o l es t r u c t u r e i nc l a d d i n go ft h e h o l e yo p t i c a lf i b e r , w et a k et h e m a g n e t o - o p t i cm e t h o da n dt h ec u t b a c km e t h o da st h em a i nc o n t e n t st or e s e a r c h i n o r d e rt oq u i c k l ya n dp r e c i s e l ym e a s u r et h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) o ft h eo u t p u t l i g h tf r o mt h ee n do ft h eo p t i c a lf i b e r , as e to fm u l t i f u n c t i o n a ls o pa u t o d e t e c t i n s t r u m e n ti s d e v e l o p e dh e r e t h i ss y s t e ma d o p t st h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d l a b v i e ws o f t w a r eo fn ic o m p a n yt oc o n s t r u c tt h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，a n du s e st h e p h o t o e l e c t r i c a ls w i t c ht oc o n t r o lt h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n , s ot h a tt h ep r e c i s e o r i e n t a t i o no ft h ea n g l eo ft h er o t a t i n ga n a l y z i n gp r i s mi sr e a l i z e d t h r o u g hd a t a i n t e r p o l a t i n ga n dr e s a m p l i n g ，t h ee r r o rc a u s e db yt h ei n s t a b i l i t yo ft h er o t a t i n gr a t eo f m o t o ra r es o l v e d ，a n dt h ev a l u e so fs t o c k e sp a r a m e t e r st h r o u g hf o u r i e rt r a n s f o r ma r e a c h i e v e d i tc a r la c q u i r e ，p r o c e s sa n dd i s p l a y15p o l a r i z a t i o ne l l i p s e sp e rs e c o n dw h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m em e a s u r e m e n ti nt h el a b o r a t o r y t h es y s t e mh a s m u l t i f u n c t i o n a lm o d u l a r i z e ds t n j c t u r e ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r et h el i g h tb e a m i ns p a c ea n dt h el i g h to u to ft h eo p t i c a lf i b e r i ta l s oc a r lb et a k e na si n s t r m n e n tf o r m e a s u r i n gs o p a sw e l la so p t i c a lp o w e rm e t e r b a s e do nt h ea b o v es y s t e m ，t h em e a s u r e m e n t s e t u p o fb e a t - l e n g t hb y m a g n e t o o p t i cm o d u l a t i n gm e t h o da n dc u t b a c km e t h o da r ec o n s t r u c t e d l o t so fd a t a p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n ga r em a d e i nt h em e a s u r e m e n te x p e r i m e n t sf o rt h eb i r e f r i g e n t h o l e yo p t i c a lf i b e rs a m p l ei no u rl a b o r a t o r ya n dt h e r e s u l t sa r ea c c u r a t ea n d v i 上海大学硕士学位论文 r e a s o n a b l e i nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mb ym a g n e t o o p t i cm o d u l a t i n gm e t h o d ，t h e v a r i a t i o nr u l eo fo u t p u ts i g n a la n dm a g n i t u d eo ft h es e n s i t i v i t yu n d e ri n p u tl i g h tw i t h d i f f e r e n ts t a t eo fp o l a r i z a t i o na n dd i f f e r e n tl y i n gs t y l eo fw o l l a s t o np r i s ma l em a i n l y a n a l y z e d f i n a l l yw ef i n dt h eo p t i m a lp o l a r i z i n gs t y l ea n da n a l y z i n gs t y l ew h e nt h e s e n s i t i v i t yi s t h em a x i m u mt h r o u g he x p e r i m e n t i nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mb y c u t b a c km e t h o d ，w es t u d yt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d st om a k es u r et h er o t a t i n g d i r e c t i o no ft h e p o l a r i z a t i o ne l l i p s eo f t h eo u t p u tl i g h t t w om e t h o d so fd a t a p r o c e s s i n ga r ep r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hw i d e nt h em e a s u r e m e n tr a n g ea n dm a k e i tp o s s i b l et om e a s u r et h eb e a tl e n g t ho fh i - b io p t i c a lf i b e rw i t ht h ev a l u ei nm i l l i m e t e r r a n g eb yc u t b a c km e t h o d a f t e rt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti si n t r o d u c e di nt h em e a s u r e m e n te x p e r i m e n to f b e a t l e n g t ho fo p t i c a lf i b e r , t h ed e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o ni si m p r o v e d ，t h eg u i i sm o r e b e a u t i f u la n df r i e n d l y , a n dt h ee f f i c i e n c yi sr a i s e d k e yw o r d ：h o l e yo p t i c a lf i b e r ；b i r e f r i n g e n c e ；p o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r ；v i r t u a l v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鱼重亟日期：逊：墨望 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 缝受：日期：乏! 兰：主：望 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本研究课题来源于国家自然科学基金项目“具有高双折率的光子晶体光纤的 研制及其保偏特性的研究 ( 项目编号：6 0 1 7 7 0 2 6 ) 和“变速旋扭双折射多孔光 纤偏振转换特性的研究( 项目编号：6 0 7 7 7 0 3 1 ) 1 2 选题背景及研究意义 多孔光纤( h o l e yo p t i c a lf i b e r ，h o f ) 或称光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ，p c f ) 是最近几年特种光纤研究领域的热点课题，典型的p c f 结构是在光 纤包层中含有二维周期性排列的微小气孔( 微米量级) ，而纤芯是纯石英材料或 空洞结构【1 2 】。p c f 光纤截面结构参数的可变范围很大，通过合理的设计和配置， 可以对光纤的各种传输特性进行调控【3 羽。特别是p c f 包层中微孔大小和分布偏 离对称性结构时，就会产生双折射。通过合理设计p c f 多孔包层中的非对称性结 构，可以将其双折射值提高到接近甚至优于常规保偏光纤( 如熊猫或领结型) 的 数值0 1 。根据最近几年国内外对双折射p c f 的研究结果 u - 1 7 1 ，由于双折射p c f 主要是由非对称结构的微气孔和纯石英材料组成，缓冲了外部应力对纤芯的作用 强度，也减缓了环境温度的变化对其性能的影响，使它比传统的应力型双折射光 纤，具有更好的温度稳定性和偏振态保持能力；其双折射率随波长的变化曲线与 应力型高双折射光纤的也不相同，可以在很大的自由度内，选择设计不同的微气 孔几何结构，予以优化调整，甚至可以在一定的波长范围内，设计出与波长无关 的双折射拍长。基于这类多孔双折射光纤，可以设计制作出具有良好的温度和波 长稳定性的光纤器件，应用于光纤陀螺和全光纤大电流传感器中，可以增强抗扰 动能力，提高系统的稳定性和可靠性。 随着光纤传感器以及通信用保偏光纤的快速发展，高双折射光纤( 通常称为 保偏光纤) 的性能越来越受到用户的重视【1 8 】。保偏光纤的质量已成为决定光纤 传感器品质的重要因素，要提高保偏光纤的质量，除了需要在制造工艺上下大工 上海大学硕士学位论文 夫外，对测试结果的正确性也不能忽视。保偏光纤除了要像常规单模光纤一样， 进行张力筛选，测试几何尺寸、衰减、模场直径、截止波长和涂层的机械剥离性 等指标外，还需要测试偏振串音和拍长这两项特性参数。偏振串音是一段给定长 度的光纤样品的整体特性指标，其测试方法较为简单，技术较为成熟。而保偏光 纤拍长的测试是一项技术含量相当高的工作，到目前为止，从国际范围来看，测 量偏振串音消光比的成套仪器已经商业化，但还没有非常成熟的、商业化的拍长 测试仪器面世。 拍长是指两正交偏振模的相位差达3 6 0 度时的光纤长度，它是表征光纤双折 射大小或强弱程度的一个非常客观的参数，用不同的方法测出的拍长具有可比 性。对于传统的双折射保偏光纤，测试双折射拍长所采用的主要方法有：偏振横 向散射法( 又称瑞利散射法，或侧向观察法) ，偏振光时域反射计法，扭转法， 侧向压力法，压力调制法，光弹性调制法、波长扫描法、磁光调制法和背向切割 法等1 9 。2 3 1 。目前关于保偏光纤拍长测量方法的技术标准( 如我国的( ( g j b 3 4 9 4 9 8 偏振保持光纤规范的附录b ) 规定压力移动相干外差法、调制压力移动功率变 化法和压力移动功率变化法为基准测量法，移动磁场功率变化法则是代用测量 法。标准中还规定，如果不同方法的测量结果不同，仲裁时应以基准测量法的测 试结果为依据。可见，拍长的测试还处于一个探索的阶段，还没有一种方法相比 于其他方法有更大的优势，可以取代其他方法。用调制压力移动功率变化法测拍 长相对来讲是一种比较好的方法，但是对于具有多孔结构的光子晶体光纤来说， 由于侧向压力无法刚性地传递到光纤芯部，其测量结果的灵敏度和准确度都大受 影响，相比之下，磁光调制法和背向切割法不受光纤包层多孔结构的影响，则更 适合对多孔双折射光子晶体光纤的拍长进行准确的测试。因此，我们针对具有多 孔包层结构的双折射光子晶体光纤的特点，选用磁光调制法和背向切割法对其拍 长进行测试研究。 但是，目前所采用的磁光调制法和背向切割法还存在一定的不足之处，在磁 光调制法中，原有的实验方案，要求入射的偏振光为线偏振光，且其偏振方向要 求与保偏光纤的双折射主轴方向要预先调到一致，操作步骤烦琐，实验误差较大。 本论文则对入射光路的注入偏振态以及出射光路中的渥拉斯顿棱镜的检偏方式 进行了深入研究和优化设计，提高整个系统的可操作性，进而减少实验误差。在 2 上海太学自学位论文 背向切割法中，原有的检测方案要求每段光纤的切割长度要远小于待测光纤的拍 长值，在一个拍长范围内至少要切出四、五段来才能进行数据处理，这对于双 折射率不是太高的光纤( 其拍长值可以达几厘米、几十厘米或更长) 来说，难度 不大，但对于拍长值仅为几毫米的高双折射光纤来说，很难操作。因为采用精密 的光纤切割刀对光纤进行切割时，都要预留一段1 厘米以上的距离，实际切下的 长度般会大于2 厘米，这对于高双折射光纤来说，已经跨过了好几个拍长了。 针对这种情况，我们计划采用参数拟合的数据处理方法，将背向切割法的测量范 围扩展到拍长为毫米量级的高双折射多孔光于晶体光纤。通过这些改进和创新， 我们建立了一套完善的拍长测试系统，为进一步研究双折射多f l 光予晶体光纤的 拍长随内部结构参数、外部温度和工作波长等的变化关系驶其相关的传感和通 信系统的研发提供了精确可靠的测试手段。 1 3 多孔双折射光纤的国内外研究概况 近年束对光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l ) 的研究已成为光电子研究中一大热 点，这种首先由y a b l o n o v i t c h 【2 4 11 9 8 7 年提出的具有折射率周期性结构的材料， 能主动控制光子的运动具有比电子晶体材料更吸引人的特性，给光通信技术的 发展和应用带来了新的生机和活力。 9 9 6 年英国b a t h 大学的tab l r k s 等人首 次研制出了第一根多孔结构的光子晶体光纤( 由于在周期性结构中引入了缺陷， 对应于光纤的纤芯，从而形成波导来导光) ，给光纤制造和应用带来了叉一次 革命性的飞跃，近几年来有关的理论和试验研究成果层出不穷。一般把光子晶体 光纤分为两大类：一种是纤芯由纯硅填充的全内反射型( i t r ) 光纤，见图1 1 ： 另一种是纤芯为低折射率介质( 多为一个空气孔) ，利用微结构形成的光子带隙， 由布拉格衍射机制来导光的光子带隙波导型( p b g ) 光纤，见图l _ 2 。 图1l 全内反射型光子晶体光纤 图l2 光子带隙波导型光千晶体光纤 上海大学硕士学位论文 最近通常所说的多孔光纤常常所指的也就是光子晶体光纤或微结构光纤，与 常规的普通光纤不同，多孔光纤是一种微结构硅光纤，沿光纤长度方向存在几个 或几十个延伸的微型空孔( h o l e ) 。由于引入微孔可以得到在石英玻璃中掺杂所 无法实现的大折射率差，所以可以获得常规光纤所没有的各种新的特性。光子晶 体光纤已经表现出了一些优异的特性，如它的无波长限制单模传输、色散可控、 低非线性( 大模场直径) 、强非线性( 细芯) 、强双折射、带隙限制空芯导光等诸 多新奇特性 2 5 - 2 6 】。这些新特性为一些新式光子晶体光纤器件的设计提供了可能： 可以利用光子晶体光纤制作宽带光纤放大器、高功率光纤激光器、宽带可调谐光 纤光栅、光衰减器、波长变换器、用于高调制速率数据恢复与整形的光开关 2 7 - 2 8 l ； 利用光子晶体光纤非线性进行拉曼光纤放大器和激光器的研究将可以极大拓宽 目前光通信用波段范围，利用非线性光子晶体光纤产生超连续谱，从整个可见区 到红外，光谱宽度可达到1 0 0 0 n m ，对w d m 系统的发展具有很大的吸引力【2 9 。1 】： 利用在空气孔中填充特殊材料的手段可以制作光衰减器和用于倏逝场传感器件； 经过合理设计，光纤可以具有平坦的高色散值，这种特性可以用于数据传输过程 中的色散补偿和管理；利用光纤的非线性和反常色散特性可以产生光孤子等。而 具有光子禁带的空芯光子晶体光纤更是具有特殊的性质与应用，由于光是在空气 芯中传播的，可以具有超低的损耗和超低非线性，除了在光通信领域的应用外， 最近还显示出了在粒子光钳，小体积x 一射线源等方面的优势。光子晶体光纤的 这些特殊性质，引起了国际上各发达国家科学家的注意，正在抓紧研究开发。利 用光子晶体光纤制作成光子器件还涉及到一些重要的机理问题和技术问题。这些 机理和技术的研究解决将极大推动光通信领域的发展，提高我国在这个领域的竞 争力，对整个国民经济的发展也具有重大意义。 折射率导引型光子晶体光纤是最早制作成功的一类光子晶体光纤，也是目前 光子晶体光纤领域研究最多、成果最丰富、应用前景最广的一类光纤。折射率导 引型光子晶体光纤与传统光纤相比有许多新奇的特性，如： ( 1 ) 无截止单模特性：对光子晶体光纤而言，只要微孔直径与微孔间距之比 小于一定值，无论什么波长都能单模传输，似乎不存在截止波长。更为重要的是， 这种特性与光纤的绝对尺寸无关，无论光纤尺寸放大或缩小，照样可保持单模特 性，因此可以根据特定需要来设计光纤的模场面积 3 2 】。 4 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 奇异的色散特性：在光子晶体光纤中，色度色散特性强烈依赖于包层中 微气孔的尺寸、形状和排列，利用这一特点可以方便地设计光纤的色散值。此外， 光子晶体光纤零色散点还可调节，只要改变它的气孔尺寸，便可以在几百纳米内 得到零色散的光纤，这预示着p c f 在未来超宽波分复用系统中将扮演着重要角色 【3 3 - 3 5 】 o ( 3 ) 双折射效应：光子晶体光纤研究初期，研究者把注意力主要集中在具有 均匀周期结构包层的光纤上。在研究过程中，周期结构不完整性对光纤双折射的 影响，启发了多家研究机构几乎同时通过引入不对称性，以获得具有高双折射的 光子晶体光纤。2 0 0 0 年，t m m o n r o 等对包层微孔随机分布的微结构光纤的研究 表明，这种光纤同样具有周期性结构光子晶体光纤的诸多特性，而且给设计和制 作带来了很大的可控空间，也为制作新型的保偏光纤提供了可能【3 6 1 。多孔光子 晶体光纤的这些特性有效地增强了光纤的各种性能，扩展了光纤的应用领域。这 种h o f 不要求包层气孔具有严格的周期性结构，也不要求气孑l 具有大的直径，而 且这种导光机制的h o f 实现起来相对比较简单。 在折射率引导型多孔光子晶体光纤中，虽然比包层折射率高的纤芯保证了光 的传输，但与波长紧密联系的包层折射率提供了与普通光纤的许多不同特性，可 以通过改变光纤的波导结构参数，实现对色散、传播模式和偏振的控制，其所赋 予的诸多新奇性，使得此类光纤不仅可以看成优异的光传输介质，也可以用来制 作各种新型的光纤器件。 最近研究的还有双包层多孔光纤，这种光纤通过掺杂来形成内包层，主要用 于激光器和光放大器上；还有非线性多孔光纤，它的微结构包层和纤芯之间具有 很高的折射率差，对导模有很大的限制性，其对应的有效模场小这有利于产 生非线性，同时这种波导结构能够产生大范围的波导色散。 基于多孔光纤具有的诸多优点，它在未来光电子的发展中将具有重要的意 义：我们可以把它用在相干光通讯系统中，使群时延的影响大大降低；由于多孔 光纤奇异的非线性，可用它来进行非线性光纤光学研究；也可以把它应用于光纤 传感，新型超宽带激光器光源以及新型光纤器件等研究领域。最近m l e h t o n e n 等人用高双折射多孔光纤进行了超连续谱产生实验，不仅得到了从4 0 0 n m 到 1 7 0 0 n m 都较平坦的超宽连续光谱，而且发现超连续的产生与泵浦激光的偏振态 上海大学硕士学位论文 和波长等参数有直接的依赖关系瞳引。近年来世界各地的科学家还研究了聚合物多 孔光纤实现的情况，从目前的研究报道看，通过使用传统的石英多孔光纤的制备 方法来实现塑料多孔光纤，还是有很大的工艺上的缺陷，但是一旦获得突破，将 又是光纤研究中的一大飞跃，因为这种结构的塑料光纤将克服现有塑料光纤损耗 大的缺点，而且还能实现可在线调节的色散特性，能彻底解决最终实现光纤到户 的关键难题。 一般的多孔光纤由于其微孔结构的移位和形变，本身就有一定大小的残余双 折射，但保偏光纤( 或高双折射光纤) 中能够通过人为设计引入的可调高双折射才 是我们关注的。从双折射的产生机制来看，对高双折射多孔光纤的设计可借鉴传 统高双折射光纤的设计，关键是要改变纤芯附近两个横向正交方向的有效折射率 差，一般可以采用改变微孔或者纤芯的形状、大小、孔间距以及孔的分布的方法； 也可以采用掺杂或在气孔中注入气体液体等方法。制造时，首先拉出一定形状和 大小的二氧化硅毛细管和硅棒，再把它们堆积成一定的形状形成预制棒( 这在产 生高双折射时是很有用的，比如在包层中用实芯棒代替部分毛细管) ，最后在传 统的高温拉丝塔中拉出多孔光纤( 注意拉丝过程中要保持空气孔的排列和占空 比) ，下面综述几种新型的高双折射多孔光纤的结构模型和双折射特性： 1 ) 等效椭圆芯多孔光纤 这种光纤的截面结构如图2 3 所示，由于引入的缺陷的不完善( 非圆对称和 来自包层的不均匀应力) ，而引起多孔光纤正交方向的双折射率差，分析时可以 把纤芯等效为一个椭圆【3 7 1 。利用平面波展开法的计算结果表明：在波长为5 8 0 n m 处，其双折射率血1 0 叫( 在传统保偏光纤的范围处) 。 a ) 光簦f 嫱掏 蓼霸 ：r 霹j 暑 玩7 篡督 素爨0 。：，。：、一，： t t f 五一 图2 3 等效椭圆芯的截面样图 图2 4 通过计算得到的两个正交方向的模场分布 2 ) 椭圆气孔多孔光纤 这种光纤的截面结构如图2 5 所示，以前一般把包层气孔设计成理想的圆形 6 t 海大学颈 位论文 并且是圆对称分布的，也即包层的基模是简并的，而这种多孔光纤的包层气孔是 椭圆形的，一般用大气孔的预制棒更容易得到这种光纤。计算结果表明这种光纤 的模式双折射除了与波长有关，还与纤芯的大小( 纤芯越小，双折射越大，这里也 可用模场面积a 来表示) 以及气孔的椭圆度有关，如图26 所示。 _ 褶瓣淞 惩0 拳萋嚣0 蠡 ( 憾 o ：n o a 0 旺3 0 3 - d , m 6 | 1 | 4 o 掰。o 。 ! qq0 ， 图25 椭圆包层气孔p c f 光纤截面图26 椭圆包层气孔光弄的在短波长时的般折 射受频率v 和气孔椭圆度n 以及模场 面积a ( a = o0 7 5 0i ，02 ，03 ) 的影响 3 ) 非对称大气孔光纤 这种光纤的截面结构如图27 所示。多孔光纤的早期研究注重结构的周期性 和对称性，但很多研究表明。非对称结构不但具有同样的特性，还为新型高双折 射光纤的研究提供了新的方法。最近的研究者更是想到在部分气孔中注入气体或 者液体( 这种光纤的包层一般为几圈甚至一圈气孔) ，而且由于这些气体或液体 随温度的变化，使得取折射具有很大的可调性，这对光纤在传感中的应用也是一 个大的突破 州。如图为三种分布不同的这种光纤随温度改变的双折射变化曲线。 $ a 日 ! g ! $ 自 囤27 非对称大气孔光纤的s e m 图图2 8 三种非对祢走气孔光纤随温度变化的鼠折 射曲线，点线表示实验测试结果，实践表示 模扭计算结果 4 ) 气孔大小不一致的多孔光纤 这种多 l 光纤引入一组不同孔径的气孔，如图29 所示。般来说：当d , - d 。 直臣叵 i l l 坼 ( 脚一 。 一一 上海大学硬学位论立 时，此时两个正交方向的折射率差很小；而当d t 也时，出现快慢轴，即两个正 交方向有折射率差。由于这种多孔光纤的双折射大小由d l d ：比值决定，所以有 两种可能，一种是引入一组较小的气孔呻】，如图2 1 0 所示，这是一种已经生产 出的纯硅芯的光子带隙光纤端面的s 叫图，据报道，其拍长甚至可以小于l 唧。 荫o o o 黔“o d oo 审口。 囤29 气孔大小不一致光纤的端面样囤 另一种是引入一组较大的气孔( 4 l i u 黔 图2 i 0 当d - m 时，先歼端面的s e h 囤 这种光纤( 这里取d l d z = o 4 0 ) 在1 5 5 0 h m 处双折射系数可达l _ 4 1 0 ，而且这种光纤也已经有商用产品，如图2 1 1 所示 本论文测试所用的光纤样品，也是这种截面结构的双折射多孔光纤。 图2 1 1 当dz 0 ，则万= r ，c ，+ 2 m z ( m = o ，l ，2 ，) ，说明e y 的相位比e 。的超前万2 ，因 此其合成矢量的端点描绘一顺时针方向旋转的圆。这相当于观察者沿着平面光波 上海大学硕士学位论文 观察时，电场矢量是顺时针方向旋转的，这种偏振光被称为右旋偏振光。若 s i n , 9 0 时，表 示e 光超前；而当万 0 时，则表示0 光超前。 2 2 光纤中的双折射效应 当光纤的结构尺寸使光纤的归一化频率满足条件v 2 4 0 5 时，光纤中将只 传输基模h e 。而基模h e 。包含两个相互正交的本征模h e m 和h e m 。设基模h e 。 的电场强度振幅为e m ，则两个相互正交的本征模h e m 和h e 。，的振幅分别为 e = e m c o s 中和陆e m s i nc b ，由为输入偏振角。当光的角频率为u 时，两个正 1 2 上海大学硕士学位论文 交本征模的传播常数分别为b 。和dyy 经过距离z 后，则这两个本征偏振模的 电场强度表示为： 善三乏咖s i n 似( c o t 二器 ( 2 2 _ 1 ) e ，= e 肼一，z ) 。 两个本征模h e m 和h e m 按照( 2 2 - 1 ) 式的规律，在光纤中沿光纤轴的z 方向 传播，这时，光纤的传输特性取决于光纤本身是否存在着双折射现象。 单模光纤为理想情况，是指其横截面无畸变，为完整的真正圆，并且纤芯内 也无内应力，光纤本身是直的，其折射率沿光纤轴也是均匀的。这时，两个本征 偏振模h e m 和h e m 在光纤中传输就像在各向同性介质中传输时一样，其振幅和 传播常数都一样，并且在传输过程中不变，即： 万= ( 展一f l y ) z = 等( h x - - n y ) z ( 2 2 2 ) 几l 。，一，、 此时，在这种理想单模光纤中没有双折射，也不会产生偏振模色散。 然而，实际的单模光纤并非是理想的，例如，由于技术上或工艺上的原因， 在拉制过程中常常使光纤的纤芯发生几何畸变，呈椭圆形；由于挤压、弯曲或扭 转，也常常使纤芯受到非对称的横向应力作用，外部电场、磁场和温度也会对光 纤的偏振传输特性产生扰动。所有这些因素，都会使光纤芯部的折射率在光纤横 截面上发生各向异性的分布，而且还有可能在光纤的纵轴方向产生不均匀分布。 由于上述诸多因素的影响，其中两个相互正交的偏振模h e m 和h e 。，在传输过 程中不再简并，而是出现了传播常数差，即展，。这时，光纤中不仅出现双 折射现象，而且光纤中的偏振态也极不稳定，随着传输距离的增长，其偏振椭圆 的椭圆度和长短轴方向都会发生一系列复杂的变化。 两个本征偏振模h e m 和h e m 受单模光纤双折射的影响，在传输过程中产生 了传播常数差a p = i 乃一工i ，通常称为光纤的模式双折射4 4 1 。以e x 和e y 为 坐标点的轨迹将是一个椭圆，方程如式( 2 2 3 ) 所示： ( 参) 2 + ( 每) 2 2 ( 乏 ( 每) c o s a f l z = s i n 2 筇z ( 2 2 - 3 ) 由此可知，当线偏振光通过长为z 的光纤以后，一般地说，会得到椭圆偏振 光，依筇z 数值之不同，椭圆形状也不同。当z = 力万( n = o ，1 ，2 ) 时，椭 上海大学硕士学位论文 圆蜕变为直线，此时为线偏振光( 线双折射) 。当= 且z = ( 2 n + 1 ) x 2 ， 光波的电场矢量端点描绘出的轨迹是圆偏振光。只要光纤的纵向特性不变，两个 线偏振态就以固定的传播常数差筇沿光纤轴向传播，这种情况称为均匀双折射。 如果以线偏振光注入到光纤，则光的偏振态沿光纤长度方向成周期性的变化。图 2 1 就形象地描绘了这种变化情况。 图2 1 ( a ) 均匀双折射光纤各处的偏振状态 6 一们6 一吡 6 一手尢 5 尢 图2 1 ( b ) 相应于图2 1 ( a ) 中不同z 值处的偏振状态( 一个周期的情况) 单模光纤中基模的两个互相垂直的偏振模的方向通常是固定的( 均匀双折 射) ，它就是椭圆方程式的两个主轴，图2 1 表示当线偏振光与主轴成4 5 0 注入 光纤时，均匀双折射对光波偏振态的影响。 由图2 1 看出在纵向均匀的光纤中，光的偏振状态随z 的增加呈周期性的变 化，其变化周期记作厶，厶称为光纤拍长或耦合长度。光纤拍长乙是基模的两 个线偏振模之间相位延迟z 从2 n x 到2 ( 7 r 一1 ) 之间对应的光纤长度，n 为正 整数。显然，拍长。与光纤双折射和归一化双折射有如下关系： 1 4 圈囫圈田囹峥囹囡囹 团 上海大学硕士学位论文 口= 寿 ( 2 2 - 4 ) 由此可知，光纤双折射越强，拍长越短。如果拍长能远离一般常存在的各种 干扰周期，这种光纤就能保持单偏振。 单位长度的光纤中两个正交偏振模之间的群时延差通常称之为偏振模色散， 也有人称之为偏振色散，记作f 。，且有： t p = f 石1 = 万d ( 风一纠一乏丢( a p ) ( 2 2 - 5 ) 式中下标x ，y 表示相应于两个正交偏振轴的参数，f 工、f ，分别是两个正 交偏振模所对应的单位长度的时延值，g o 和名分别为光波的角频率和波长，c 为 真空中的光速。r 。的量纲为秒公里。 通常，在零色散波长处使用的单模光纤由于波导色散和材料色散互相抵消， 此时偏振模色散的影响就不可忽视，因此偏振模色散的测量也就显得非常必要。 当线偏振光的偏振方向按脏1 。模的振动方向注入双折射光纤时，经过光纤 传输后，在出射端出现了h e 7 。，说明在h e l 。的传播过程中，偏振状态发生了变 化。用消光比表示偏振状态恶化的程度，其定义为： 刁= 一l 。1 9 p p - - ，- 1 ( r i b ) ( 2 2 - 6 ) 式中p 工和0 分别代表光纤出射端h e 。和h e y 。模所携带的平均功率。消 光比的大小反映了光纤保持偏振能力的强弱，也说明两个偏振态之间的能量耦合 情况。刁是一个可直接测量的量。 从导波耦合理论可以得出只b = t a n h ( h z ) ，此处h z 为双曲线正切函数的 变量，h 为功率耦合系数，它决定于光纤本身的特性。 上海大学硕士学位论文 2 3 光纤中光学偏振态的演化 2 3 1 影响偏振态演化的各种因素 光的偏振态有两个方面的决定因素：振幅和相位，振幅的大小一般通过光强 来表示和测量，相位是一个与时间和传播距离都有关的量，能够引起光纤中两个 正交方向的振幅和相位差变化的因素很多，既有内部的难以改变的因素，也有外 界的人为可以调控的因素。其中，引起振幅变化的有： 1 ) 光纤的本征损耗：包括光纤的材料吸收损耗、散射反射损耗、辐射损耗， 这不仅与光纤的结构有关，还与光纤的材料分布均匀性有关。研究表明：一般材 料分部均匀的光纤中损耗较小，而且掺杂材料不同，吸收损耗也不同。 2 ) 光纤两个正交偏振态之间的耦合：耦合就是能量从一个地方转移到另一个 地方，在光纤中指的是两个正交偏振态之间的能量交换，研究表明：光纤的两个 正交偏振态之间的耦合度与双折射的大小有关，一般是双折射越大，耦合度越低， 高双折射保偏光纤就是利用这一点来实现保偏作用的。 3 ) 外界环境因素：如对单模光纤作用的机械应力引起的弯曲损耗、挤压损耗， 对振幅影响较大，而且在不同的方位引起的两个正交方向的偏振损耗不相等。 引起相位差变化的有： 1 ) 光纤双折射的大小：光纤双折射与偏振态相位变化的关系将在下面论述。 2 ) 两个正交偏振态之间的耦合：耦合不仅可以引起光强的变化，还会反过来 影响双折射的大小，从而引起相位差的变化。 总之，引起光纤中光的偏振态变化的因素很多，但所有因素可以总结为损耗 和双折射。对于一段光纤输出光的偏振态的变化，可以认为是一个随机的过程， 尤其是长途的光纤通信链路，下面我们将具体研究偏振态的这一变化过程。 2 3 2 利用琼斯矩阵来研究偏振态的变化 光纤中的光偏振态都可表示在两个正交方向上，可以分解为正交的线偏振、 左右旋圆偏振或椭圆偏振光嗍( 从数学的角度看，任意的两个正交线偏振、椭 圆偏振也可合成) ： 1 6 上海大学硕士学位论文 三 = 彳 三 + b ： = 丢c 彳+ 归) j + 圭c 彳一声 二 ( 2 3 - 1 ) 以任意偏振光为例，研究其沿光纤传输时，偏振态的变化可以表示为： 乏： = ：【，。一。】【l 一：】【，l 】e e l l y ，1 = p 】- e e l l y 。 ( 2 3 - 2 ) 在最一般情形下，光纤中既具有线双折射又具有圆双折射，为了研究的简单 化，在不考虑损耗和耦合的情况下，可以把出射光表示为： 阱 二州e 玩l y ( 2 3 - 3 ) 彳( 扣科詈) ( 2 3 - 4 ) 召：2 qs i n i 罢1 p 2 巾= + 一) ，：【6 z + ( 2 q ) 2 l 坨 由是左旋与右旋椭圆偏振波之间的相移；2q 和6 分别表示左右旋圆偏振波 之间的相移和线偏振波之间的相移： 2 q = o 且一b ) ， ( 2 3 5 ) 6 = 幛，一b y ) ， 其中，p 和p + 分别表示左旋和右旋椭圆偏振波的传播常数，p l 和p r 分别表 示左旋和右旋圆偏振波的传播常数，p 。和p y 分别表示x 和y 方向的线偏振波的 传播常数。当然，实际的光在光纤中传输远比以上讨论的要复杂得多，但这种分 析仍然使我们认识到光纤的双折射对光的偏振态的影响是明显的。 2 3 3 斯托克斯矢量法 1 8 5 2 年斯托克斯( s t o c k e s ) 提出用四个参量( 斯托克斯参量) 来描述光波 的强度和偏振态，与琼斯矢量不同的是，被描述的光可以是完全偏振光、部分偏 振光和完全非偏振光；可以是单色光也可以是非单色光。这四个斯托克斯参量都 1 7 上海大学硕士学位论文 是光强的时间平均值( 时间间隔长到可以进行测量) ，组成一个四维的数学矢量， 其定义如下： 令被讨论的光分别通过下述四块滤色片f l ，f 2 ，f 3 和f 4 ，测出通过滤色片后 的光强i l ，1 2 ，1 3 和1 4 ，则斯托克斯参量为 i = 2 1 l ( 2 3 6 ) m = 2 1 2 - 2 1 l ( 2 3 7 ) c = 2 1 3 2