光纤的基本特性及测试5

1、 理想的单模光纤模式是线偏振的，它的理想的单模光纤模式是线偏振的，它的两个基模两个基模HE11(x)和和HE11(y)是是相互垂直的线偏振模相互垂直的线偏振模。它们的。它们的传播常数相等传播常数相等，故彼此故彼此简并简并(=0)。在传播过程中，保持彼此相位相同，。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

2、变化。态的变化。 7.5 7.5 光纤的偏振与双折射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。要的意义。设单模光纤中，有一个线偏振的入射波设单模光纤中，有一个线偏振的入射波E0激励起两个正交的激励起两个正交的基模基模HE11(x)和和HE11(y)，并分别沿着两个特定的主轴并分别沿着两个特定的主轴ox、oy方向振动方向振动。它们的。它们的横电场幅度横电场幅度 、 由下式表示由下式表示:式中式中 是是入射波入射

3、波E0与与x轴的夹角。轴的夹角。00cossinxyaEaE7.5.1 7.5.1 单模光纤的偏振单模光纤的偏振1.偏振演变偏振演变(7.5.1)(7.5.1)xaya 式中式中x，y分别为基模分别为基模HEx和和HEy的的传播常传播常数。数。 由于外场的微扰或光纤本身的不完善性，由于外场的微扰或光纤本身的不完善性，将造成将造成xy。设。设=x-y，则两个模，则两个模场之比有场之比有:exp ()exp ()xxxyyyEajtzEajtz考虑这两个基模在光纤传输中任意考虑这两个基模在光纤传输中任意z处的处的电场电场:(7.5.2)(7.5.2)z exp()yyxxEajzEa 两个基模的合

4、成模电矢量的末端轨迹表示了模的偏振态，两个基模的合成模电矢量的末端轨迹表示了模的偏振态，同时唯一地取决于同时唯一地取决于两个基模的相位差两个基模的相位差 。 显然，显然，相位差相位差 不是一个固定常数，而是传输距离不是一个固定常数，而是传输距离z的函数。的函数。随着随着z的增加，的增加， 不断变大，因而合成模的偏振态也不断变化。不断变大，因而合成模的偏振态也不断变化。下面详细分析下面详细分析合成模合成模的以下几种偏振态的以下几种偏振态:(1)线偏振模线偏振模(2)右旋正椭圆偏振模右旋正椭圆偏振模(3)左旋正椭圆偏振模左旋正椭圆偏振模(4)椭圆偏振模椭圆偏振模(7.5.3)(7.5.3) (1)

5、线偏振模线偏振模:当相位差当相位差 =m(m=0，1，2，)时，有时，有: (2)右旋正椭圆偏振模右旋正椭圆偏振模:当当 =(4m+1)/2(m=0，1，2，)时，有时，有: ( 1)yymxxEaEa exp (41)/2yyyxxxEaajmjEaa(7.5.4)(7.5.4)(7.5.5)(7.5.5)如果入射模如果入射模E0与与x轴夹角轴夹角 =/4，则，则ax=ay，这时上面的偏振模变成右旋圆偏振模，这时上面的偏振模变成右旋圆偏振模: (3)左旋正椭圆偏振模左旋正椭圆偏振模:当当 =(4m-1)/2时，有时，有: yxEjEexp (41) /2yyyxxxEaajmjEaa (7.

6、5.6)(7.5.6)(7.5.7)(7.5.7) yxEjE exp()yyxxEajEa(7.5.8)(7.5.8)(7.5.9)(7.5.9)同样当同样当 =/4时，时， ，则变成左旋圆偏振模，则变成左旋圆偏振模:(4)椭圆偏振模椭圆偏振模:这是最一般的情况。当相位差这是最一般的情况。当相位差 为上述数值为上述数值以外的任意值，则偏振态由式以外的任意值，则偏振态由式(7.5.3)形式表示形式表示: 当当 为为2m 0时，时，合成模为合成模为右旋椭圆偏振模右旋椭圆偏振模。 当当 为为(2m+1) (2m+2)区间的值，即区间的值，即sin 0时，合成模为时，合成模为左旋椭圆偏振模左旋椭圆偏

7、振模。xyaa 由上述讨论可知，当两个基模的相位由上述讨论可知，当两个基模的相位 从从0到到2之间变之间变化时，合成模偏振态将按化时，合成模偏振态将按线偏振线偏振( =0)右旋椭圆偏振右旋椭圆偏振(0 )左旋椭圆偏振左旋椭圆偏振( 2) 线偏振线偏振( =2)的的顺序，周期性地重复演变。顺序，周期性地重复演变。拍长拍长:在偏振态的一个重复演变周期内，模式传输所走过的距在偏振态的一个重复演变周期内，模式传输所走过的距离离。显然一个拍长。显然一个拍长可由下式表示可由下式表示:2/ (7.5.10)(7.5.10)因此，由于外场的微扰作用或光纤本身的因此，由于外场的微扰作用或光纤本身的不完善性，原来

8、简并的模式分开了不完善性，原来简并的模式分开了(0)，造成上述的偏振演变现象。造成上述的偏振演变现象。exp()exp()xxxyyyaCjzaCjz 2.基模的耦合基模的耦合 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。振演变。同样，从单模光纤的两个正交的基模同样，从单模光纤的两个正交的基模 和和 出出发，在理想规则波导的条件下，发，在理想规则波导的条件下， ，两模之间没有，两模之间没有耦合，各自保持相互垂直的线偏振状态。它们的合成场耦合，各自保持相互垂直的线偏振状态。它们的合成场:以及以及:xxyyEa ea e(7.5.11)(7.

9、5.11)Cx，Cy模场的模场的幅度系数，均为幅度系数，均为常数常数(7.5.12)(7.5.12) 11HEx 11HEyxy( )( )( )( )( )( )xxxxxyyyyyyyxxdCzjk Czjk CzdzdCzjk Czjk Czdz 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化:xy，从而两模之间产生了耦合，其，从而两模之间产生了耦合，其耦合方程耦合方程有有:式中式中 ， 为两模式间为两模式间互耦合系数互耦合系数，这里取的是虚数；，这里取的是虚数；两模的两模的自耦合系数自耦合系数 ,(7.5.13)(7.5.1

10、3)xykyxkyykxxkxxxxxkkyyyyykk /2xxyykk 根据两模式的总功率守恒的条件，在假定光纤无损耗时根据两模式的总功率守恒的条件，在假定光纤无损耗时 令令 ， , ,假设初始条件假设初始条件:当当z=0时，入射模时，入射模Cx(0)=1，Cy(0)=0，则式，则式(7. 5.135.13)的解可写成以下形式的解可写成以下形式:xyyxkk2xyxykk kxxyykk1/222/2sk( )cos()sin()exp()2( )sin()exp()xyxyCzszjszj zskCzjszj zs (7.5.14)(7.5.14) 上式说明两个正交的模式将以上式说明两个

11、正交的模式将以L=/s为周期反复地作能为周期反复地作能量交换量交换. 此外，在此外，在多模光纤多模光纤中，因为中，因为所有的模式都可能参与耦合所有的模式都可能参与耦合，情况更为复杂，因而总的情况更为复杂，因而总的合成模场的偏振变化是随机的合成模场的偏振变化是随机的，由，由此看来考虑此看来考虑多模光纤的偏振态意义不大多模光纤的偏振态意义不大。7.5.2 7.5.2 单模光纤的双折射单模光纤的双折射 光的光的双折射双折射与光的与光的偏振效应偏振效应同是介质的光学各问异性的两同是介质的光学各问异性的两种现象。种现象。双折射双折射:指单模光纤两个基模的传播常数指单模光纤两个基模的传播常数出现差异的现象

12、出现差异的现象. 表示双折射的方法有多种，最简单的方法是用表示双折射的方法有多种，最简单的方法是用来表示，来表示，也可用也可用参数参数B表示表示:/xyBnnn (7.5.15)(7.5.15)xy用用B参数来表示合成模式偏振旋转周期的参数来表示合成模式偏振旋转周期的拍长拍长为：为：2/B (7.5.16)(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)单模光纤单模光纤截面椭圆度截面椭圆度的双折射的双折射:在许多情况下，由于外场的在许多情况下，由于外场的微扰作用会使光纤截面产生非圆度或椭圆度，这样光纤的微扰作用会使光纤截面产生非圆

13、度或椭圆度，这样光纤的几何几何畸变畸变可以等效为介质的介电常数可以等效为介质的介电常数的的畸变畸变(2)单模光纤单模光纤弯曲弯曲的双折射的双折射:光纤的弯曲，使纤芯截面有光纤的弯曲，使纤芯截面有椭圆椭圆度度，通常用量，通常用量e来表示来表示: e=a/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拉力力，内半部分受，内半部分受压力压力，造成，造成应变应变，从而导致折射率的变化，从而导致折射率的变化，即所谓即所谓光弹效应光弹效应。(7.5.17)(7.5.17)(3)单模光纤单模光纤扭转扭转的双折射的双折射:扭转几何形变会引起两个基模的扭

14、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产生一个弹性应变场弹性应变场引起的。引起的。7.5.3 7.5.3 偏振型单模光纤偏振型单模光纤 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。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.低双折射光纤低双折射光纤 1)由于光纤由于光纤制作制作上的上的不完善性不完善性，出现了许多，出现了许多畸变畸变。 2)光纤的残余光纤的残余内应力内应力是由于纤芯和包层的

15、热膨胀系数不是由于纤芯和包层的热膨胀系数不相等所造成的纤芯有相等所造成的纤芯有椭圆度椭圆度，使横截面上两个横向坐标方向，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。用互补偿的方法来降低双折射。2.高双折射单模光纤高双折射单模光纤 与上面相反，这里需要的是尽可能高的双折射的光纤。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 很大很大，拍长，拍长=2/就很小，由微扰产生的耦就很

16、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。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，通常是采用实现光纤具有高双折射的途径，通常是采用加大纤芯椭圆加大纤芯椭圆度度和和加强光纤的内应力加强光纤的内应力。如图如图7.5.1所示，强内应力的高双折射光纤除了椭圆外包层型，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、蝴蝶结型等结构椭圆外套型外，还有熊猫型、蝴蝶结型等结构图图7.5.1 7.5.1 高双折射光纤

17、结构高双折射光纤结构 11HExxy3.绝对单模光纤绝对单模光纤 通常的单模光纤具有相互正交的偏振模通常的单模光纤具有相互正交的偏振模 和和 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，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以致使其中一个模截止或使两模的消化比达消化比达几十个分贝，例如几十个分贝，例如50dB，光纤内就只剩下一个偏振在传输光纤内就只剩下一个偏振在传输了，这种光纤即是真了，这种光纤即是真正的单模光纤。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。使光纤的内包层的折射率具有最低的折射率。 如图如图7.14所式，在轴对称的折射率分布中，加两个折所式，在轴对称的折射率分布中，加两个折射率射率“深谷深谷”，并满足，并满足:2 ( )20n