激光技术-第八章.ppt

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1、8.4单模光纤的偏振和双折射8.4.1单模光纤的偏振特性8.4.2单模光纤的双折射8.4.3偏振型单模光纤8.4.1单模光纤的偏振特性理想单模光纤的模式是HE11模，它是线偏振的，偏振方向为光纤的径向。在光纤截面上建立x-y直角坐标后，任一径向的偏振可用两个独立的偏振分量HEx11和HEy11来表示。在理想条件下，这两个偏振分量的传播常量相等，即∆β=βx-βy=0。在传播中两个分量始终保持同向，始终合成为原来的径向偏振状态。也就是说，HEx11和HEy11模是简并的，如图8.4-1所示。由于两个模是独立的，所以互不影响。例如，在光纤端面

2、只沿x轴激励HEx11模时，光纤中不会出现HEy11模，反之亦然。如果沿轴之间的方向激励HE11模，则光纤中始终存在着HEx11和HEy11模，它们的幅值比沿光纤不变。对任何实际光纤，理想条件（圆截面、笔直和无缺陷）很难存在。为便于说明问题，研究呈椭圆形截面的均匀笔直光纤，如图8.4-2所示。在这种情况下，将有两个优先的偏振方向：一个是椭圆截面的长轴方向，另一个是短轴方向，在图中分别由a轴和b轴表示。显然，除了沿x轴或y轴注入光纤的线偏振光以外，按其他角度方向注入的线偏振光，都将以HEx11模和HEy11模传播。由于a≠b，这两个模的传播

3、常数不再相同，沿z传播过程中不再保持同相，从而产生了合成模的偏振状态变化。即∆β=βx-βy≠0，产生了合成模的偏振演变，简并状态消失。我们知道，两个正交分量合成的偏振态由它们的相位差决定。HEx11和HEy11正是两个正交分量，显然，合成模（合振动）的偏振状态由传播相位φ=∆β×l(8.4-1)决定，当φ=0时，为线偏振光；当φ=π/2且二分量振幅相等时，则为圆偏振光；当φ=π时，变为线偏振光，但偏振方向转过π/2角度；当φ=3π/2时,又变为旋转方向相反的椭圆偏振光.当φ=2π时,恢复到原线偏振状态,如图8.4-3（a）~（e）所示。

4、在∆β沿光纤保持不变，即均匀双折射条件下，上述偏振演变过程将周期重复下去。显然这个重复周期反映了椭圆截面光纤的固有特性。在偏振的一个重复演变周期内,模式传输所走过的距离Λ定义为单模光纤的拍长Λ=2π/∆β（8.4-2）从式可见，∆β愈小，则Λ愈大。如果光纤中的光强足够强，以致在暗室内也能用肉眼看到纤芯-包层的散射光的话，那么就能观察到这种散射光光强沿光纤长度的明显周期性变化，如图8.4-3右边图形所示，在φ=0或2π是时，为暗区；当φ=π时，为亮区。暗区之间的距离就是拍长Λ。根据电磁理论中电偶极子的辐射图可以说明这一现象：在偏振方向上（等

5、效为电振动偶极子方向）辐射最小，垂直于偏振方向的方向上辐射最强，所以，在φ=0或2π处最暗，而在φ=π处最亮。结论：以上是认定∆β为常数是单模光纤偏振演变的情况。在实际问题上∆β不一定为常数，下面讨论∆β产生随机变化的原因，然后给出控制∆β的方法和特殊光纤的概念。8.4.2单模光纤的双折射光的偏振与光的双折射是介质光学各向异性的两种表现。简单地说，单模光纤的双折射是指两个本来简并的模式的传播常数出现差异的现象。双折射的表示方法有多种，最简单的方法是用∆β或B参数（归一化双折射系数）表示，即B≡∆β/βav=(nx-ny)/nav(8.4-

6、3)式中nav表示单模光纤的平均折射率。如果用B表示拍长Λ，则Λ=2π/∆β=2π/（βavB）（8.4-4）通常拍长Λ在10cm~2m之间，这给实际应用带来了困难。产生双折射的主要因素有：（1）单模光纤截面椭圆度。（2）单模光纤弯曲。光纤弯曲的三种效应：a.轴线弯曲；b.弯曲引起纤芯椭圆度；c.光弹效应产生的应力双折射。（3）单模光纤的扭转。（4）单模光纤电（磁）光效应。结论：产生光纤双折射的原因很多，这对于光纤用于敏感元件时既有利也有害。例如，在相位干涉型传感器中，希望偏振保持不变，不希望产生双折射效应，在偏振型光纤传感器中，希望双折

7、射效应明显，不希望光纤内双折射产生干扰，于是出现了偏振型单模光纤技术。8.4.3偏振型单模光纤下面是两种不同特性的偏振型单模光纤：1.低双折射单模光纤如果设法改善工艺水平，使纤芯椭圆度和内应力减少到最低限度，那么应力双折射和几何双折射都将降到很低水平，相应的拍长Λ将达到百米以上，称之为低双折射光纤。a.理想圆对称光纤。b.旋转光纤。2.高双折射单模光纤这里与低双折射单模光纤正好相反，需要尽可能高的双折射。因为线偏振态传输模基本不变，高双折射单模光纤又称为偏振保持光纤，简称保偏光纤。a.利用非轴对称产生高的双折射，如椭圆芯光纤、边坑、边隧道

8、型光纤，如图8.4-4（a）、（c）、（g）、（h）所示b.利用各向异性分布产生的应力双折射，如椭圆包层型、熊猫型、领结型、扁平包层型光纤等，如图8.4-4（b）、（d）、（e）、（f）所示8