光纖的基本特性及測(cè)試5

1、 理想的單模光纖模式是線偏振的，它的理想的單模光纖模式是線偏振的，它的兩個(gè)基模兩個(gè)基模HE11(x)和和HE11(y)是是相互垂直的線偏振模相互垂直的線偏振模。它們的。它們的傳播常數(shù)相等傳播常數(shù)相等，故彼此故彼此簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并(=0)。在傳播過(guò)程中，保持彼此相位相同，。在傳播過(guò)程中，保持彼此相位相同，保持線偏振態(tài)不變。實(shí)際上，一方面由于光纖本身的不完保持線偏振態(tài)不變。實(shí)際上，一方面由于光纖本身的不完善性，另一方面由于外場(chǎng)微擾的作用，造成芯徑橢圓度或善性，另一方面由于外場(chǎng)微擾的作用，造成芯徑橢圓度或纖芯折射率變化。上述這些變化因素會(huì)引起單模光纖偏振纖芯折射率變化。上述這些變化因素會(huì)引起單模光纖偏振態(tài)的

2、變化。態(tài)的變化。 7.5 7.5 光纖的偏振與雙折射光纖的偏振與雙折射 光纖的偏振與雙折射特性不僅對(duì)光在光纖中的傳輸有影光纖的偏振與雙折射特性不僅對(duì)光在光纖中的傳輸有影響，而且對(duì)光纖傳感技術(shù)和光纖中的非線性研究具有十分重響，而且對(duì)光纖傳感技術(shù)和光纖中的非線性研究具有十分重要的意義。要的意義。設(shè)單模光纖中，有一個(gè)線偏振的入射波設(shè)單模光纖中，有一個(gè)線偏振的入射波E0激勵(lì)起兩個(gè)正交的激勵(lì)起兩個(gè)正交的基模基模HE11(x)和和HE11(y)，并分別沿著兩個(gè)特定的主軸并分別沿著兩個(gè)特定的主軸ox、oy方向振動(dòng)方向振動(dòng)。它們的。它們的橫電場(chǎng)幅度橫電場(chǎng)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與與x軸的夾角。軸的夾角。00cossinxyaEaE7.5.1 7.5.1 單模光纖的偏振單模光纖的偏振1.偏振演變偏振演變(7.5.1)(7.5.1)xaya 式中式中x，y分別為基模分別為基模HEx和和HEy的的傳播常傳播常數(shù)。數(shù)。 由于外場(chǎng)的微擾或光纖本身的不完善性，由于外場(chǎng)的微擾或光纖本身的不完善性，將造成將造成xy。設(shè)。設(shè)=x-y，則兩個(gè)模，則兩個(gè)模場(chǎng)之比有場(chǎng)之比有:exp ()exp ()xxxyyyEajtzEajtz考慮這兩個(gè)基模在光纖傳輸中任意考慮這兩個(gè)基模在光纖傳輸中任意z處的處的電場(chǎng)電場(chǎng):(7.5.2)(7.5.2)z exp()yyxxEajzEa 兩個(gè)基模的合

4、成模電矢量的末端軌跡表示了模的偏振態(tài)，兩個(gè)基模的合成模電矢量的末端軌跡表示了模的偏振態(tài)，同時(shí)唯一地取決于同時(shí)唯一地取決于兩個(gè)基模的相位差兩個(gè)基模的相位差 。 顯然，顯然，相位差相位差 不是一個(gè)固定常數(shù)，而是傳輸距離不是一個(gè)固定常數(shù)，而是傳輸距離z的函數(shù)。的函數(shù)。隨著隨著z的增加，的增加， 不斷變大，因而合成模的偏振態(tài)也不斷變化。不斷變大，因而合成模的偏振態(tài)也不斷變化。下面詳細(xì)分析下面詳細(xì)分析合成模合成模的以下幾種偏振態(tài)的以下幾種偏振態(tài):(1)線偏振模線偏振模(2)右旋正橢圓偏振模右旋正橢圓偏振模(3)左旋正橢圓偏振模左旋正橢圓偏振模(4)橢圓偏振模橢圓偏振模(7.5.3)(7.5.3) (1)

5、線偏振模線偏振模:當(dāng)相位差當(dāng)相位差 =m(m=0，1，2，)時(shí)，有時(shí)，有: (2)右旋正橢圓偏振模右旋正橢圓偏振模:當(dāng)當(dāng) =(4m+1)/2(m=0，1，2，)時(shí)，有時(shí)，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與與x軸夾角軸夾角 =/4，則，則ax=ay，這時(shí)上面的偏振模變成右旋圓偏振模，這時(shí)上面的偏振模變成右旋圓偏振模: (3)左旋正橢圓偏振模左旋正橢圓偏振模:當(dāng)當(dāng) =(4m-1)/2時(shí)，有時(shí)，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)同樣當(dāng)同樣當(dāng) =/4時(shí)，時(shí)， ，則變成左旋圓偏振模，則變成左旋圓偏振模:(4)橢圓偏振模橢圓偏振模:這是最一般的情況。當(dāng)相位差這是最一般的情況。當(dāng)相位差 為上述數(shù)值為上述數(shù)值以外的任意值，則偏振態(tài)由式以外的任意值，則偏振態(tài)由式(7.5.3)形式表示形式表示: 當(dāng)當(dāng) 為為2m 0時(shí)，時(shí)，合成模為合成模為右旋橢圓偏振模右旋橢圓偏振模。 當(dāng)當(dāng) 為為(2m+1) (2m+2)區(qū)間的值，即區(qū)間的值，即sin 0時(shí)，合成模為時(shí)，合成模為左旋橢圓偏振模左旋橢圓偏

7、振模。xyaa 由上述討論可知，當(dāng)兩個(gè)基模的相位由上述討論可知，當(dāng)兩個(gè)基模的相位 從從0到到2之間變之間變化時(shí)，合成模偏振態(tài)將按化時(shí)，合成模偏振態(tài)將按線偏振線偏振( =0)右旋橢圓偏振右旋橢圓偏振(0 )左旋橢圓偏振左旋橢圓偏振( 2) 線偏振線偏振( =2)的的順序，周期性地重復(fù)演變。順序，周期性地重復(fù)演變。拍長(zhǎng)拍長(zhǎng):在偏振態(tài)的一個(gè)重復(fù)演變周期內(nèi)，模式傳輸所走過(guò)的距在偏振態(tài)的一個(gè)重復(fù)演變周期內(nèi)，模式傳輸所走過(guò)的距離離。顯然一個(gè)拍長(zhǎng)。顯然一個(gè)拍長(zhǎng)可由下式表示可由下式表示:2/ (7.5.10)(7.5.10)因此，由于外場(chǎng)的微擾作用或光纖本身的因此，由于外場(chǎng)的微擾作用或光纖本身的不完善性，原來(lái)

8、簡(jiǎn)并的模式分開(kāi)了不完善性，原來(lái)簡(jiǎn)并的模式分開(kāi)了(0)，造成上述的偏振演變現(xiàn)象。造成上述的偏振演變現(xiàn)象。exp()exp()xxxyyyaCjzaCjz 2.基模的耦合基模的耦合 以上是從合成模振動(dòng)矢量的末端軌跡來(lái)討論光纖的偏以上是從合成模振動(dòng)矢量的末端軌跡來(lái)討論光纖的偏振演變。振演變。同樣，從單模光纖的兩個(gè)正交的基模同樣，從單模光纖的兩個(gè)正交的基模 和和 出出發(fā)，在理想規(guī)則波導(dǎo)的條件下，發(fā)，在理想規(guī)則波導(dǎo)的條件下， ，兩模之間沒(méi)有，兩模之間沒(méi)有耦合，各自保持相互垂直的線偏振狀態(tài)。它們的合成場(chǎng)耦合，各自保持相互垂直的線偏振狀態(tài)。它們的合成場(chǎng):以及以及:xxyyEa ea e(7.5.11)(7.

9、5.11)Cx，Cy模場(chǎng)的模場(chǎng)的幅度系數(shù)，均為幅度系數(shù)，均為常數(shù)常數(shù)(7.5.12)(7.5.12) 11HEx 11HEyxy( )( )( )( )( )( )xxxxxyyyyyyyxxdCzjk Czjk CzdzdCzjk Czjk Czdz 如果光纖受外場(chǎng)的微擾作用，則兩模式的傳播常數(shù)發(fā)生了變?nèi)绻饫w受外場(chǎng)的微擾作用，則兩模式的傳播常數(shù)發(fā)生了變化化:xy，從而兩模之間產(chǎn)生了耦合，其，從而兩模之間產(chǎn)生了耦合，其耦合方程耦合方程有有:式中式中 ， 為兩模式間為兩模式間互耦合系數(shù)互耦合系數(shù)，這里取的是虛數(shù)；，這里取的是虛數(shù)；兩模的兩模的自耦合系數(shù)自耦合系數(shù) ,(7.5.13)(7.5.1

10、3)xykyxkyykxxkxxxxxkkyyyyykk /2xxyykk 根據(jù)兩模式的總功率守恒的條件，在假定光纖無(wú)損耗時(shí)根據(jù)兩模式的總功率守恒的條件，在假定光纖無(wú)損耗時(shí) 令令 ， , ,假設(shè)初始條件假設(shè)初始條件:當(dāng)當(dāng)z=0時(shí)，入射模時(shí)，入射模Cx(0)=1，Cy(0)=0，則式，則式(7. 5.135.13)的解可寫(xiě)成以下形式的解可寫(xiě)成以下形式:xyyxkk2xyxykk kxxyykk1/222/2sk( )cos()sin()exp()2( )sin()exp()xyxyCzszjszj zskCzjszj zs (7.5.14)(7.5.14) 上式說(shuō)明兩個(gè)正交的模式將以上式說(shuō)明兩個(gè)

11、正交的模式將以L=/s為周期反復(fù)地作能為周期反復(fù)地作能量交換量交換. 此外，在此外，在多模光纖多模光纖中，因?yàn)橹?，因?yàn)樗械哪Ｊ蕉伎赡軈⑴c耦合所有的模式都可能參與耦合，情況更為復(fù)雜，因而總的情況更為復(fù)雜，因而總的合成模場(chǎng)的偏振變化是隨機(jī)的合成模場(chǎng)的偏振變化是隨機(jī)的，由，由此看來(lái)考慮此看來(lái)考慮多模光纖的偏振態(tài)意義不大多模光纖的偏振態(tài)意義不大。7.5.2 7.5.2 單模光纖的雙折射單模光纖的雙折射 光的光的雙折射雙折射與光的與光的偏振效應(yīng)偏振效應(yīng)同是介質(zhì)的光學(xué)各問(wèn)異性的兩同是介質(zhì)的光學(xué)各問(wèn)異性的兩種現(xiàn)象。種現(xiàn)象。雙折射雙折射:指單模光纖兩個(gè)基模的傳播常數(shù)指單模光纖兩個(gè)基模的傳播常數(shù)出現(xiàn)差異的現(xiàn)象

12、出現(xiàn)差異的現(xiàn)象. 表示雙折射的方法有多種，最簡(jiǎn)單的方法是用表示雙折射的方法有多種，最簡(jiǎn)單的方法是用來(lái)表示，來(lái)表示，也可用也可用參數(shù)參數(shù)B表示表示:/xyBnnn (7.5.15)(7.5.15)xy用用B參數(shù)來(lái)表示合成模式偏振旋轉(zhuǎn)周期的參數(shù)來(lái)表示合成模式偏振旋轉(zhuǎn)周期的拍長(zhǎng)拍長(zhǎng)為：為：2/B (7.5.16)(7.5.16)由于微擾而產(chǎn)生的單模光纖雙折射有以下三種情況由于微擾而產(chǎn)生的單模光纖雙折射有以下三種情況:(1)單模光纖單模光纖截面橢圓度截面橢圓度的雙折射的雙折射:在許多情況下，由于外場(chǎng)的在許多情況下，由于外場(chǎng)的微擾作用會(huì)使光纖截面產(chǎn)生非圓度或橢圓度，這樣光纖的微擾作用會(huì)使光纖截面產(chǎn)生非圓

13、度或橢圓度，這樣光纖的幾何幾何畸變畸變可以等效為介質(zhì)的介電常數(shù)可以等效為介質(zhì)的介電常數(shù)的的畸變畸變(2)單模光纖單模光纖彎曲彎曲的雙折射的雙折射:光纖的彎曲，使纖芯截面有光纖的彎曲，使纖芯截面有橢圓橢圓度度，通常用量，通常用量e來(lái)表示來(lái)表示: e=a/R由于光纖彎曲，相對(duì)于曲率中心的光纖芯軸的外半部分受由于光纖彎曲，相對(duì)于曲率中心的光纖芯軸的外半部分受拉拉力力，內(nèi)半部分受，內(nèi)半部分受壓力壓力，造成，造成應(yīng)變應(yīng)變，從而導(dǎo)致折射率的變化，從而導(dǎo)致折射率的變化，即所謂即所謂光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)。(7.5.17)(7.5.17)(3)單模光纖單模光纖扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)的雙折射的雙折射:扭轉(zhuǎn)幾何形變會(huì)引起兩個(gè)基模的扭

14、轉(zhuǎn)幾何形變會(huì)引起兩個(gè)基模的耦合產(chǎn)生圓偏振模；扭轉(zhuǎn)的光彈效應(yīng)是由于扭轉(zhuǎn)力在光纖里耦合產(chǎn)生圓偏振模；扭轉(zhuǎn)的光彈效應(yīng)是由于扭轉(zhuǎn)力在光纖里產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)彈性應(yīng)變場(chǎng)彈性應(yīng)變場(chǎng)引起的。引起的。7.5.3 7.5.3 偏振型單模光纖偏振型單模光纖 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)單模光纖的偏振態(tài)將提出不同的根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)單模光纖的偏振態(tài)將提出不同的要求。下面就把幾種主要的偏振型單模光纖作簡(jiǎn)單的介紹。要求。下面就把幾種主要的偏振型單模光纖作簡(jiǎn)單的介紹。1.低雙折射光纖低雙折射光纖 1)由于光纖由于光纖制作制作上的上的不完善性不完善性，出現(xiàn)了許多，出現(xiàn)了許多畸變畸變。 2)光纖的殘余光纖的殘余內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是由于纖芯和包層的

15、熱膨脹系數(shù)不是由于纖芯和包層的熱膨脹系數(shù)不相等所造成的纖芯有相等所造成的纖芯有橢圓度橢圓度，使橫截面上兩個(gè)橫向坐標(biāo)方向，使橫截面上兩個(gè)橫向坐標(biāo)方向的應(yīng)力不同，從而產(chǎn)生光彈效應(yīng)并導(dǎo)致雙折射。此外，還可的應(yīng)力不同，從而產(chǎn)生光彈效應(yīng)并導(dǎo)致雙折射。此外，還可用互補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)降低雙折射。用互補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)降低雙折射。2.高雙折射單模光纖高雙折射單模光纖 與上面相反，這里需要的是盡可能高的雙折射的光纖。與上面相反，這里需要的是盡可能高的雙折射的光纖。 當(dāng)光纖雙折射很大時(shí)，由于兩個(gè)基模的傳播的傳播常數(shù)之差當(dāng)光纖雙折射很大時(shí)，由于兩個(gè)基模的傳播的傳播常數(shù)之差 很大很大，拍長(zhǎng)，拍長(zhǎng)=2/就很小，由微擾產(chǎn)生的耦就很

16、小，由微擾產(chǎn)生的耦合作用也就很小，從而在光纖中所激勵(lì)的某一基模如合作用也就很小，從而在光纖中所激勵(lì)的某一基模如 ,可以在較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持主導(dǎo)地位，以使偏振態(tài)基本恒定不變。可以在較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持主導(dǎo)地位，以使偏振態(tài)基本恒定不變。 實(shí)現(xiàn)光纖具有高雙折射的途徑，通常是采用實(shí)現(xiàn)光纖具有高雙折射的途徑，通常是采用加大纖芯橢圓加大纖芯橢圓度度和和加強(qiáng)光纖的內(nèi)應(yīng)力加強(qiáng)光纖的內(nèi)應(yīng)力。如圖如圖7.5.1所示，強(qiáng)內(nèi)應(yīng)力的高雙折射光纖除了橢圓外包層型，所示，強(qiáng)內(nèi)應(yīng)力的高雙折射光纖除了橢圓外包層型，橢圓外套型外，還有熊貓型、蝴蝶結(jié)型等結(jié)構(gòu)橢圓外套型外，還有熊貓型、蝴蝶結(jié)型等結(jié)構(gòu)圖圖7.5.1 7.5.1 高雙折射光纖

17、結(jié)構(gòu)高雙折射光纖結(jié)構(gòu) 11HExxy3.絕對(duì)單模光纖絕對(duì)單模光纖 通常的單模光纖具有相互正交的偏振模通常的單模光纖具有相互正交的偏振模 和和 如果想辦法把光纖設(shè)計(jì)成使這兩個(gè)偏振基模的傳輸損耗不相等，如果想辦法把光纖設(shè)計(jì)成使這兩個(gè)偏振基模的傳輸損耗不相等，以致使其中一個(gè)模截止或使兩模的以致使其中一個(gè)模截止或使兩模的消化比達(dá)消化比達(dá)幾十個(gè)分貝，例如幾十個(gè)分貝，例如50dB，光纖內(nèi)就只剩下一個(gè)偏振在傳輸光纖內(nèi)就只剩下一個(gè)偏振在傳輸了，這種光纖即是真了，這種光纖即是真正的單模光纖。正的單模光纖。 11HEx 11HEy 為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基模具有不同衰減的目的，采用的方法是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基模具有不同衰減的目的，采用的方法是使光纖的內(nèi)包層的折射率具有最低的折射率。使光纖的內(nèi)包層的折射率具有最低的折射率。 如圖如圖7.14所式，在軸對(duì)稱的折射率分布中，加兩個(gè)折所式，在軸對(duì)稱的折射率分布中，加兩個(gè)折射率射率“深谷深谷”，并滿足，并滿足:2 ( )20n