单模光纤的双折射

2015-3-24 08:34| 编辑:电工学习网| 查看: 24132| 评论: 0

理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上，在单模光纤中有两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个模式。它们的极化方向互相垂直，这两种模式分别表示为

和

。
    在理想的轴对称的光纤中，这两个模式有相同的传输相位常数β，它们是相互简并的。但在实际光纤中，由于光纤的形状、折射率及应力等分布得不均匀，将使两种模式的β值不同，形成相位差Δβ，简并受到破坏。这种现象叫做双折射现象。由于双折射的存在将引起偏振状态沿光纤长度变化。
    1．线偏振、椭圆偏振和圆偏振
    偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。如果矢量端点描绘出一条与x轴成Ψ角的直线，称为线偏振，如图2-14（a）所示。
    如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差π/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变化而围绕着传播方向旋转，其端点的轨迹是一个圆，称为圆偏振，如图2-14（b）所示。如果电场强度的两个分量空间方向相互垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变化，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图2-14（c）所示。

图2-14 三种偏振状态

    2．单模光纤的双折射
    （1）双折射定义
    单模光纤中，两个互相正交的偏振光，具有不同的相位常数，叫做单模光纤的双折射。它是一种各向异性的表现，即光波在互相正交的两个方向偏振时，呈现出折射率不同，即n1x≠n1y，这样使得LP01x与LP01y的相位常数βx≠βy。
    （2）双折射的分类
    根据双折射的特性，可分为线双折射、圆双折射和椭圆双折射。
    ① 线双折射
    线偏振光如果在两个正交方向上，有不同的折射率，因而有不同的相位常数β，这种双折射称为线双折射。
    ② 圆双折射
    在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的折射率时，将使其有不同的相位常数，这种双折射称为圆双折射。
    ③ 椭圆双折射
    当线双折射和圆双折射同时存在于单模光纤中时，称为椭圆双折射。
    （3）双折射对偏振状态的影响
    单模光纤中，光波的偏振状态是沿传播方向（z轴）作周期性变化的。这主要是由于双折射的存在，使得LP01x与LP01y的传播速度不相等（因为βx≠βy），形成了相位差
                            Δβ=βx-βy （2-72）
    称为偏振双折射率，于是偏振状态将沿光纤长度变化，对线双折射来说，沿光纤z方向，将由线偏振变为椭圆偏振，再变为圆偏振，呈周期性地变化，将偏振状态变化了一个周期的长度叫做单模光纤的拍长。也可以这样理解：两个正交的偏振模（即LP01x和LP01y），当相位变化之差为2π时，这个长度为一个拍长。
    双折射对偏振状态的影响，如图2-15所示。