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单模光纤的双折射

2015-3-24 08:34| 发布者: admin| 查看: 4738| 评论: 0

摘要: 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 ...
   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
    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。
图2-15 双折射对偏振状态的影响
    根据拍长定义,可写出

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