單模光纖的雙折射

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1、題目單模光纖的雙折射姓名原艷英所在學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電子與通信工程學(xué)號31246065指導(dǎo)教師賈維國日期2012年10月30日前言在給定的工作波長上，只傳輸單一基膜的的光纖，稱為單模光纖。如在階躍型光纖中只傳播?；蚰！文９饫w中，模有兩種正交的的偏振狀態(tài)，其橫向電場分別沿軸方向和軸方向，分別記為模和模。如果光纖是理想的，即其截面為標準的同心圓，折射率分布也是理想對稱的，則這兩個正交的模式位相常數(shù)完全相等，傳輸特性完全一樣。這樣的一對模式稱為簡并模。實際的光纖纖芯的幾何形狀可能不再是標準的圓柱，纖芯的折射率也

2、可能因內(nèi)部殘余應(yīng)力、扭曲等因素的影響而非理想的軸對稱分布。這種非理想的狀態(tài)導(dǎo)致模和模的相位常數(shù)和不相等，從而導(dǎo)致這兩個正交的偏振狀態(tài)模式在傳輸過程中產(chǎn)生附加的相位差，這就是單模光纖的雙折射現(xiàn)象。雙折射引起單模光纖的偏振模色散和模的偏振狀態(tài)隨傳輸距離發(fā)生變化。一光的雙折射1雙折射當(dāng)一束光通過各向異性晶體或介質(zhì)時，要被分為兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為光的雙折射。其中一束光在入射面內(nèi)，且遵守折射定律，這束光稱為尋常光，以o光表示；另一束光一般不在入射面內(nèi)，且不遵守折射定律，這束光稱為非尋常光，以e光表示。圖（1）o光和e光都

3、是線偏振光。我們稱晶體中某條光線與晶體光軸構(gòu)成的平面，叫做主平面。o光電矢量的振動方向與主平面垂直，e電矢量的振動方向在主平面內(nèi)。2雙折射參量（1）偏振雙折射就是單模光纖中兩個正交的偏振模模和模沿光軸方向傳輸時的傳輸常數(shù)之差，即（1）為光在自由空間的波長，和是兩個正交的偏振模模和模的有效折射率。（2）歸一化雙折射率為了定量描述光線中雙折射現(xiàn)象的程度，引進歸一化的雙折射參量，定義為（2）式中，是兩個正交的模的相位常數(shù)之差，也就是兩個正交的模在光纖中傳播一個單位距離時產(chǎn)生的相位差，是自由空間波數(shù)。為了加深對的理解，將式

4、（2）寫成（3）式中，是真空的光速，和分別是沿軸方向和軸方向偏振的模和模的相速度，而和則分別是模和模的等效折射率。它表明偏振正交的模和模在單模光纖中傳播時各自的折射率不一樣，而則正好就是這兩種偏振態(tài)的等效折射率差。（3）拍長表征雙折射的另一個參量是拍長，定義為(4)由這個定義式可知，拍長就是兩個正交的模和模在光纖中傳播時產(chǎn)生的相位差，所傳輸?shù)木嚯x。顯然拍長發(fā)映了單模光纖雙折射的大小。拍長越長，光線的折射率越弱；拍長越短，雙折射就越強。通常通過測量單模光纖中拍長的辦法，了解單模光纖雙折射的大小或了解單模光纖中電矢量的

5、的偏振狀態(tài)。3產(chǎn)生原因單模光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的原因大致有三類。其一是光纖纖芯的截面不是理想的圓。這種由于纖芯截面的幾何形狀的變異引起的雙折射可以稱為幾何雙折射。其二是光纖中的應(yīng)力引起的雙折射。當(dāng)光纖在兩個正交的方向上受到不相等的橫向應(yīng)力時，光纖的折射率分布將呈各向異性，從而導(dǎo)致應(yīng)力折射率。光纖所收到的應(yīng)力主要是光纖從預(yù)制棒制作到拉絲，再到加護套，成攬等一系列工藝過程引起的。其三是由于光纖受到外加電磁場的影響，折射率分布發(fā)生變化。例如，光纖受到縱向磁場作用時將產(chǎn)生圓雙折射，光纖中兩個旋向相反的圓偏振波以不同的速度傳播

6、。二單模光纖中的偏振狀態(tài)1線偏振光當(dāng)電場強度在空間的取向不變時，則電場強度端點變化的軌跡是一條直線，稱為線偏振光。如圖（2）所示。這時，電場的兩個正交分量和的位相相同，即要求傳輸常數(shù)相同（），初相位相同（），可表示為圖（2）（5）（6）則電矢量的大小和偏振角為（7）（8）可見，在光的傳輸過程中，光的偏振角不隨時間和傳輸距離的變化而變化，此時大小變化，而其取向不變。2圓偏振光當(dāng)電場強度的大小不變，且在空間勻速旋轉(zhuǎn)時，則的端點變化軌跡是一個圓，稱為圓偏振光，如圖（3）所示。圖（3）維持圓偏振的條件，必須是電場的兩個正交

7、分量和的振幅相等，傳輸常數(shù)相等，相位差為，即，，，可表示為（9）（10）可合成電矢量的大小和偏振角為（11）（12）（13）可見，若不變或等于零，則偏振角隨時間和傳輸距離的變化而變化，這時的端點軌跡是一個圓。3橢圓偏振光當(dāng)電場強度的大小和在空間的取向均在改變時，的端點軌跡是一個橢圓，稱為橢圓偏振光。如圖（4）所示。當(dāng)光為圓偏振光時，電場強度的兩個正交分量和的振幅不相等，傳輸常數(shù)不相等，其初相角也不相等（相差固定值）。這時，的兩個分量可表示為圖（4）（14）（15）（4）偏振態(tài)的演化光在光纖中傳播時，其偏振狀態(tài)的演變

8、具有重要的意義，尤其是在相干光通信系統(tǒng)中，在光集成技術(shù)中及在光的外調(diào)技術(shù)中，光的偏振狀態(tài)都具有決定性的作用。單模光纖中，由于存在雙折射，光波以模傳播時，其偏振狀態(tài)會不斷變化。單模光纖的雙折射特性比較復(fù)雜，光波的偏振演變也很復(fù)雜，我們只對具有均勻的線雙折射特性的光纖中傳播時其偏振狀態(tài)的變化進行討論。單模光纖中傳輸?shù)膬蓚€本證偏振模的電場強度可以表示為（16）（1