光纤的基本特性及测试5.ppt

理想的单模光纤模式是线偏振的，它的两个基模HE11(x)和HE11(y)是相互垂直的线偏振模。它们的传播常数相等，故彼此简并(Δβ=0)。在传播过程中，保持彼此相位相同，保持线偏振态不变。实际上，一方面由于光纤本身的不完善性，另一方面由于外场微扰的作用，造成芯径椭圆度或纤芯折射率变化。上述这些变化因素会引起单模光纤偏振态的变化。 §7.5 光纤的偏振与双折射 光纤的偏振与双折射特性不仅对光在光纤中的传输有影响，而且对光纤传感技术和光纤中的非线性研究具有十分重要的意义。 设单模光纤中，有一个线偏振的入射波E0 激励起两个正交的基模HE11(x)和HE11(y)， 并分别沿着两个特定的主轴ox、oy方向振动 。它们的横电场幅度 、 由下式表示: 式中 是入射波E0与x轴的夹角。 7.5.1 单模光纤的偏振 1.偏振演变 (7.5.1) 式中βx，βy分别为基模HEx和HEy的传播常 数。 由于外场的微扰或光纤本身的不完善性， 将造成βx≠βy。设Δβ=βx-βy，则两个模 场之比有: 考虑这两个基模在光纤传输中任意z处的电场: (7.5.2) 两个基模的合成模电矢量的末端轨迹表示了模的偏振态，同时唯一地取决于两个基模的相位差 。 显然，相位差 不是一个固定常数，而是传输距离z的函数。 随着z的增加， 不断变大，因而合成模的偏振态也不断变化。 下面详细分析合成模的以下几种偏振态: (1)线偏振模 (2)右旋正椭圆偏振模 (3)左旋正椭圆偏振模 (4)椭圆偏振模 (7.5.3) (1)线偏振模:当相位差 =mπ(m=0， ±1，±2，…)时，有: (2)右旋正椭圆偏振模:当 =(4m+1)π/2 (m=0，±1，±2，…)时，有: (7.5.4) (7.5.5) 如果入射模E0与x轴夹角 =±π/4，则ax= ay，这时上面的偏振模变成右旋圆偏振模: (3)左旋正椭圆偏振模:当 =(4m-1)π/2 时，有: (7.5.6) (7.5.7) (7.5.8) (7.5.9) 同样当 =±π/4时， ，则变成左旋圆偏振模: (4)椭圆偏振模:这是最一般的情况。当相位差 为上述数值以外的任意值，则偏振态由式(7.5.3)形式表示: 当 为2mπ (2m+1)π区间的值，即sin 0时，合成模为右旋椭圆偏振模。 当 为(2m+1)π (2m+2)π区间的值，即sin 0时，合成模为左旋椭圆偏振模。 由上述讨论可知，当两个基模的相位 从0到2π之间变化时，合成模偏振态将按线偏振( =0)→右旋椭圆偏振(0 π)→左旋椭圆偏振(π 2π) →线偏振( =2π)的 顺序，周期性地重复演变。 拍长:在偏振态的一个重复演变周期内，模式传输所走过的距离Λ。显然一个拍长Λ可由下式表示: (7.5.10) 因此，由于外场的微扰作用或光纤本身的 不完善性，原来简并的模式分开了(Δβ≠0)， 造成上述的偏振演变现象。 2.基模的耦合 以上是从合成模振动矢量的末端轨迹来讨论光纤的偏振演变。 同样，从单模光纤的两个正交的基模 和 出发，在理想规则波导的条件下， ，两模之间没有耦合，各自保持相互垂直的线偏振状态。它们的合成场: 以及: (7.5.11) Cx，Cy模场的幅度系数，均为常数 (7.5.12) 如果光纤受外场的微扰作用，则两模式的传播常数发生了变化:βx≠βy，从而两模之间产生了耦合，其耦合方程有: 式中 ， 为两模式间互耦合系数，这里取的是虚数； 两模的自耦合系数 , (7.