光纤通信-保偏光纤拍长测量pc.docxVIP

实验目的

认识保偏光纤双折射效应特性

用测偏振度方法测量保偏光纤拍长

实验原理

光的偏振状态及单模光纤中的双折射效应

光本质上是一种光频段的电磁场，一般以其电场分量描述场矢的振动特性，很多光源的光场聚集状态（或振动的叠加）并不像左图所示的具有确定的振动面（现为纸平面），而是表现为沿各方向的随机振动过程（混沌光），振动是无序的。另外激光输出一般具有线偏振的特性，振动 偏振）

方向是确定的，在振动面内任意直角坐标系xoy中可分解为Ex,Ey两个分量，当具有任意振动方向的线偏振光通过单模光纤时，光纤介质与光场的相互作用可以使光的振动状态引起变化，也可以保持光的线偏振不变，也能使其失去偏振而成为混沌光，这取决于所使用的光纤。光的振动

状态引起变化的含义是指Ex,E^两个分量在经过光纤后相位上的变化有所不同，即产生附加位 应

相差，光纤对光产生双折射的原因是多方面的，一般由内部应力或形变引起，一种比较理想的情况是光的偏振状态发生从线偏振一椭圆偏振一圆偏振一椭圆偏振一线偏振等周而复始的变化，这

种交换偏振状态的次序可以沿着光纤的全部长度进行。偏振变换经过2兀位相差的距离为L^,

称为光纤的拍长，拍长与双折射8n的关系是 保偏光纤的横彳

8n=n—n

slow fast

8p=2兀.8n/气

了 2兀 人

Lp=8^=8n

其中nfast和nslow是光纤内与双折射对应的两个感应方向（称快轴和慢轴）的折射率，8P是单

位长度的位相增量（横向传播系数变化） t亍

偏振保持光纤

在完美圆对称单模光纤中，he11模的两个偏振分量（正交偏振的LPO1模）以相同的速度传 线偏

播，这时它们具有相同的传播常数，线偏振得以保持（LP01模维持简并）。如果光纤不是很好圆对称的，即光纤是双折射的，导致两个偏振分量有不同的传播常数，这时光纤内慢轴和快轴分别沿着椭圆的长轴和短轴方向。光纤的椭圆形可能是在制造中的偶然误差所致，也可能是人为控制的，一般通过在光纤中施加应力区来形成双折射。如图所示为领结型双折射光纤。此处慢轴平行于领结的高应力轴（平行于领结）而快轴垂直于高应力轴。

当光与光纤介质相互作用时，大部分光会被传播，而有一小部分光被介质中的电子和缺陷散射。如果入射光是混沌光，光向所有方向散射，而当入射光为线偏振时，沿着光纤慢轴方向将会有很少的光散射，大多数散射光会沿着或靠近快轴的方向，如图所示。这意味着如果我们让线偏振光通过此类光纤介质，介质使光的偏振方向发生变化（严格讲应是场矢方向）却没有使其混沌，

同时我们可以跟踪和测量偏振状态的变化。

利用上述线偏振光沿两个偏振感应轴散射不同的现象可以观测保偏光纤的拍长，如图W表示观察沿慢轴方向时的弱散射，S表示观察沿快轴方向时的强散射。

保偏光纤拍长的保偏度测量方法

一个通过测量输出偏振光的保偏度来间接测量保偏光纤拍长的装置如图所示，设入射线偏振

光与任意直角坐标系xoy的x轴的夹角为00，则入射线偏振光的琼斯矩阵形式为

cos0

o

sin0

0

光纤的琼斯矩阵（相当于

个移相器，延迟量中）是

exP(-jy)

在光纤出端横截面内的任意方向X，Y上进行偏振光的检测，X，Y方向用xoy系的旋转矩阵描述

cos0sin0

—sin0cos0

因此’在xoy系中’场分量E/,Ey可写成

E

-E-

x

=RG

x

=

E

E

1- YJ

Ly」

cos0

—sin0

,?甲、sin0exp(jI)cos0 八

0

exp(-jy)

cos0

八osin0

o」

Eexp(jwt)=

1.

cos20cos20+sin20sin20+—sin20sin20cos甲

1

sin20cos20+cos20sin20—-sin20sin20cos甲

将输出结果表述为强度之间的关系

「=(IEX|2—|Ey|2)/(|Ex|2+IEy|2)

=cos20cos20+sin20sin20cos甲

=0时上式取极值，这意味着沿偏振光的长短轴作分量检测，亦即沿光纤

=0时上式取极值，这意味着沿偏振光的长短轴作分量检测，亦即沿光纤

对于给定的0，当羽

的慢，快轴方向进行检测，因此，这个值就是偏振度P，0就是光纤出端偏振光（一般为椭圆）的长轴方位角。有下式恒等成立

tg20=tg20cos甲

偏振度为

TOC\o1-5\h\z—max min

I+1

max min

=(cos2

=(cos220+sin220cos2甲)1/2

并有如下取极值条件

0=m—时，p大=1

,