光纤的双折射及偏振特性

1-1Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications3 光纤的双折射及偏振特性光纤的双折射及偏振特性一、一、Introduction1.SMF实际上有两个简并模：实际上有两个简并模：xyLPLP0101,实际光纤并不完善（光纤芯子的椭圆变形，光纤内部实际光纤并不完善（光纤芯子的椭圆变形，光纤内部的残余应力），两个模式并不简并，纵向相位常数的残余应力），两个模式并不简并，纵向相位常数略有略有不同。不同。3.3.由偏振模色散引起的典型的群时延是由偏振模色散引起的典型的群时延是ps/km（对短距（对短距离光纤）。离光纤）。4.4.群速不同：偏振色散（群速不同：偏振色散（PMD）Polarization Mode Dispe-rsion。光的偏振态沿光纤轴向变化：光纤输出偏振态的不稳定光的偏振态沿光纤轴向变化：光纤输出偏振态的不稳定性。性。双折射：线、圆、椭圆双折射：线、圆、椭圆 线双折射：线双折射：yx，应力变形。，应力变形。圆双折射：光纤对左旋和右旋偏振光有不同的相位常数。圆双折射：光纤对左旋和右旋偏振光有不同的相位常数。1-2Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications11HE是由两个旋转方向不同的光分成的。是由两个旋转方向不同的光分成的。Faraday 磁光效应，光纤的扭转。磁光效应，光纤的扭转。椭圆双折射：当线和圆同时存在时，形成椭圆双折射。椭圆双折射：当线和圆同时存在时，形成椭圆双折射。)cos()cos(,00ztEEztEEEEyyyxxxyx幅度比幅度比00/xyEER 相位差相位差zxyxy)()(Re1)(exp)(exp00jxpEztjEztjEEEExyyxxyx1-3Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications0232202232231-4Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications二、线双折射二、线双折射A.参数：参数：1、线双折射率：、线双折射率：yxL)()/()(exp)()/()(exp)()()/(exp000000000UJaUrJztjEEUJaUrJztjEEjeieUJaUrJtjEjEiEEyyxxzjzjyxyx2、归一化双折射、归一化双折射B：effyxyxLnnnkkBB000k：真空总的波数：真空总的波数yxyxLPLPnn,：模的等效折射率指数模的等效折射率指数effn：等效折射率指数差：等效折射率指数差1-5Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications3、拍长、拍长 ：BL由于光纤中存在线双折射，两正交线偏振光的相由于光纤中存在线双折射，两正交线偏振光的相位差沿光纤变化，从而使合成光的偏振态沿光纤周期性变位差沿光纤变化，从而使合成光的偏振态沿光纤周期性变化。偏振态完成一个周期变化的光纤长度，叫做拍长。化。偏振态完成一个周期变化的光纤长度，叫做拍长。在一个拍长上，两正交偏振光的相位差变化了在一个拍长上，两正交偏振光的相位差变化了2，因而有：，因而有：BLLLBBL022 双折射越厉害，拍长越短。如光纤的拍长远小于某种外界双折射越厉害，拍长越短。如光纤的拍长远小于某种外界干扰的长度周期，它就可抵御这种干扰而有保持偏振状态干扰的长度周期，它就可抵御这种干扰而有保持偏振状态的能力。的能力。4、消光比和功率耦合系数、消光比和功率耦合系数。用。用在传输过程中，两个正交的线偏振模之间存在耦合，如在光在传输过程中，两个正交的线偏振模之间存在耦合，如在光纤输入端激发纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为方向的线偏振模，其功率为在光纤的输出端出现了在光纤的输出端出现了y方向的线偏振模，其功率为方向的线偏振模，其功率为xP，由于耦合，由于耦合，yP消光比消光比和功率耦合系数和功率耦合系数h来表示这一对正交线偏振模的耦来表示这一对正交线偏振模的耦1-6Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications合作用：合作用：yxPPhL)tan(L：光纤长度；：光纤长度；h：耦合系数；这两参数说明光纤的保偏能力，：耦合系数；这两参数说明光纤的保偏能力，、h越大，保偏能力越强。越大，保偏能力越强。三、光纤的线双折射三、光纤的线双折射A：光纤截面的非圆性变形：光纤截面的非圆性变形xyab1n2n椭圆度：椭圆度：双折射率：双折射率：2/1abe232)2(2eL限定最短的拍长限定最短的拍长minBL：拍长最小对应最大上折射：拍长最小对应最大上折射min2102maxmin15.221BLneab1-7Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications例：例：5.95/,50,3.1,003.0,46.1min1abmLmnB若。B.应力双折射应力双折射光纤中的应力双折射是由于光弹效应引起的，光纤材料光纤中的应力双折射是由于光弹效应引起的，光纤材料本身是各向同性的介质。因而不同方向的电场分量所遇到的本身是各向同性的介质。因而不同方向的电场分量所遇到的折射指数相同，设为折射指数相同，设为n。当光纤受力时，引起了弹性形变，。当光纤受力时，引起了弹性形变，通过光弹效应该形变可引起折射指数的变化，使材料变为各通过光弹效应该形变可引起折射指数的变化，使材料变为各向异性，从而呈现出双折射。向异性，从而呈现出双折射。1.光纤弯曲光纤弯曲ARayx2.光纤侧向受压力光纤侧向受压力xyFA：光纤外径：光纤外径R：曲率半径：曲率半径1-8Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications线双折射：线双折射：2121130)1)(25.0RAppnkyxlP：弹光子数，二阶张量：弹光子数，二阶张量333231232221131211pppppppppp对石英玻璃对石英玻璃jijip27.012.0弯曲光纤相当于一线延迟器。适当选取曲率半径弯曲光纤相当于一线延迟器。适当选取曲率半径R和弯曲和弯曲光纤的圈数可做成光纤型的光纤的圈数可做成光纤型的/4“/4“波片波片”或或/2“波片波片”。这可以。这可以用来构成光纤型偏振控制器。用来构成光纤型偏振控制器。2.光纤侧向受压力光纤侧向受压力设单位长度所加压力为设单位长度所加压力为F，则应力双折射率为：，则应力双折射率为：AFppEknl)(141211030A：光纤外径；：光纤外径；E：材料的杨氏弹性模量，对石英玻璃：材料的杨氏弹性模量，对石英玻璃：210/105.6mNE1-9Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications：材料的泊松比，对石英玻璃：材料的泊松比，对石英玻璃：光纤的侧向受压也得到光纤线延迟器，其线延迟量由压力光纤的侧向受压也得到光纤线延迟器，其线延迟量由压力F决定。决定。四、单模光纤的偏振色散四、单模光纤的偏振色散由于存在双折射，单模光纤中基模由于存在双折射，单模光纤中基模yxLPLP,的相位常数的相位常数yx,不同，从而引进偏振色散，设这两个模式传输单位长度不同，从而引进偏振色散，设这两个模式传输单位长度所用的时间各为所用的时间各为yx,，于是单位长度上产生的时延差为，于是单位长度上产生的时延差为:ddddddyxyx0等效折射指数：等效折射指数：yxnn,cnnkcnnkyyyxxx00,故：故：cnndnndccnndnndcyxyxyxyx)()(101-10Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications五、圆的双折射：光纤对左旋和右旋圆偏振光有不同的相位五、圆的双折射：光纤对左旋和右旋圆偏振光有不同的相位常数，从而引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆常数，从而引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆双折射。双折射。A.参数参数1、光纤的圆双折射率、光纤的圆双折射率LRRLR,左右旋圆偏振光的相位常数。左右旋圆偏振光的相位常数。2、归一化双折射率、归一化双折射率0kBRRB.圆双折射对偏振态的影响圆双折射对偏振态的影响1、线偏振光通过圆双折射光纤后仍为线偏振光，但其方向、线偏振光通过圆双折射光纤后仍为线偏振光，但其方向旋转了旋转了角度，这种光纤的作用相当于一个旋光器。角度，这种光纤的作用相当于一个旋光器。以以x方向的线偏振为例：方向的线偏振为例：输入光：输入光：jjE1211210111-11Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications经过经过L的光纤后，的光纤后，2E输出输出LLjLjLLLLLLLjLjjLjLjLjjLjjERLRLRLRLRLRLRRLRLRLRL22)2exp(sincos)2exp(2sin2cossinsincoscos21)exp()exp()exp()exp(21exp121exp12121-12Copyright Wang Yan2023-1-14Optical fiber communications2、旋光率：单位长度上旋过的角度、旋光率：单位长度上旋过的角度22RLRLLHW11、平板波导、平板波导。mdnnn5,4.1,45.1,5.1321求出求出TE模最低的模最低的3个模式的截止波长。个模式的截止波长。作出作出对对作图法求解作图法求解曲线。曲线。的光波，画出最低三个模式的场的横向分布。的光波，画出最低三个模式的场的横向分布。m10m10的光波的本征方程。的光波的本征方程。