收稿日期:2001-04-13
作者简介:衡伯军(1973-),女,河南省南阳市人,助教,从事通信与信息系统教学研究。
单模光纤中光的偏振
衡伯军
(武汉科技大学,湖北武汉430070)
摘 要:分析了单模光纤中光的偏振特性以及偏振光学在光纤中的应用。
关键词:光的偏振;单模光纤;双折射
中图分类号:O 437 文献标识码:A 文章编号:1002-6320(2001)06-0026-02
光波是一种频率极高(达1014H z 数量级)的电磁波,若我们仅考虑在自由空间中沿OZ 方向传播的单色波,可以将波动方程电场的通解写为[1]E x =e x cos (ωt -kz +δx ),E y =e y cos (ωt -kz +δy )。
其中E x 沿OX 方向线性偏振,E y 沿OY 方向线性偏振。
光波的偏振性质在各向异性媒质中显得特别重要,因为这种媒质的物理性质取决于方向,这种情况下E x 分量的传播特性一般与E y 不同。
以至于E x 、E y 和δ的值将沿传播路径而变化,光的偏振态将随传播距离和媒质的状态而变。
单模光纤由于其抗干扰性强,短距离传输衰减小,在通信和传感器中得到广泛应用。
单模光纤,是指
光波导V 参量(V 值)小于2140时光在阶跃型折射率光纤中传输时,仅有一种模式。
其中V =2πa (n 21-
n 22)12/λ,a :纤芯半径;n 1:纤芯折射率;n 2:包层折射率;λ:入射光波长。
事实上,从具有两个可以传输的不同光偏振态意义上来说,所谓单模光纤实际上至少是双模光纤,即电场矢量可分解成两个既互相垂直,同时又垂直于光纤轴的分量。
由于它们的正交性,它们各自独立传播,不发生相互作用和能量转换。
若注入一根具有对称圆截面的理想、笔直和无缺陷的光纤中,传输速度与偏振方向无关,则偏振光将保持它的偏振方向。
图1
然而,实际上并不存在完全对称的理想光纤。
对于
纤芯呈椭圆形的光纤,便可阐明由不对称性引起的一些
复杂问题。
在这种情况下,偏振有沿长轴a 和短轴b 的
两上优先方向。
如图1设a 位于x 轴,b 位于y 轴。
除
了沿x 轴或y 轴注入光纤的线偏振光外,其它按某个角
度偏振方向注入光纤的线偏振光,都将以两种不同的模
式传播。
即所谓的HE X 11模和HE Y 11模。
这两个模的传输
速度若有差异,我们就说这种光纤具有模式双折射
(B )。
B =(βX -βY )λ
/2π,β:偏振模的传播常数,定义为折射率n 与波矢 K 的Z 分量的乘积。
λ:真空中光的波长。
发生模式双折射时,偏振方向将沿着光纤的长度不断地变化。
甚至在沿着两根轴中的一根偏振的光注入光纤时,由于纤芯一包层界面的缺陷,折射率的波动,及其它一些机理,也会有一部分光被耦合进另一模中。
此时便出现偏振沿着光纤长度发生静态和动态变化的情况。
在实验室里把一束线偏振光注入椭圆纤芯的“双模”光纤中,使输入能量平均地分给HE X 11模式和HE Y 11
模式。
实验结果如下:
第21卷第6期 南都学坛(自然科学版) Vol.21No 162001年11月 Academic F orum of Nan Du (Natural Sciences Edition ) Nov. 2001
图2 右图左是偏振态变化的一个周期,坐标图上绘出
的是在光纤轴的任意位置Z 上,Ex 和Ey 变化的矢
量和,由此决定偏振的状态。
(a )线偏振;(b )圆偏
振;返回到(c )处的线偏振,此时已由(a )的方向旋转了90
°;再变成(d )处的圆偏振,但方向与(b )相反;接
着又变成(e )处的线偏振,恰好与(a )处一样;照此不
断地沿着光纤长度变化下去。
图右是在暗室中从外部肉眼观察一个周期,光纤
中散射光的光强沿光纤长度的变化。
当偏振态从
(a )连续变到(c )时,与视线垂直的 E 矢量的分量增
大,因此散射到观察者肉眼的光也增加,到(c )时达
到最大。
基于类似的过程,在光纤的(c )～(e )这段
长度里,散射光逐渐减小到最小值。
两个最暗区之间的距离L ,相当于HE X 11和HE Y 11
两个模式之间有一个波长的相对偏移,即2π弧度的
相移。
假设两个电场在(a )点同相,则离开(a )点
△Z 距离处的相对相位角Φ(△Z )=(βX -βY )△Z
当△Z =L 时,Φ(L )=2π=(βX -βY )L
(1) B =(βX -βY )/(2π
/λ)(2)
联立(1),(2)式得,L =λ/B L 称为拍长。
在整个L 的范围内,双模光纤中传输的光的偏振态,会经历图2所示的整个循环。
按此过程,有一些应用场合,它们希望具有一根长拍长即弱双折射B 的光纤,而对于另外一些应用场合而言,一根短拍长即强双折射的光纤却更为可取。
另外,对于多模光纤,光纤中的光将是混合偏振的,必须用单模光纤将光保持在一个确定的偏振态。
在实际应用中有时故意在光纤中引进双折射,以达到保偏和非保偏的目的,以此推进了特制光纤的研制和发展。
目前已有一系列改进偏振特性的光纤出现,如:超低双折射光纤;线双折射光纤(包括保偏光纤,偏振光纤);圆双折射光纤;椭圆双折射光纤。
[参 考 文 献]
[1] B 1Culshaw ,J.Dakin[英].光纤传感器[M]1武汉:华中理工大学出版社,19971
[2] 徐予生,等,译1光纤传感器技术手册[M]1北京:电子工业出版社,19871
Optic Polarization in Single 2mode Fiberoptic
HE NG Bo 2jun
(Wuhan Univer sity o f Science and Technology ,Wuhan ,430070,China )
Abstract :Analysis the characteristic of optic polarization in single 2m ode fiber and the use of polarization optics in fiberoptic.
K ey w ords :optic polarization ;single 2m ode fiber ;birefringence ・72・ 2001年第6期 衡伯军:单模光纤中光的偏振 。
