第四章 光纤的特性—3

光纤在两主轴上的等效折射率不同，因而两个正交偏振态的相速将 有区别，相应的两个位相常数亦不同，即有 x y 。这是对人射 光的两个正交线偏振分量呈现的一种双折射现象。
为方便分析线性双折射的特性，定义如下主要参数: ①定义光纤两线性双折射轴方向线偏振模传播常数(相位常数)之 差为“线性双折射率”，表示为
图2. 2 5给出几种典型的高双折射光纤的折射指数剖面结构分布 图。它们都是依靠在光纤横截面上形成不对称的各向异性的应 力产生双折射的。其中，图4.25(a)为椭圆包层光纤，芯中掺锗， 包层掺硼。由于掺杂不同，使芯和包层有不同的热膨胀系数。 当拉制光纤时，光纤材料从熔融温度迅速降到室温，芯与包层 由于收缩不同，而产生内应力。又由于椭圆包层结构几何形状 不对称，由此产生的内应力是各向异性的，因而通过光弹效应 引起双折射;图4.25(b)是熊猫光纤的折射率剖面分布。在芯两侧 插人高掺杂的应力棒，以产生内应力。由于线胀系数不同，应 力不对称(在纤芯的某一方向留下残留应力)，而产生不受外力影 响的高双折射;图4.25(c)为蝶结形(或称领结形)光纤的折射率剖 面分布。施加压力部分形如蝶结。这种光纤是将施加压力的部 分进行了优化，因而可得到很高的双折射。 当输人光是线偏振 光且正确对准光纤的偏振方向时，则在保偏光纤中传输的光是 单一偏振的，在其他情况下则仍为双偏振的。
x y
(4.56)
②定义线性双折射率与真空中传播常数k。之比为“归一化双折射 率” BF ，表示为
x y x y BF nx ny neff k0 k0 2 / 0
(4.57)
式中 nx , ny 分别为两线偏振主轴上的等效折射率，neff 为等效折 射率差。常规光纤的归一化双折射率值在106 ~ 105范围，高于此值的 称高双折射率光纤，低于此值的称低双折射率光纤。
理想光纤中，x,y两种线偏振模具有相同的相位常数(即传播常数)， 特性相同，是互相简并的，光可以在两种模式间任意转换。这种情 况下，偏振问题对光通信没有实际影响。 然而实际光纤的制作不可能绝对完善;另外，在外部环境的作用 下，其轴对称性不可能绝对理想。例如，光纤芯产生椭圆变形或光 纤内部具有残余应力等。这将使两正交的偏振模相位常数不等，从 而引起在光纤中传输的速度也不同，这种现象叫做光纤的双折射。 双折射将引起一系列复杂的效应，例如，由于双折射两模式的群速 不同，它们之间的简并被破坏，因而引起偏振模色散。在高性能的 传输系统中(例如信号速率高于2.5Gb/s的时分复用系统)，偏振模色 散会引起严重问题;另外，由于双折射，将使偏振态沿光纤轴向变化， 并因外界条件的变化，而使光纤输出的偏振态不稳定。 根据双折射的特点可将其区分为线性双折射、圆双折射和椭圆 双折射，以下将对线性双折射及其对偏振模色散的影响进行重点分 析，进而介绍保偏光纤与单偏振光纤。
po
x y nx n y c

图4. 24偏振模色散
上式表明，偏振模色散与光纤的线性双折射率 成正比。 光纤中的双折射效应一般很小，例如，由制造应力引起的双折 射约在10-7量级。但由于光纤中传输的距离很长，因而累加的双折射 率效应则非常大。若沿整个光纤的双折射是均匀的，则可概略分析 计算出，每经过10 m长度，一种偏振模式就会超前另一种偏振模式 约一个波长，如图4.24(b)所示。然而实际偏振模色散效应并非如此 简单。这是由于，一方面常规单模光纤在整个光纤长度上其制造应 力与环境应力的随机波动，导致了双折射沿常规单模光纤的随机变 化;另一方面，光在常规单模光纤中传输时，两种偏振模式之间的转 化也是随机的。这意味着两种模式间的相移并非沿光纤长度方向始 终累加。实际上，两种偏振模式光相互间不断地超前和滞后，其差 别无法分清。最终脉冲在时域上被展宽，如图4.24(c)所示。 上述由于偏振的随机转化和双折射随机分布所导致的脉冲展宽， 其展宽量随光纤长度L的平方根而增大。这种效应可以称为“微分 群时延”，它在本质上是一种统计规律。
保偏光纤是具有保持偏振态能力的光纤，具体又分两类:高双折射 光纤和单偏振单模光纤。两类光纤都消除了圆对称性的影响，纤 芯是非对称的，相互正交的垂直与水平偏振光在光纤中的传输也 是不同. (1)高双折射光纤(记为HB) 高双折射光纤是当制造光纤时，有意引进高双折射率，使两正交 线偏振基模的相位常数 x 和 y 有很大的差别。这种情况下，由于 相位常数的不匹配，两正交线偏振模之间的耦合很弱，且由于两 种偏振的折射率不同，因而可阻止两种偏振模之间光的转换，从 -7 10 B 而使光纤具有很强的保偏能力。HB光纤的 F 值一般应高于 。
③拍长 LB 。前述 BF 及沿两偏振主轴的偏振态，在传播过程中将 保持不变。由于两偏振态的传播常数(相位常数)有固定差值，因而 随着两偏振态在光纤中的传播，两偏振态之间的位相差与传输距离 之间呈如下线性关系: (4.58) (L) ( ) L
x y
如果光纤的双折射率在传播方向上是均匀的，则上述相位差引起偏 振态沿光纤的变化是周期性的，变化的周期长度为 LB (参见 4.22). LB 是偏振态完成一个周期变化的长度，称之为“拍长”，又 称“耦合长度”。由于一个拍长对应于两正交偏振光的位相差为 . 2 即有 L 2 （4.59）
第4章光纤的特性
20世纪60年代以来的近半个世纪，光纤因其具有的许多优越特 性而在光通信、传感、传像以及光能量与光信号传输等各个领域均 获得了广泛的应用。因此，深人了解光纤的主要特性是至关重要的。 光纤的主要特性包括:光纤的集光能力、光纤的传输特性以及光纤的 物理化学特性等。有关光纤的集光能力在第2章已讨论过，本章将 以光纤的传输特性为重点，分析研究光纤的损耗(衰减)、色散与带 宽、偏振以及非线性效应等传输特性;同时简单介绍光纤的物理化学 特性。
B
因而得到
2 2 LB | x y |
(4.60)
上式表明， 值越大即线性双折射越严重，则拍长越短。普通 单模光纤的拍长值在数厘米量级。 若以观察者感受位相变化为一个拍长周期内两偏振光合成光强 的变化情况，则可得到如图4. 23所示的图解。为简单起见,假定两 偏振光的振幅相等。光波沿x轴传播，在起始点是与x轴成45°的线 偏振光。如果观察者只能感受该方向上的偏振光，则在L=0的该 x y 0 ，则将 处 。，感受光最强 ;经历一段长度后，由于 0 累积相位差 2 时，光波变成圆偏振，观察者只能得到很弱的光 感;再经相同路程，到 ，两偏振态反相，虽合成也是线偏振， 但由于方向旋转90°。[与状态(1)线偏振方向正交]，因而观察到的 3 光强为零;随后当 ，合成偏振又是圆偏振，但旋转方向与 2 2 π/2 时相反，光感也很弱;最后，当 时，重新得到原 45°方 向上的线偏振，再一次观察到最大光强。尔后会周期性地重复上述 过程，形成一种“拍”的物理过程。拍长L是描述单模光纤中不同 偏振态的模式双折射的最重要的参量。
1.单模光纤中的线性双折射及偏振模色散
(1)单模光纤的线性双折射及其主要参数 圆柱阶跃单模光纤中传输的唯一模式是 LP01 模，即基模 HE11 其 电磁场分布示意如图3.17(a)所示，由图表明该模式场为线偏振。当 光纤横截面上的直角坐标轴x、y确定后，LP01 模的电场矢量既可以平 行于二轴，也可以平行于y轴，亦即存在两种偏振模式。当光纤纤 芯为理想圆形，且传播轴为直线、不受外力、不弯曲的情况下，即 光纤纤芯为理想的轴对称结构，则x偏振模与y偏振模的传播常数相 x y ,为简并;但当实际光纤结构偏离理想轴对称(如纤芯 等，即有 发生椭圆变形)，且在横向不对称压力作用以及弯曲等条件下运行， 则在光纤中将形成线双折射，并存在相互正交的两个特征偏光轴x 轴和y轴。称这两个轴为双折射轴，通常将直角坐标系的X,Y轴取与 x LP LP 01 此两轴重合，沿此两主轴方向偏振的两个 的偏振模分别称为 01 y LP 01 和 模(参见图4.21)，相应的相位常数分别为 x , y 。由于
图4. 22从特征偏光主轴倾斜入射到光纤时线偏振光偏振的变化
应该指出的是，上述分析是理想状态下的规律。实际光纤中，沿传 播方向的弯曲与外力强度及方向均是变化的，因而线性双折射的主 轴方向、双折射率与传播方向均不相同;另外，由于温度等因索的影 响，双折射也随时间变化。这样，经长距离传输后，从单模光纤输 出光的偏振态将随时间缓J漫变化，偏振主轴方向也将不断变化。 (2)单模光纤的偏振模色散 理想单模光纤的两种相互正交的偏振模式在光纤中的行为相同， 它们是简并的。然而实际光纤结构的不对称以及内部应力与外部压 力、温度等环境变化作用，将导致单模光纤的双折射效应。相互正 x y 交的两种偏振模 ， ，由于其传播常数 ， x 不同，相应 LP y LP 01 01 的群速不同从而引进偏振模色散(Polarized Mode Dispersion,PMD) 若以 表示单位长度光纤偏振模色散所导致的时延差，则可导 po 出如下偏振模色散的近似表达式（ 4.61） :
另外，成缆对偏振模色散带来的影响也很重要。虽然偏振模色散在 量值上比光谱色散要小，但当传输速率超过2. 5 Gb/s时，偏振模色 散就变得比较重要;而对速率超过10 Gb/s的长距离传输系统，偏振 模色散更必须严格控制。 2.保偏光纤 普通的光探测器对光的偏振态是不敏感的;大量应用的强度调 制—-直接检测类型的光纤通信系统，也并不关注光纤中的偏振态情 况。即对一般光通信系统，光纤中偏振态的不稳定对于仅需测量光 纤的出射光功率是没有影响的。但在另外一些应用场合，例如相干 光纤通信系统，要求本振光和信号光的偏振态严格保持一致，否则 接收灵敏度将大为下降;另外，当用外差式检波或用光纤组成干涉仪 时，如果参照光的偏振态与信号光(光纤的出射光)不一致，就不能 产生干涉，从而会使测量出现问题;在集成光学技术中，为提高光纤 与光波导的祸合效率，要求光纤与光波导基模的偏振态保持一致。 为此，几十年来，通过控制光传输时偏振态的规律，开发了多种可 使人射到光纤的线偏振光保持不变的稳偏振面光纤，或称保偏光纤。