光纤通信-保偏光纤拍长测量pc

实验目的

1． 认识保偏光纤双折射效应特性 2． 用测偏振度方法测量保偏光纤拍长

实验原理

1． 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，振动方向是确定的，在振动面内任意直角坐标系xoy 中可分解为x E , y E 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x E , y 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→椭圆偏振→圆偏振→椭圆偏振→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2π位相差的距离为p L ，称为光纤的拍长，拍长与双折射n δ的关系是

fas t s low n n n -=δ 02λδπδβn ⋅=

n

L p δλδβ

π

2=

=

其中fast n 和slow n 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，δβ是单位长度的位相增量（横向传播系数变化）

2． 偏振保持光纤

在完美圆对称单模光纤中，11HE 模的两个偏振分量（正交偏振的01LP 模）以相同的速度传播，这时它们具有相同的传播常数,线偏振得以保持（01LP 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，

偏振光

保偏光纤的横截

线偏

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。

3． 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0θ，则入射线偏振光的琼斯矩阵形式为

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡000sin cos )exp(θθωt j E E E y x

光纤的琼斯矩阵（相当于一个移相器，延迟量ϕ）是

⎥

⎥

⎥⎦⎤⎢⎢

⎢⎣

⎡-=)2exp(00)2exp(ϕϕj j G 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

⎥⎦

⎤

⎢

⎣⎡-=θθ

θθcos sin sin cos R

因此，在xoy 系中，场分量Y X E E ,可写成

)exp(sin cos )2exp(00)2exp(cos sin sin cos 000t j E j j E E RG E E y x Y X ωθθϕϕθθθθ⎥⎦⎤⎢⎣

⎡⎥⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎢⎣

⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡= ⎥

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡-+++ϕθθθθθθϕθθθθθθcos 2sin 2sin 21

sin cos cos sin cos 2sin 2sin 21sin sin cos cos 0022022002

2022 将输出结果表述为强度之间的关系

ϕ

θθθθcos 2sin 2sin 2cos 2cos )|||/(|)|||(|002222+=+-=ΓY X Y X E E E E

对于给定的0θ，当

0=∂Γ

∂θ

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

的慢，快轴方向进行检测，因此，这个值就是偏振度P ，θ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

ϕθθcos 220tg tg =

偏振度为

2/120202min

max min

max )cos 2sin 2(cos ϕθθ+=+-=

I I I I P

并有如下取极值条件

2

0π

θm

=时，1

=极大P

4

)

120π

θ+=m （时，|

cos |ϕ=极小P

实验仪器

1． 激光器装置 2． 偏振器装置 3． 耦合器装置

4． 光纤定位器装置，出纤 5． 透镜装置 6． 检偏装置 7． 功率检测装置 8． 光纤切割刀 9． 光纤剥离器

实验内容

1. 调整光路及保偏光纤的偏振入射状态，观察输出光斑。

2. 在45度线偏光入射条件下测量最小偏振度1P 。

3. 从光纤出端剪（切）去1mm 左右光纤（标称拍长2mm ），重测最小偏振度2P 。

4. 计算保偏光纤拍长，

1212arccos arccos P P l -=-=∆⋅=∆ϕϕδβϕ

|

arccos arccos |2212P P l

L p -∆=

=

πδβ

π

预习与思考

1． 用散射方法测量拍长有什么优点和缺点？ 2． 初始位相不同情况时应怎样改写测量公式？ 3． 起偏角偏离45度对测量结果有什么影响？

注意事项

1． 光学镜面勿用手触摸。

2． 小心勿直视激光（包括其反射光）。