長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文保偏光纖特性參數(shù)的實驗研究姓名：王眾申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：薛玲玲20080401摘 要保偏光纖(于對線偏振光具有較強的偏振保持能力，并且與普通單模光纖有良好的相容性而在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來人們在保偏光纖的理論設(shè)計、制造工藝和參數(shù)測量等方面做了大量工作，取得重大進展。本文首先通過對保偏光纖原理及種類的介紹，對保偏光纖的特性參數(shù)：消光比、拍長、偏振度進行詳細了的說明。用縝密的計算過程和數(shù)據(jù)描述了光在光纖中的傳輸原理，并對保偏光纖的發(fā)展及其測量技術(shù)的進步做了詳細的介紹。在實驗部分，根據(jù)保偏光纖的原理，以及保偏光纖內(nèi)部模耦合的特征，搭建了基于點耦合分析壓力測量法測量保偏光纖特性參數(shù)中拍長的實驗測試系統(tǒng)，完成整個測試系統(tǒng)的光路設(shè)計、數(shù)據(jù)處理部分的工作。在整個工作中能夠根據(jù)測量的原理，實現(xiàn)了各個分系統(tǒng)的設(shè)計功能，并針對檢測的要求將測試系統(tǒng)劃分為偏振調(diào)整機構(gòu)和數(shù)據(jù)測量兩部分。關(guān)鍵詞：保偏光纖 特性參數(shù) 拍長 點耦合分析壓力法MF)in on to on is a in he of of he of in by in is a of on an of of of it n ng in of of in of he as of to of in ey 呈交的碩士學(xué)位論文保偏光纖特性參數(shù)的實驗研究是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：王迎辨魚月盈長春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“長春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意長春理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)長春理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。作者簽名： 幺蘭墮羔年三月籃指導(dǎo)導(dǎo)師簽名：誨捻誰盟年上月日第一章緒 ；論11光纖結(jié)構(gòu)及類型111光纖的結(jié)構(gòu)光纖(由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫傻囊环N高度透明的玻璃絲。其典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體，如圖11所示。從橫截面看，自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。纖芯由高度透明的材料制成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略低于纖芯，它為光的傳輸提供反射面光隔離；涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，同時又增加光線的柔韌性，起延長光纖壽命的作用。圖11光纖的結(jié)構(gòu)示意圖112光纖類型光纖種類很多，且可用不同的方法分類，其常用的類型分類有：根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀分為階躍型和漸變(梯度)型兩種；根據(jù)光纖中傳輸模式的多少分為單模光纖和多模光纖兩種；按制造光纖的材料則石英系列、塑料包層石英纖芯、多成分玻璃纖維、全塑光纖等四種，光纖通信中主要用石英光纖。階躍型光纖是指纖芯和包層的折射率n；和在纖芯和包層的交接處呈現(xiàn)階梯型變化的光纖，折射率的分布如圖12(a)所示“。如果纖芯的折射率隨著半徑的增大而逐漸減小，而包層中的折射率為均勻的，這種光纖稱為漸變(梯度)型光纖，折射率的分布如圖12(b)所示。所謂模式，即電磁場的一種場型結(jié)構(gòu)分布形式。電磁場有許多模式，模式不同，其場型結(jié)構(gòu)不同。單模光纖只能傳輸一個模式，即光纖的基模(模)。單模光纖的直徑較小，約為4m，纖芯的折射率的分布為均勻的，故單模光纖多為階躍光纖。多模光纖在一定的工作波長下，可以傳輸多種模式。多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。因此對于石英光纖則主要有多模光纖折射率光纖、多模漸變折射率光纖和單模階躍折射率光纖三類。根據(jù)應(yīng)用的需要，在常規(guī)單模光纖的基礎(chǔ)上，又設(shè)計出許多特種單模光纖。圖12光纖折射率的橫截面分布113光纖標(biāo)準(zhǔn)及編號制定光纖標(biāo)準(zhǔn)的國際組織主要有國際電工委員會國際電信聯(lián)盟一電信標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)()。按照1(1995)光纖第1部分總規(guī)范光纖的分類法，光纖被分為類為多模光纖，纖的分類、名稱、命名對應(yīng)關(guān)系如表卜1纖分類及編號212單模光纖在給定的工作波長上，只能傳輸單一基模的光纖稱為單模光纖。由于單模光纖中不存在模式色散，因此，它有相當(dāng)寬的傳輸頻帶(一般在幾十吉赫茲以上)，有利于高碼速、長距離、大容量的信息傳輸。因此，單模光纖在通信系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。單模光纖以其衰減小、頻帶寬、容量大、成本低和易于擴容等優(yōu)點，作為一種理想的光通信傳輸媒介，得到極其廣泛的應(yīng)用，隨著信息社會的到來，人們研究出了光纖放大器、時分復(fù)用、波分復(fù)用和頻分復(fù)用技術(shù)，從而使單模光纖的傳輸距離、通信容量和傳輸速度進一步提高。發(fā)展單模光纖的重要意義還在于它在通信以外的廣闊領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。單模光纖的基模的相位，對各種外界的微擾(如磁場、轉(zhuǎn)動、振動、加速度、溫度等)極其敏感，而相位的變化可以引起電磁場極化的旋轉(zhuǎn)，利用這一特性，可以制作高靈敏的光纖傳感器。L 21單模光纖的單模傳輸條件1主模與第一高次模由表卜2乜1可以看出，模的歸一化截止頻率最低，即V。=0。所以模是單模光纖的主模，它沒有截止現(xiàn)象，在任何頻率時都可以傳輸。除外，次低的歸一化截止頻率是240483，它所對應(yīng)的模式是模，稱模為第一高次模。表1模傳輸條件從前面的分析可知，光纖的導(dǎo)波形成的條件是V止條件是V光纖的單模工作條件決定于第一高次模的截止特性，只要第一高次模截止時，則其它所有高次模均處于截止?fàn)顟B(tài)，而光纖中只傳輸主模。由此可得出單模光纖的單模傳輸條件為： y；孥廂240483(11)122單模光纖的特征參數(shù)光纖的實用參數(shù)很多，這里僅介紹單模光纖常用的特性參數(shù)：衰減系數(shù)、截止波長和模場直徑。1衰減系數(shù)功率的損耗叫做光纖衰減。它是光纖通信系統(tǒng)設(shè)計對需要考慮的一個重要因素，它決定線路上中繼距離長短。衰減量的大小通常用單位長度(通常是衰減，即衰減系數(shù)1：1表示“1，其定義為：砌) (12)式中 I光纖長度，箱入光纖的光功率；光纖輸出的光功率。2截止波長x。截止波長是單模光纖所特有的參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)，通常可以用它來判斷光纖中是否是單模工作方式。由光纖傳輸理論可知，要保持單模傳輸，就要使光纖的歸一化頻率的截止頻率240483時，高次模正好截止，光纖中只傳導(dǎo)基模。此時，對于給定的光纖(n，、由式1所對應(yīng)的波長九。又稱為臨界波長“1。光纖中第一高次模的截止波長為：A，。_：2x42=6513)。1麗 u。7只有當(dāng)工作波長大于次截止波長時，才能保證單模工作。(1)模場直徑)場強(即電廠強度)在光纖橫截面內(nèi)有以特定分布，其分布與光纖結(jié)構(gòu)有關(guān)，光功率被約束在光纖橫截面一定范圍內(nèi)。而模場直徑就是衡量這個范圍的物理量，他是單模光纖的重要參數(shù)。對于階躍型單模光纖，基模()場強在光纖橫截面的分布近似為高斯分布，如圖13所示。通常將纖芯中場分布曲線最大值的1義為模場直徑，用131 場直徑的標(biāo)稱值應(yīng)當(dāng)在910|l 差為l 1( 。3 基模場強分布曲線4123單模光纖的雙折射特性1雙折射現(xiàn)象在單模光纖中，由于橫向電場的極化方向的不同而基模存在著沿(E，=O)和。(在理想的軸對稱的光纖中，這兩個偏振模具有相同的傳輸常數(shù)(B，=9，)，兩個偏振模完全簡并。但是，實際光纖難免有形狀、折射率、應(yīng)力等分布不均勻，將使兩種模式的3，B，)，形成相位差a B，簡并受到破壞，這種現(xiàn)象叫做雙折射現(xiàn)象。2偏振態(tài)類型 偏振即極化的意思，系指電場或磁場的空間方位隨時間的變化。一般人們把電場的空間方位作為波的極化方向。這種電磁波的極化問題，在研究光傳播時，通常用偏振來描述，即光矢量的空間方位稱光的偏振。一般分為三種偏振態(tài)“1。(1)線偏振光：光矢量的端點描繪出的圖形是一條直線，稱為線偏振光。(2)圓偏振光：如果電場的水平分量與垂直分量振幅相等、相位相差90。，則合成場矢量將隨時間光矢量的大小不變，而方向繞傳播方向旋轉(zhuǎn)。矢量的端點的軌跡為一個圓，故稱為圓偏振光。(3)橢圓偏振光：如果電場的兩個分量，空間方位互相垂直，而偏振和相位都不等，隨著時間成場矢量的端點的軌跡時一個橢圓，故稱為橢圓偏振光。3單模光纖中的雙折射及影響(1)雙折射分類。對應(yīng)光的偏振狀態(tài)，雙折射也有三種，即線雙折射、圓雙折射和橢圓雙折射。1)線雙折射：兩個正交的線偏振光，如果在其方向上有不同的折射率，則將使其有不同的相位常數(shù)，即產(chǎn)生雙折射，此稱為線雙折射。2)圓雙折射：兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光，如果在其旋轉(zhuǎn)方向上有不同的折射率，則將使其有不同的相位常數(shù)，這種雙折射稱為圓雙折射。3)橢圓雙折射：在傳輸媒質(zhì)中，如果同時存在線雙折射和圓雙折射，即為橢圓雙折射。(2)雙折射對偏振狀態(tài)的影響。1)偏振演化及拍長。在單模光纖中，如果B，B，則將使傳播速度不等，形成相位差A(yù) B=B，一B，稱為偏振雙折射率“，雙折射程度用歸一化雙折射率：8：堂；竺 (14)盧 2能保持線偏振，否則其偏振狀態(tài)將沿光纖長度方向周期演變，即周期性地由線偏振一橢圈偏振一圓偏振一橢圓偏振一線偏振這樣演化。偏振態(tài)變化一個周期的長度句話說，兩個正交的偏振模，當(dāng)相位變化之差為2 經(jīng)討長度為一個拍長，根據(jù)拍長定義可得：三。；罷；罷 (15)“。萬。面 u”2)偏振保持光纖。光纖中若存在雙折射，將要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。一般單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能減小或消除雙折射。常規(guī)單模光纖的0值雖然不大(典型的但是通過光纖制造技術(shù)來消除它卻十分困難，而通常采用光纖的特殊設(shè)計，即人為地引入強雙折射，把13值增加到(典型值B=10。)足以使偏振態(tài)保持不變，或只保存一個偏振模式，實現(xiàn)單模單偏振傳輸。強雙折射光纖和單模單偏振保持光纖。13保偏光纖的發(fā)展保偏光纖(于對線偏振光具有較強的偏振保持能力，并且與普通單模光纖有良好的相容性而在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中得到了越來越廣泛應(yīng)用m。國外20世紀(jì)80年代就掀起了內(nèi)雖然在80年代也開始從事是由于技術(shù)落后，至今保偏產(chǎn)品質(zhì)量仍然不能滿足應(yīng)用的要求，尤其是不能夠滿足中高精度光纖陀螺對際上保偏光纖的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，但西方國家對我國一直限制出口。我國有關(guān)單位從事保偏光纖的研究也有十多年歷史，但由于西方國家技術(shù)上的封鎖及國內(nèi)相關(guān)單位的設(shè)備工藝水平限制，僅能生產(chǎn)小批量產(chǎn)品，且其主要性能指標(biāo)與西方國家同類產(chǎn)品相比仍有較大差距，成為我國光纖陀螺等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。國內(nèi)向均勻性差、偏振溫度穩(wěn)定性差和光纖強度差等問題，一直是我國光纖傳感器技術(shù)及慣導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的障礙。自20世紀(jì)70年代以來各國都在競相研究和開發(fā)高性能的現(xiàn)在為止，熊貓型振保持特性優(yōu)良、損耗較低等優(yōu)點得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。目前， 國外已經(jīng)研究出一系列的高性能P,用窗口630，850，980，1300，1400500振串音高達45dB300和1550131溫度適應(yīng)性的圍環(huán)境的變化會對用于航空航天領(lǐng)域的光纖陀螺，要求溫下光纖中產(chǎn)生壓應(yīng)力會導(dǎo)致光纖徽彎和模式偶合，使光纖的偏振性能惡化。因此，過選擇耐環(huán)境溫度變化的光纖涂層材料，優(yōu)化光纖內(nèi)涂層和外涂層的厚度比。以及調(diào)整光纖涂層厚度等措施可以提高。有研究表明，采用紫外光固化的聚酞亞胺緩沖涂層，可以承受一60一100振串音變化小于05dB外已經(jīng)研究出高溫度穩(wěn)定性的6夠在一40一85環(huán)境下承受200次循環(huán)試驗，130000 m。采用有機硅樹脂作徐層材料制成的以應(yīng)用于作環(huán)境中。132組陣物玻璃光纖氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗中紅外及遠紅外光纖，它是以系統(tǒng)為基體材料的多組分玻璃光纖，其最低損耗在25 u 10dB中繼距離可達到1105于紅外光纖傳感器，工作波長為25 u m，模雙折射為43101。氟化物促進纖維光學(xué)干涉技術(shù)在紅外天文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。133摻稀土德華本特研制的高增益高雙折射光纖，芯層中雜濃度為1310“個得了36 雙折射為1310一，偏振串音為一37 00 m料、并摻雜造的用于二次諧波發(fā)生器。133光子晶體前，國外已經(jīng)開始了光子晶體用氧化硅一空氣之間的折射率反差大，容易獲得高雙折射，研制出了保偏光子晶體光纖(隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴大。特別是90年代以后，相關(guān)的光纖傳感器的實用化提供了技術(shù)保障，隨著電子信息技術(shù)的進步，光纖偏振器、光纖偏振偶合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器和水聽器等相干檢側(cè)器對調(diào)查報告表明，國內(nèi)光纖傳感器在整個傳感器市場中的占有率僅為2，以蹦其是光纖陀螺(域?qū)α枯p、無機械運動部件、啟動快、動態(tài)誤差小、可靠性高和壽命長等優(yōu)點。因此具有取代現(xiàn)有機械陀螺產(chǎn)品而大量使用的趨勢。特別是3大戰(zhàn)略武器：洲際導(dǎo)彈、遠程轟炸機和核潛艇的制導(dǎo)，飛機和汽車的定位導(dǎo)航。機器的傳感控制所需求的國防、基礎(chǔ)研究及傳感器領(lǐng)域的特種光纖研發(fā)的大量經(jīng)驗，開發(fā)出的特種光纖以其強勁實力占據(jù)國2000年億美元，2002年就達到了50億美元抽1。中國對中高低檔精度的于貨源供應(yīng)極為有限，以及國外對我國保持封鎖和禁運等手段，遏制了我國軍用慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。由此可見，著世界新技術(shù)的飛速發(fā)展和新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，)采用光子晶體光纖新技術(shù)制造新型的高性能(2)開發(fā)溫度適應(yīng)性適應(yīng)航空航天等領(lǐng)域環(huán)境的要求；(3)開發(fā)出各種摻稀土足光放大器等器件應(yīng)用的需求；(4)開發(fā)氟化物進纖維光學(xué)干涉技術(shù)在紅外天文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展；(5)低衰減著單模光纖技術(shù)的不斷完善，損耗、材料色散和波導(dǎo)色散已經(jīng)不再是影響光纖通信的主要因素，單模光纖的偏振模色散(漸成為限制光纖通信質(zhì)量的最嚴(yán)重的瓶頸，在了解決般都采取了對是及光源波長的輕徽擾動都非常敏感，會隨時間發(fā)生隨機變化。這些都給光纖通信系統(tǒng)的果低衰減的為高速傳輸系統(tǒng)中的6)利用克爾效應(yīng)和法拉第旋光效應(yīng)制造偏振光器件。14 本文主要研究內(nèi)容和意義本文以壓力法測量保偏光纖拍長L。，因為它原理簡單，設(shè)計合理，精度高，且對光纖無破壞。基于光彈效應(yīng)，當(dāng)在光纖側(cè)向作用一個壓力時，將產(chǎn)生附加雙折射，當(dāng)改變壓力位置時，輸出偏振態(tài)隨著改變，由此可測得拍長。保偏光纖不僅可以實現(xiàn)巨大容量的相干光通信，且可制成許多光纖傳感器和光信息處理器，因此良好有效的測量保偏光纖的特性參數(shù)非常具有意義。在采用壓力法測量時，要求輸入線偏振光方向與被測光纖雙折射軸一致(對軸輸入)，即只激發(fā)一個偏振模。當(dāng)光纖拍長較長或工作在多模情況時，這種測量難以進行。采用點耦合分析方法，測量時輸入偏振光不要求對軸，而只要調(diào)整檢偏器的方向，得到很好的結(jié)果。第二章保偏光纖原理與特性參數(shù)21光纖的傳輸原理與特性211光纖傳輸?shù)纳渚€理論幾何光學(xué)分析法又稱為射線理論方法，它是基于這樣一種觀點，在滿足光波的波長要遠小于光線的橫向尺寸的條件下，近似地認(rèn)為光波的波長為零(于是光的衍射現(xiàn)象就可以忽略，光的發(fā)射角可近似認(rèn)為零。這樣就可以將光看成一條射線，從而運用幾何光學(xué)方法簡單直觀的對光波在光纖中傳播、反射、折射等現(xiàn)象進行分析和研究。 ，我們知道，當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，如圖21所示：匿21光的反射與折射根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。根據(jù)光的折射定律有：，ll 雄2 中，彈。為纖芯的折射率，靠：為包層的折射率。顯然，若埠，蚪：，則會有0：，p，。弗：的比值增大到一定程度，則會使折射角e：己90*，此時的折射光纖線不再進入薄層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過(六一90。時)，或者重返回到纖芯中進行傳播(六三90。時)。這中現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象，如圖22所示：全反射現(xiàn)象是光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖芯進行傳播，沒有跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的損耗22光的全反射現(xiàn)象1光在階躍光纖中的傳播按照折射率分布情況光纖可分為階躍光纖和漸變光纖。由于階躍光纖的折射率的變化是階躍的，因此纖芯和包層間有嚴(yán)格的邊界。光在階躍光纖中的傳播軌跡“2如圖23所示：骶 通常用入射光與光纖頂端的夾角0，來衡量光纖接收光的能力，于是就產(chǎn)生了數(shù)值孔徑(概念”1。數(shù)值孔徑定義為：朋t (21)因為光在空氣中的折射率櫛。；1， 于是由折射定律可得一lt1 0。一吼)，為保證光在光纖中的全反射，應(yīng)有見。為全反射臨界角吼是有：00也h。一廂=刪 眨z，光纖通信技術(shù)并不是根據(jù)纖芯和包層的折射率本身來工作，兩是依靠兩者的差值，將差值定義為：1一咒2 (23)被稱為相對折射率，其定義如下：10=n (24)其中，n；(n。+，l：)2。由此可以推到出數(shù)值孔徑的另一個公式“”： 。瓶；網(wǎng)；(紐所以厄 (25)反映光纖與光源或探測器等元件耦合時的耦合效率“”。光纖的然光纖接收光的能力越強，但光纖的模式色散也越厲害。因為其相對折射率差也就越大，從而使光纖的傳輸容量變小“。因此建議18024)O02，我國一般取2O02。數(shù)值孔徑是一個小于1的無量綱的數(shù)。2光在漸變光纖中的傳播漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。采用這種分布規(guī)律是有其理論根據(jù)的“”。假設(shè)光纖是由許多同軸的均勻?qū)咏M成，且其折射率由軸心向外逐漸變小，如圖24所示：堙二光在漸變光纖中傳播的定性解釋即，ll2，珂13，12。由折射定律知，若，則有82，p。這樣光在每二層的分界面皆會產(chǎn)生折射現(xiàn)象“”。由于外層總比內(nèi)層的折射率要小一些，所以每經(jīng)過一個分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，全反射的光沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內(nèi)進行傳播，其傳播軌跡類似于由許多許多線段組成的正弦波?？杀硎緸椋?其中，定常數(shù)口，為纖芯半徑(26)為相對折射率差面為初始相位，待定常數(shù)于是，以不同角度入社的光線族皆以正弦曲線軌跡在光纖中傳播，且近似聚焦?fàn)睿鐖D25所示”1： 彥廬式m一鄉(xiāng)。鄉(xiāng)圖25光在漸變光纖中的傳播軌跡2I2光纖傳輸?shù)牟▌永碚摦?dāng)光纖的尺寸與光的波長相當(dāng)時，用幾何光學(xué)分析法分析光纖中光的特性便受到了限制，這時需要用波動理論分析法，波動理論分析法是基于電磁場理論，在麥克斯韋方程的基礎(chǔ)上，運用光纖纖芯與包層分界面的邊界條件，導(dǎo)出光纖中光場的分布形式，得到光在光纖中的傳播特性。 本論文主要用到階躍式光纖，下面主要介紹階躍光纖的模式理論，對于圓柱形光纖我們采用圓柱坐標(biāo)系，如圖26所示：圓柱坐標(biāo)系在圓柱坐標(biāo)系中用縱向場E：、H：分量表示的橫向場E，、E，、日，、H。分量“”弘一南(哮+等等) ，園r乞一南等等一掣警) 他s，即一南(盧等一等等) 眩。，卟一壽(等一讎引 式中七；麗一甜1，；缸肛為自由空間的波數(shù)；。；櫛為介質(zhì)的折射率“。均勻波導(dǎo)中縱向場E：、日：的亥姆霍茲(程為：E：一0 (211)+膏2H：一0 (212)在圓柱坐標(biāo)系中只有在圓柱坐標(biāo)系中縱向場E：、H：的波動方程表示為：磐+墮+丟等+等城20r r Or r 以：-。 汜m|a2 。要罐(214) a2 式中忍：。先令 ， ：r，妒，z=。R(r知)z(z) (215)日：r，妒，z)=丑。月(，(妒)z(z) (216)z)表示導(dǎo)波沿光纖軸向的變化規(guī)律為行波，用表示其傳播的相位常數(shù)，則z(z)=217)妒(妒)表示沿9：周方向)的變化規(guī)律應(yīng)是以扳為周期的函數(shù)，則礦(妒)一行一0,1,2， (218)由式(213)至(217)可得：掣七掣+卜產(chǎn)卦m。 咖2 r 2 J上式是在特定的邊界條件下求解R(r)的貝塞爾(程“1，通過此式可求出階躍光纖的模式情況。圖27為第一類。和第二類1)解的形式：在纖芯中(r 托；，l，。對于傳輸導(dǎo)模，在纖芯中沿徑向呈駐波分布，應(yīng)滿足七知?一0的條件，其解應(yīng)取振蕩形式：月(，)：，。嘛)+匕慵再萬r)，s n (220)式中，Jm r)和)分別為曲線如圖2。K、。一：!Ym(r)10501(a)一彩沁：乃忒 。州：心k7(b)圖27(a)第一類b)第二類0時，匕(o)為無窮大，而在這一點實際的光場分量應(yīng)為有限值，所以這個解應(yīng)該舍去。在包層里(，a)，埠一n：。對于傳輸導(dǎo)模，在包層里場分量應(yīng)迅速衰減，因此，應(yīng)滿足蘆2一。2”；，0的條件。其解的形式“”為： R(，)：，。(r)+K。(r)r，n(221)式中，j。(r)和K。(r)分別表示第一類和第二類虛宗量的曲線如圖28所示：I。(f)302010。仁善l?j： czw t 0時，K。(指數(shù)增加趨勢，表明場不能被約束在纖芯內(nèi)，即出現(xiàn)輻射模，纖芯內(nèi)的場被截止，包層中的場則為振蕩型，光能從徑向輻射出去。c)結(jié)合參量“和W，來定義光纖的重要結(jié)構(gòu)參量一光纖的歸一化頻率y：礦t廚=是決定這光纖中的模式數(shù)量的重要參數(shù)仞1，與波導(dǎo)尺寸(纖芯d)和真空中的波數(shù)成正比。由此可以得出到模的傳輸條件，為了得到纖芯里振蕩、包層里迅速衰減的解的形式，必須滿足：女；H；一72，n；，0 (226)因此，導(dǎo)模的傳輸常數(shù)的取值范圍是：盧盯口(228)(229)其中彳、用(29)(212)式表示的橫向場方程式，可以求出E。和。分量為：玎一口H。=(230)(231)利用光纖的邊界條件確定光纖中導(dǎo)波的特性，在纖芯和包層的邊界上，電磁場的切向方向連續(xù)，即在纖芯和包層界面(，一口)上E，和H，也應(yīng)該連續(xù)，于是可得到特征方程為：礎(chǔ)+瑞憾端+瑞】 仫。：，一2陟+部壺+吉)對于通信中所用到的弱波導(dǎo)光纖，玎，一n：，上式可簡化為： 、【端+端卜肌(砉+吉) 汜式即為弱導(dǎo)光纖的特征方程。式中“”表示方程有兩組解，取“正號”時為一組解，對應(yīng)的模式為“負(fù)號”酐t：應(yīng)的模式為22保偏光纖的參數(shù)、原理及應(yīng)用：221保偏光纖的原理理想的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有良好的幾何圓對稱性，因而所傳輸?shù)幕＃莾烧荒Ｊ降亩睾啿⒛B(tài)。在實際的光纖中，由于缺陷的存在，這種二重簡并被破壞，從而引起模態(tài)雙折射。為了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中維持模的偏振，就需要將雙折射引入到光17纖中，使。和兩模式的有效折射率不同，兩正交模的傳播常數(shù)盧。與盧。差別增大，兩模式耦合幾率減小。如果光在光纖一個光軸平行的方向上被線性偏振，那么光將維持其偏振態(tài)在光纖中進行傳輸。如果在沿著光纖傳輸時，光在其它角度被線性偏振，偏振態(tài)將發(fā)生變化，從線性到橢圓到線性，再到橢圓并再次返回到線性，具有通常所說的差拍周期長度種變化是模的正交分量間的相位差的結(jié)果，相差由它們的傳輸常數(shù)之間的差別產(chǎn)生。差拍長度越短，光纖對偏振的不規(guī)則性效應(yīng)就越具有彈性，光纖對線性偏振光的偏振保持能力就越強。保偏光纖中雙折射產(chǎn)生原因：從產(chǎn)生的機理來看，雙折射主要分為3類曲：(1)形狀雙折射：電介質(zhì)材料幾何形狀的各向異性。導(dǎo)致材料的介電常數(shù)(r)和材料的導(dǎo)磁率(r)的各向異性，將引起材料折射率n(r)的各向異性。(2)應(yīng)力雙折射：主要指來自材料內(nèi)部的熱應(yīng)力和材料外部的機械應(yīng)力，材料在受到應(yīng)力引起材料折射率的變化即彈光效應(yīng)而產(chǎn)生雙折射。(3)外界電磁場引起的雙折射：橫向電場在光纖中引起的克爾(應(yīng)會產(chǎn)生線雙折射，縱向磁場在光纖中引起的法拉第效應(yīng)會產(chǎn)生圓雙折射。222保偏光纖的結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)貓型、蝴蝶結(jié)結(jié)型、橢圓包層套層纖芯型、扁平包層型、邊槽型邊隧道型、扭轉(zhuǎn)型和旋光纖等。幾何型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的隧道型以及啞鈴纖芯型等相繼被淘汰。應(yīng)力感應(yīng)型熊貓型、蝴蝶結(jié)型、橢圓纖芯及橢圓包層型和橢圓套層發(fā)展較快。氣相腐蝕法、鉆孔插棒法、研磨法、光刻腐蝕法、減壓縮棒法、預(yù)制棒變形法等。管套棒法是將7根預(yù)制棒集聚成一束插入石英套管中。中心為芯棒，兩邊為一對對稱的摻鋁或硼的石英棒，其余4根為對稱石英棒。然后拉絲制造成圖29所示的蝴蝶結(jié)型29熔縮形成蝴蝶結(jié)型鉆孔插棒法是在單模光纖預(yù)制棒包層的一條直徑上加工一對對稱的孔，并將孔的內(nèi)表面加工處理使其光潔度和清潔度達到要求。然后將一對應(yīng)力棒插入對稱孔中。加熱使其應(yīng)力棒與單模棒熔接為一體，經(jīng)過拉絲后即成為熊貓型大地提高了加工精度，相腐蝕法(見圖210212)都是采用改進化學(xué)氣相沉積(藝技術(shù)。首先沉積幾層氟磷緩沖層，再沉積一定層數(shù)的摻雜硼硅酸鹽玻璃(如圖210)，然后沿著石英管兩側(cè)局部加熱，同時向管內(nèi)通入含氟氣體，使石英管被加熱部分內(nèi)壁的硼硅酸鹽層腐蝕(如圖211)；然后再沉積包層，最后沉積摻鍺的芯層(如圖212)，經(jīng)過熔縮成棒后形成如圖29所示橫截面的高雙折射光纖預(yù)制棒。經(jīng)過拉絲，形成蝴蝶結(jié)型沉積摻雜三氧化二氟玻璃 氣相腐蝕 沉積芯層圖210 圖211 圖212預(yù)制捧粉末外包技術(shù)為前采用氣相軸向沉積(藝，利用雙噴燈沿著應(yīng)力棒兩側(cè)對稱地外包上石英包層，然后經(jīng)過脫水燒結(jié)，制造出透明的工藝技術(shù)的采用不僅省去了繁瑣的機械加工工藝，而且可以設(shè)計和制造不同結(jié)構(gòu)的保偏預(yù)制棒，時，外噴技術(shù)避免了機械加工造成的雜質(zhì)污染和預(yù)制棒表面損傷提高了光纖強度；粉末(制捧經(jīng)過脫水燒結(jié)后，降低了光纖的衰減，采用該技術(shù)可以制造出強度好、衰減小的高質(zhì)量的23保偏光纖的特性參數(shù)1消光比首先，對于任何一個傳輸偏振光的光纖系統(tǒng)，消光比是一個必要的參數(shù)。消光比是度量偏振相關(guān)器件(如保偏光纖、保偏光纖禍合器、偏振器)保持偏振態(tài)穩(wěn)定性能的指標(biāo)。當(dāng)一束線偏振光精確地沿保偏器件某一光軸入射時。在正交軸方向上會激發(fā)起偏振模，兩個正交軸上的功率比值就是消光比。消光比的測試方法如下：沿被測器件輸入端的慢軸(或主軸)注入線偏振光，測量輸出端正交方向的輸出功率P，(慢軸)，軸)?？傻闷骷南獗戎笜?biāo)：目。一10 (234)19其基本形式no，征偏振矢量)，7表明當(dāng)前偏振光的偏振方向按保偏光纖的模振動方向注入時，在出射端出現(xiàn)了模向。這說明光傳輸過程中偏振態(tài)發(fā)生了變化，產(chǎn)生模耦合，形成一種合成復(fù)雜的偏振光。大偏振保持能力強，同時也說明兩本征偏振模之間能量耦合情況。對光纖陀螺偏振元器件來說，如保偏光纖線圈，7量不僅反映本征偏振態(tài)之間的耦合。更重要的是反映了光纖陀螺由偏振噪聲產(chǎn)生的輸出非互易相移或噪聲，即中；nb J 77此量與輸出的旋轉(zhuǎn)角速度成正比，這正是光纖陀螺系統(tǒng)需盡力避免的。因此，為提高系統(tǒng)的信噪比，提高光纖器件的消光比減小偏振噪聲是一個重要方面。2拍長保偏光纖最重要的一個特性參數(shù)是拍長，拍長是指兩正交偏振模的相位差達2石時的光纖長度，它是表征光纖雙折射程度的一個非?？陀^的參數(shù)，用不同的方法測出的拍長具有可比性。許多資料介紹了拍長測試的一些常見方法，如：偏振橫向散射法，偏振光時域反射計法，扭轉(zhuǎn)法，壓力法，壓力調(diào)制法，光彈性調(diào)制法、電磁法和剪斷法等，另外國外一些文獻還介紹到可以采用色散雷達法、光頻域反射計法和聲光陷波濾波法等來測試拍長“。對一般的單模光纖來說：成，盧。分別是兩個基模(本征矢)的傳愉常數(shù)，且它們的值相等。但對于不斷受外界場影響的單模光纖傳感系統(tǒng)來說，蘆；，盧，在光纖中不同位置都可能隨時問變化，這使得展一盧，。這樣本征偏振光的傳輸就不能達到一致，它們所形成的合成偏振矢量就不穩(wěn)定。因此為避免這種情況的發(fā)生，在光纖拉制工藝中采用增大光纖本征雙折射蘆=(多，一多，)，使得外場對光纖雙折射的影響相對減小。當(dāng)入射線偏振光在雙折射光纖的主軸上傳輸時，偏振狀態(tài)就可一直保持著，而如以任意方向入射時，兩線本征偏振態(tài)將以固定的傳播常數(shù)差盧傳輸，其合成光偏振狀態(tài)沿光纖長度方向呈周期性變化，周期L。稱光纖拍長，拍長L。與光纖雙折射有以下關(guān)系：L s=2玎A (2，35)光纖雙折射愈強，拍長就越短。如光纖拍長小于一般的外場干擾周期，則這種光纖就能提供單偏振傳輸?shù)臈l件?？梢?，拍長概念能較好地描寫光偏振傳輸時狀態(tài)變化，而消光比則對傳輸后的偏振狀態(tài)有一較好的描述。短拍長光纖陀螺系統(tǒng)保證單偏振光穩(wěn)定的傳輸，從而獲得穩(wěn)定的干涉信號輸出。因此拍長測試是保偏振光纖測試重要組成部分。3偏振度偏振度是理論上的概念，是表明光干涉分辨率的量度。實驗中，當(dāng)一線偏振光注入光纖系統(tǒng)后，出端的偏振態(tài)用偏振度來評判是種較為方便的表示，t(Imb f)(m f) (236)m，分別是光纖出射光經(jīng)檢偏后的最大和最小光強。實驗中一種新的拍長測量方法就是基于測量偏振度參量進行的。實際上，當(dāng)=0時，出射光為圓偏光；=1時，為線偏光；其它情況為橢圓光或部分偏振光嘲。在保偏光纖的測量時，入射線偏振光以任意角度p2注入到光纖的主軸時，輸出光的偏振態(tài)是一種復(fù)雜的形態(tài)，其偏振度為：。(口一 0 0y“ (237)實際上，經(jīng)精確光軸對準(zhǔn)，線偏光將以45。角注入到光纖主軸，上式則簡化為：-I 蘆Z I (238)此式代表了在保偏光纖中的偏振態(tài)隨光纖長度變化的一種簡化模式。23保偏光纖的分類及測量方法231保偏光纖的分類保偏光纖根據(jù)雙折射可以分為高雙折射和低雙折射兩種類型；也可以按照雙折射產(chǎn)生的原因分為應(yīng)力效應(yīng)雙折射和幾何形變效應(yīng)型雙折射。在實際的應(yīng)用中并沒有明確的區(qū)分出低雙折射(高雙折射(偏光纖。通常以普通單模光纖的雙折射B=101104作為區(qū)分高雙折射(是低雙折射(偏光纖的標(biāo)準(zhǔn)。1高雙折射保偏光纖在高雙折射光纖中，雙折射兩種類型的高雙折射光纖：雙偏振態(tài)光纖和單一偏振態(tài)光纖。單一偏振態(tài)保偏光纖利用本征模間不同的彎曲損耗差異可以實現(xiàn)，目前采用的型式有：領(lǐng)結(jié)型、扁平型和熊貓型光纖。單一偏振態(tài)保偏光纖具有特殊的傳輸串?dāng)_特性，當(dāng)其長度超過200米以后，傳輸串?dāng)_基本上為一常數(shù)：30偏振態(tài)高雙折射光纖由于模式間的隨機耦合，其串?dāng)_隨著長度而下降“”。目前產(chǎn)生高雙折射的最可取方法是強內(nèi)應(yīng)力法和幾何形變法。強內(nèi)應(yīng)力法即在光纖芯的芯施加強內(nèi)應(yīng)力，而產(chǎn)生折射率差B。因應(yīng)力區(qū)形狀不同，這類光紓分為橢圓套層式、熊貓式和頒結(jié)式三種。通過在光纖芯徑周圍設(shè)置應(yīng)力區(qū)，此類光纖展現(xiàn)出較好的性能參數(shù)：低損耗、低串?dāng)_。在熊貓型光纖中雙折射可以達到85X 10。5。從13的大小看，領(lǐng)結(jié)式結(jié)構(gòu)最佳，熊貓式結(jié)構(gòu)次之。熊貓保偏光纖在光纖包層通過摻雜特種石英玻璃(摻硼或摻鍺等)，在光纖芯徑周邊形成了高內(nèi)應(yīng)力區(qū)，使光纖內(nèi)部在不同的方向形成不同的折射率，達到了21高雙折射效果，以實現(xiàn)保偏特性。熊貓光纖的抗抵外界的隨機干擾和本征的隨機干擾最為有效。當(dāng)種干擾耦合系數(shù)也劇烈下降，趨近一個很小的穩(wěn)定值，同時反映了光纖保偏能力越強。幾何形變法即利用特種工藝改變光纖的芯徑和包層的形狀，使其在現(xiàn)折射率差，目前有矩形保偏光纖和橢圓形保偏光纖。在橢圓型保偏光纖中已可以達到84于較大的雙折射差和光纖芯徑的形狀誤差，此類型保偏光纖具有較高的光學(xué)損耗。扁矩形保偏光纖利用橢圓應(yīng)力包層產(chǎn)生雙折射，因而比一般高雙折射光纖更具有主鈾方向容易確定和抗外界干擾能力強的優(yōu)點。這種光纖是多層的，而且包層形狀為橢圓。橢圓應(yīng)力包層(內(nèi)包層)的存在使得內(nèi)外包層的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生了折射率分布的各向異性，這一各向異性在纖芯和內(nèi)包層中是一樣的。2低雙折射保偏光纖在低雙折射保偏光纖中，目前有三種類型：圓形芯徑光纖；基于幾何形變的旋轉(zhuǎn)型保偏光纖；基于應(yīng)力的扭曲型保偏光纖341折射可以達到4310-。232保偏光纖的參數(shù)測量由于在單模保偏光纖中，兩本征軸方向線偏振模的傳播速度不同，所以會產(chǎn)生差拍現(xiàn)象。習(xí)慣上用L，表示差拍的拍長，其物理意義是：拍長等于使兩正交偏振模的相位差達2時的光纖長度。根據(jù)=入為已知光的波長，只要測出拍長后，就可以求出B，這種測量方法稱為拍長法。拍長法是目前測量雙折射的最主要的方法。測量拍長的方法可以分為兩大類：第一類是通過觀測入射到光纖中的橫向或后向散射光實現(xiàn)的；第二類是通過測量傳輸光實現(xiàn)的。而后者是測量拍長的主要方法。這類方法幾乎都是通過在光纖外部加一個已知的擾動(分布的或集中的)來改變光纖的固有雙折射，通過測量輸出光的偏振態(tài)(擾動的變化，從而求出前主要方法有：散射法、轉(zhuǎn)法、壓力法、壓力調(diào)制法、光彈性調(diào)制法、電磁法、剪斷法啡1等。1散射法散射法是通過探測光纖中橫向和后向瑞利散射光進行光纖參數(shù)測量的方法。偏振橫向散射法測拍長是歷史上最早用來測量拍長的方法。測量時將一段待測光纖固定在裝有匹配液的槽中，用圓偏振光入射，等同激勵兩個正交偏振模根據(jù)偶極子沿振動方向輻射為零的原理，在與雙折射本征軸成45。角的方位上觀測，可找出一系列輻射為零的點，可直接測量出拍長L，“1。這種方法的優(yōu)點是直觀、方便，其缺點是只適用于可見光范圍，而且要求光源很強(10偏振光時域反射計(在光時域反射計的基礎(chǔ)上改進而成的。它可以直接顯示出偏振態(tài)沿光纖的展開，只要測出振蕩信號的周期，就可以求出扭轉(zhuǎn)法扭轉(zhuǎn)法在待測光纖上施加一個可控制的扭轉(zhuǎn)作為分布擾動(用方位角確定扭轉(zhuǎn)量)，當(dāng)線偏振