（物理电子学专业论文）保偏光纤特性参数的实验研究.pdf

摘要 保偏光纤( p m f ，p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r ) 由于对线偏 振光具有较强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通 信和光纤传感系统中得到了越来越广泛的应用。近年来人们在保偏光纤的理论设 计、制造工艺和参数测量等方面做了大量工作，取得重大进展。 本文首先通过对保偏光纤原理及种类的介绍，对保偏光纤的特性参数：消光 比、拍长、偏振度进行详细了的说明。用缜密的计算过程和数据描述了光在光纤 中的传输原理，并对保偏光纤的发展及其测量技术的进步做了详细的介绍。在实 验部分，根据保偏光纤的原理，以及保偏光纤内部模耦合的特征，搭建了基于点 耦合分析压力测量法测量保偏光纤特性参数中拍长的实验测试系统，完成整个测 试系统的光路设计、数据处理部分的工作。在整个工作中能够根据测量的原理， 实现了各个分系统的设计功能，并针对检测的要求将测试系统划分为偏振调整机 构和数据测量两部分。 关键词：保偏光纤特性参数拍长点耦合分析压力法 p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r ( p m f ) h a v eb e e nm o r ea n d m o r e w i d e s p r e a da p p l i e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e m b e c a u s et h es t r o n ga b i l i t yo np o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gt ot h el i n e a r l yp o l a r i z e dl i g h t a n dt h eg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t ht h eo r d i n a r ys i n g l em o d ep o t i c a lf i b e r p e o p l eh a v e d o n em u c hw o r k sa n dm a d es i g n i f i c a n td e v e l o p m e n to nt h et h e o r e t i c a ld e s i g na n dt h e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep a r a m e t e rs u r v e yo fp m e t h e r ei sad e t a i l e dn o t ei n t h i sa r t i c l ea b o u tp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ：t h ee x t i n c t i o nr a t i o ，t h eb e a t l e n g t ha n dt h ed e g r e eo f p o l a r i z a t i o nt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o n o ft h ep r i n c i p l ea n dt h et y p eo fp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e r t h et r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo fl i g h ti no p t i c a lf i b e rw a sd e s c r i b e d c a r e f u l l yb yt h ec a l c u l a t i o n sa n dd a t ai nt h i sa r t i c l e t h e r ei sad e t a i l e dd e s c r i p t i o n a b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r o g r e s so fp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e ra n d t h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo ni t is t r u c t u r e da ne x p e r i m e n t a lt e s ts y s t e ma c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fi n t e m a l m o d ec o u p l i n go fi tf o rm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r ：b e a t l e n g t hb a s e do nt h ep r e s s m e a s u r i n gm e t h o dw i t hp o i n tc o u # n ga n a l y s i si nt h ee x p e r i m e n t ih a v ec o m p l e t e d t h eo p t i c a ld e s i g na n dt h ed a t ap r o c e s s i n go ft h ew h o l et e s ts y s t e m ic o u l da c h i e v e d t h ed e s i g nf e a t u r eo fe v e r yj u n i o rs y s t e mi nt h ew h o l ew o r k i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n t t h et e s ts y s t e mw a sd i v i d e di n t ot w op a r t so ft h e p o l a r i z a t i o na d j u s t m e n ta n d t h ed a t et e s ta c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft e s ti nt h ea r t i c l e k e yw o r d s ： b e a t l e n g t h p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r p r e s sm e a s u r i n gm e t h o dw i t hp o i n tc o u p l i n ga n a l y s i s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文保偏光纤特性参数的实验研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王迎辨鱼月盈 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 作者签名：幺兰堕羔年三月篮 指导导师签名：诲捻谁盟年上月日 第一章绪；论 1 1 光纤结构及类型 1 1 1 光纤的结构 光纤( o p t i c a lf i b e r ) 是由纯石英经复杂的工艺拉制而成的一种高度透明的玻璃 丝。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图1 1 所示。从横截面看，自内向外为纤芯、 包层和涂覆层。纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率 略低于纤芯，它为光的传输提供反射面光隔离；涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次 涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光线的柔韧性，起延长 光纤寿命的作用。 图1 1 光纤的结构示意图 1 1 2 光纤类型 光纤种类很多，且可用不同的方法分类，其常用的类型分类有：根据折射率在横 截面上的分布形状分为阶跃型和渐变( 梯度) 型两种；根据光纤中传输模式的多少分 为单模光纤和多模光纤两种；按制造光纤的材料则石英系列、塑料包层石英纤芯、多 成分玻璃纤维、全塑光纤等四种，光纤通信中主要用石英光纤。 阶跃型光纤是指纤芯和包层的折射率n ；和n z 沿半径方向保持定值，而在纤芯和包 层的交接处呈现阶梯型变化的光纤，折射率的分布如图1 2 ( a ) 所示“。如果纤芯的 折射率随着半径的增大而逐渐减小，而包层中的折射率为均匀的，这种光纤称为渐变 ( 梯度) 型光纤，折射率的分布如图1 2 ( b ) 所示。 所谓模式，即电磁场的一种场型结构分布形式。电磁场有许多模式，模式不同， 其场型结构不同。 单模光纤只能传输一个模式，即光纤的基模( h e ；模) 。单模光纤的直径较小，约 为4 l o pm ，纤芯的折射率的分布为均匀的，故单模光纤多为阶跃光纤。多模光纤在 一定的工作波长下，可以传输多种模式。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以 采用渐变折射率分布。因此对于石英光纤则主要有多模光纤折射率光纤、多模渐变折 射率光纤和单模阶跃折射率光纤三类。根据应用的需要，在常规单模光纤的基础上， 又设计出许多特种单模光纤。 图1 2 光纤折射率的横截面分布 1 1 3 光纤标准及编号 制定光纤标准的国际组织主要有国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 和国际电信联盟一电信标准化机构( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o ri t u t ) 。 按照i e c 6 0 7 9 3 1 1 ( 1 9 9 5 ) 光纤第1 部分总规范光纤的分类法，光纤被分为a 和b 两大类，a 类为多模光纤，b 类为单模光纤。光纤的分类、名称、i e c 和i t u t 命 名对应关系如表卜l 所示： 表1 - 1光纤分类及编号 2 1 2 单模光纤 在给定的工作波长上，只能传输单一基模的光纤称为单模光纤。由于单模光纤中 不存在模式色散，因此，它有相当宽的传输频带( 一般在几十吉赫兹以上) ，有利于高 码速、长距离、大容量的信息传输。因此，单模光纤在通信系统得到迅速发展。单模 光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通 信传输媒介，得到极其广泛的应用，随着信息社会的到来，人们研究出了光纤放大器、 时分复用、波分复用和频分复用技术，从而使单模光纤的传输距离、通信容量和传输 速度进一步提高。发展单模光纤的重要意义还在于它在通信以外的广阔领域也有重要 应用。单模光纤的基模的相位，对各种外界的微扰( 如磁场、转动、振动、加速度、 温度等) 极其敏感，而相位的变化可以引起电磁场极化的旋转，利用这一特性，可以 制作高灵敏的光纤传感器。 l2 1 单模光纤的单模传输条件 1 主模与第一高次模 由表卜2 乜1 可以看出，l p 。模的归一化截止频率最低，即v 。= 0 。所以l p 。，模是单模 光纤的主模，它没有截止现象，在任何频率时都可以传输。除l p o ，模外，次低的归一 化截止频率是2 4 0 4 8 3 ，它所对应的模式是l p 。模，称l p 。，模为第一高次模。 表1 - 2 几种低次l k 模的v 值范围 2 单模传输条件 从前面的分析可知，光纤的导波形成的条件是v v c ，截止条件是v v c 。而光纤 的单模工作条件决定于第一高次模的截止特性，只要第一高次模截止时，则其它所有 高次模均处于截止状态，而光纤中只传输主模l p 0 。模。由此可得出单模光纤的单模传 输条件为： y ；孥厢2 4 0 4 8 3 ( 1 1 ) 1 2 2 单模光纤的特征参数 光纤的实用参数很多，这里仅介绍单模光纤常用的特性参数：衰减系数、截止波长 和模场直径。 1 衰减系数a 光信号沿光纤传输时，光功率的损耗叫做光纤衰减。它是光纤通信系统设计对需要 考虑的一个重要因素，它决定线路上中继距离长短。 衰减量的大小通常用单位长度( 通常是l k m ) 的衰减，即衰减系数1 ：1 表示“1 ，其定 义为： a 一半l g 簧( 凹砌) ( 1 2 ) 式中i 光纤长度，k m p ，箱入光纤的光功率； p 0 光纤输出的光功率。 2 截止波长x 。 截止波长是单模光纤所特有的参量，也是单模光纤最基本的参数，通常可以用它 来判断光纤中是否是单模工作方式。 由光纤传输理论可知，要保持单模传输，就要使光纤的归一化频率v 足够小，当v 到高次l p 。的截止频率2 4 0 4 8 3 时，高次模l p 。，正好截止，光纤中只传导基模。此时， 对于给定的光纤( n ，、d _ 2 和n 确定) ，由式1 所对应的波长九。又称为临界波长“1 。光纤 中第一高次模的截止波长为： a ，。_ ：2 x 4 2 = 6 5 a n i ( 1 3 ) 。1 丽 u 。7 只有当工作波长大于次截止波长时，才能保证单模工作。 ( 1 ) 模场直径d 基模( l p o 。或h e 。，) 场强( 即电厂强度) 在光纤横截面内有以特定分布，其分布与 光纤结构有关，光功率被约束在光纤横截面一定范围内。而模场直径就是衡量这个范 围的物理量，他是单模光纤的重要参数。 对于阶跃型单模光纤，基模( h e ，。) 场强在光纤横截面的分布近似为高斯分布，如 图1 3 所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值的1 e 处所对应的宽度，定义为模场直 径，用d 表示。i t u - t 规定，在1 3 1u m 波长上，模场直径的标称值应当在9 1 0 | ln l 范围内，容差为lp m 。 j1 ( 。3 l 图1 3 基模场强分布曲线 4 1 2 3 单模光纤的双折射特性 1 双折射现象 在单模光纤中，由于横向电场的极化方向的不同而基模存在着沿x 方向极化和沿y 方向极化两个偏振模式，即h e l 。，( e ，= o ) 和h e ，。( e 产0 ) 。在理想的轴对称的光纤中，这两 个偏振模具有相同的传输常数( b ，= 9 ，) ，两个偏振模完全简并。但是，实际光纤难免 有形状、折射率、应力等分布不均匀，将使两种模式的b 有所不同( 1 3 ，b ，) ，形成 相位差ab ，简并受到破坏，这种现象叫做双折射现象。 2 偏振态类型 偏振即极化的意思，系指电场或磁场的空间方位随时间的变化。一般人们把电场 的空间方位作为波的极化方向。这种电磁波的极化问题，在研究光传播时，通常用偏 振来描述，即光矢量的空间方位称光的偏振。一般分为三种偏振态“1 。 ( 1 ) 线偏振光：光矢量的端点描绘出的图形是一条直线，称为线偏振光。 ( 2 ) 圆偏振光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差9 0 。，则合成场 矢量将随时间t 的变化而围绕着传播方向旋转，即光矢量的大小不变，而方向绕传播 方向旋转。矢量的端点的轨迹为一个圆，故称为圆偏振光。 ( 3 ) 椭圆偏振光：如果电场的两个分量，空间方位互相垂直，而偏振和相位都不等， 随着时间t 的变化，合成场矢量的端点的轨迹时一个椭圆，故称为椭圆偏振光。 3 单模光纤中的双折射及影响 ( 1 ) 双折射分类。对应光的偏振状态，双折射也有三种，即线双折射、圆双折射和 椭圆双折射。 1 ) 线双折射：两个正交的线偏振光，如果在其方向上有不同的折射率，则将使其 有不同的相位常数，即产生双折射，此称为线双折射。 2 ) 圆双折射：两个旋转方向相反的圆偏振光，如果在其旋转方向上有不同的折射 率，则将使其有不同的相位常数，这种双折射称为圆双折射。 3 ) 椭圆双折射：在传输媒质中，如果同时存在线双折射和圆双折射，即为椭圆双 折射。 ( 2 ) 双折射对偏振状态的影响。 1 ) 偏振演化及拍长。在单模光纤中，如果b ，b ，则将使h 殴和h 雕。的传播速度 不等，形成相位差ab = b ，一b ，称为偏振双折射率“，双折射程度用归一化双折射率 b 表示，即： 8 ：堂；竺 ( 1 4 ) 卢 2 x 只有当线偏振光一直沿一个主轴偏振时，才能保持线偏振，否则其偏振状态将沿 光纤长度方向周期演变，即周期性地由线偏振一椭圈偏振一圆偏振一椭圆偏振一线偏 振这样演化。偏振态变化一个周期的长度l b 称为拍长，换句话说，两个正交的偏振模， 当相位变化之差为2n 时，所经讨长度为一个拍长，根据拍长定义可得： 三。；罢；罢 ( 1 5 ) “。万。面 u ” 2 ) 偏振保持光纤。光纤中若存在双折射，将要产生偏振色散，因而限制系统的传 输容量。一般单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。常规单模光纤的0 值虽然不大( 典型的b - - 1 0 1 ) ，但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难，而通常采 用光纤的特殊设计，即人为地引入强双折射，把1 3 值增加到( 典型值b = 1 0 。) 足以使偏 振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模 单偏振保持光纤。 1 3 保偏光纤的发展 保偏光纤( p m f ，p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r ) 由于对线偏振光具有 较强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感 系统中得到了越来越广泛应用m 。国外2 0 世纪8 0 年代就掀起了p m f 研究及应用的高 潮，国内虽然在8 0 年代也开始从事p m f 的研究，但是由于技术落后，至今保偏产品质 量仍然不能满足应用的要求，尤其是不能够满足中高精度光纤陀螺对p m f 高性能的要 求。国际上保偏光纤的生产和应用已经相当成熟，但西方国家对我国一直限制出口。 我国有关单位从事保偏光纤的研究也有十多年历史，但由于西方国家技术上的封锁及 国内相关单位的设备工艺水平限制，仅能生产小批量产品，且其主要性能指标与西方 国家同类产品相比仍有较大差距，成为我国光纤陀螺等相关产业发展的一个重要瓶颈。 国内p m f 存在的模双折射低、轴向均匀性差、偏振温度稳定性差和光纤强度差等问题， 一直是我国光纤传感器技术及惯导技术发展的障碍。 自2 0 世纪7 0 年代以来各国都在竞相研究和开发高性能的p m f 。到现在为止，熊 猫型p m f 以其制造工艺相对简单、偏振保持特性优良、损耗较低等优点得到了广泛的 开发和应用。 目前，国外已经研究出一系列的高性能p , t f ，实用窗口 6 3 0 ，8 5 0 ，9 8 0 ，1 3 0 0 ，1 4 0 0 - 1 4 9 0 ，1 5 0 0 h m 到1 6 0 0 r m l ，偏振串音高达4 5 d b l o o m ( 1 3 0 0 和 1 5 5 0 n m ) 。 1 3 1 温度适应性的p 肝 p m f 经常会应用在各种不同的环境中，周围环境的变化会对p m f 的性能产生影响， 如用于航空航天领域的光纤陀螺，要求p m f 的偏振性能能够经受温度的考验。低温下 光纤中产生压应力会导致光纤徽弯和模式偶合，使光纤的偏振性能恶化。因此，p m f 的温度偏振稳定性成为p m f 研究的重要课题。通过选择耐环境温度变化的光纤涂层材 料，优化光纤内涂层和外涂层的厚度比。以及调整光纤涂层厚度等措施可以提高p m f 温度偏振稳定性“。有研究表明，采用紫外光固化的聚酞亚胺缓冲涂层，可以承受 一6 0 一1 0 0 c 的变化，偏振串音变化小于0 5 d b l o o m 。国外已经研究出高温度稳定性的 6 p m f ，能够在一4 0 一8 5 环境下承受2 0 0 次循环试验，1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 偏振串音仍然小于 一4 0 d b 1 0 0m 。采用有机硅树脂作徐层材料制成的p m f ，可以应用于- 4 0 - 3 0 0 工作环境 中。 1 3 2 组阵物玻璃光纤 氟化物玻璃光纤是当前研究最多的超低损耗中红外及远红外光纤，它是以h f f 。 一b a f ：两系统为基体材料的多组分玻璃光纤，其最低损耗在2 5um 附近为1x 1 0 d b k m ，无中继距离可达到1 1 0 5 k m 以上。b e s s yj o h n 等研制出氟化物p m f ，用于 红外光纤传感器，工作波长为2 5um ，模双折射为4 3 1 0 1 。氟化物p m f 的研制成功， 将促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展。 1 3 3 掺稀土p m f 掺稀土光纤在光纤放大器中应用广泛，爱德华本特研制的高增益高双折射光 纤，芯层中e r ”掺杂浓度为1 3 1 0 “个m 3 ，获得了3 6d b 的增益，模双折射为1 3 1 0 一，偏振串音为一3 7d b 1 0 0m k t m c s 采用周期性极化铌酸锂( p p l n ) 材料、并掺杂 p r ”制造的p m f ，可用于二次谐波发生器。 1 3 3 光子晶体p m f 新型材料技术和量子技术的不断发展加速了新型p m f 的研究与发展，目前，国外 已经开始了光子晶体p m f 的研究与发展，利用氧化硅一空气之间的折射率反差大，容 易获得高双折射，研制出了保偏光子晶体光纤( p c f ) 。 随着光纤技术的飞速发展，光纤应用的领域不断扩大。特别是9 0 年代以后，p m f 偏振器技术研究取得了重大突破，为相关的光纤传感器的实用化提供了技术保障，随 着电子信息技术的进步，光纤偏振器、光纤偏振偶合器、波分复用器、调制器和水听 器等相干检侧器对p m f 的需求量越来越大。据调查报告表明，国内光纤传感器在整个 传感器市场中的占有率仅为2 ，以蹦f 为主体的干涉型光纤传感器对p m f 的需求将会 迅速增大，尤其是光纤陀螺( f o g ) 领域对p m f 的需求量较大。f o g 由于具有体积小、重 量轻、无机械运动部件、启动快、动态误差小、可靠性高和寿命长等优点。因此具有 取代现有机械陀螺产品而大量使用的趋势。特别是3 大战略武器：洲际导弹、远程轰炸 机和核潜艇的制导，飞机和汽车的定位导航。机器的传感控制所需求的f o g 对高质量 p m f 的需求量较大英国f i b e r c o r e 公司具有航空、国防、基础研究及传感器领域的特 种光纤研发的大量经验，开发出的特种光纤以其强劲实力占据p m f 高端市场一陀螺级 p m f 市场；美国2 0 0 0 年f o g 的销告额为3 5 7 亿美元，2 0 0 2 年就达到了5 0 亿美元抽1 。 中国对中高低档精度的f o g 年需求量为2 0 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 只，由于货源供应极为有限，以 及国外对我国保持封锁和禁运等手段，遏制了我国军用惯导技术的发展。由此可见， p m f 在今后几年内将有较大的市场需求。 随着世界新技术的飞速发展和新产品的不断开发，p m f 将沿以下几个方向发展： 1 ) 采用光子晶体光纤新技术制造新型的高性能p m f ； ( 2 ) 开发温度适应性p m f ，以适应航空航天等领域环境的要求； ( 3 ) 开发出各种掺稀土p m f ，满足光放大器等器件应用的需求； ( 4 ) 开发氟化物p m f ，促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展； ( 5 ) 低衰减p m f ：随着单模光纤技术的不断完善，损耗、材料色散和波导色散已经 不再是影响光纤通信的主要因素，单模光纤的偏振模色散( p m d ) 逐渐成为限制光纤通信 质量的最严重的瓶颈，在l o g b i t s 及以上的高速光纤通信系统中表现尤为突出。为了 解决p m d 带来传愉系统性能恶化的间题，一般都采取了对p m d 进行补偿的解决方案。 但是p m d 对温度等环境条件、以及光源波长的轻徽扰动都非常敏感，会随时间发生随 机变化。这些都给光纤通信系统的p m d 补偿带来困难。如果低衰减的p m f 能够研制成 功，将为高速传输系统中的p m d 问题的解决提供新的方案。 ( 6 ) 利用克尔效应和法拉第旋光效应制造偏振光器件。 1 4本文主要研究内容和意义 本文以压力法测量保偏光纤拍长l 。，因为它原理简单，设计合理，精度高，且对光 纤无破坏。基于光弹效应，当在光纤侧向作用一个压力时，将产生附加双折射，当改变压 力位置时，输出偏振态随着改变，由此可测得拍长。 保偏光纤不仅可以实现巨大容量的相干光通信，且可制成许多光纤传感器和光信 息处理器，因此良好有效的测量保偏光纤的特性参数非常具有意义。在采用压力法测 量时，要求输入线偏振光方向与被测光纤双折射轴一致( 对轴输入) ，即只激发一个偏振 模。当光纤拍长较长或工作在多模情况时，这种测量难以进行。采用点耦合分析方法， 测量时输入偏振光不要求对轴，而只要调整检偏器的方向，得到很好的结果。 第二章保偏光纤原理与特性参数 2 1 光纤的传输原理与特性 2 1 1 光纤传输的射线理论 几何光学分析法又称为射线理论方法，它是基于这样一种观点，在满足光波的波 长要远小于光线的横向尺寸的条件下，近似地认为光波的波长为零( a 一0 ) ，于是光 的衍射现象就可以忽略，光的发射角可近似认为零。这样就可以将光看成一条射线， 从而运用几何光学方法简单直观的对光波在光纤中传播、反射、折射等现象进行分析 和研究。 ， 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同 介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图2 1 所示： 匿2 1 光的反射与折射 根据光的反射定律，反射角等于入射角。 根据光的折射定律有：，l ls i n o , - 雄2s i n e 2 ， 其中，弹。为纤芯的折射率，靠：为包层的折射率。显然，若埠，蚪：，则会有0 ：，p ，。 r 如果n ，与弗：的比值增大到一定程度，则会使折射角e ：己9 0 * ，此时的折射光纤线不再 进入薄层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过( 六一9 0 。时) ，或者重返回到纤芯中进 行传播( 六三9 0 。时) 。这中现象叫做光的全反射现象，如图2 2 所示： 全反射现象是光纤传输的基础，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本 上全部在纤芯进行传播，没有跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的损耗k i l l 。 图2 2 光的全反射现象 1 光在阶跃光纤中的传播 按照折射率分布情况光纤可分为阶跃光纤和渐变光纤。 由于阶跃光纤的折射率的变化是阶跃的，因此纤芯和包层间有严格的边界。光在 阶跃光纤中的传播轨迹“2 如图2 3 所示： 骶 m 7 7 通常用入射光与光纤顶端的夹角0 ，来衡量光纤接收光的能力，于是就产生了数值 孔径( n a ) 的概念”1 。数值孔径定义为： 朋t s i n 8 , ( 2 1 ) 因为光在空气中的折射率栉。；1 ，于是由折射定律可得 s i n o , 一一s i n 0 3 。l t 1s i n ( 9 0 。一吼) ，为保证光在光纤中的全反射，应有见m 吼，0 。为全 反射临界角吼s i n n 2 ，于是有： s 扭帅一n ( 9 0 0 也h 。f 一2 一厢= 删 眨z ， 光纤通信技术并不是根据纤芯和包层的折射率本身来工作，两是依靠两者的差值， 将差值定义为： a n ；”1 一咒2 ( 2 3 ) 被称为相对折射率，其定义如下： 1 0 = b 1 一n 2 n ( 2 4 ) 其中，n 是平均折射率，n ；( n 。+ ，l ：) 2 。 由此可以推到出数值孔径的另一个公式“”： n a 。厢。瓶j 孤：习；网；( 纽h m ) 2 所以 n a 。厄厄( 2 5 ) n a 是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的 耦合效率“”。光纤的n i l 并非越大越好。n a 越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光 纤的模式色散也越厉害。因为n a 越大，则其相对折射率差也就越大，从而使光纤的 传输容量变小“。因此n a 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。i t u t 建议n a 取值范围为( o 1 8 0 2 4 ) o 0 2 ，我国一般取n a = 0 2 o 0 2 。数值孔径是一个 小于1 的无量纲的数。 2 光在渐变光纤中的传播 渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率逐 渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的“”。假设光纤是由许多同轴的均匀层组 成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，如图2 4 所示： 堙 n 5 t 主毒 幽 此： 二l 垃 图2 4 光在渐变光纤中传播的定性解释 即，l l n 1 1 2 ，珂1 3 ，1 2 。由折射定律知，若，l l 如，则有8 2 ，p 。这样光在每二 层的分界面皆会产生折射现象“”。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过 一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界 面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面向前传播，而 反射光则又逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本 上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由许多许多线段组成的正弦波。可表示 为： i i 托一s i n ( 等) 其中，a 为正弦曲线振幅，待定常数 口，为纤芯半径 ( 2 6 ) 为相对折射率差 面为初始相位，待定常数 于是，以不同角度入社的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似聚焦状，如 图2 5 所示”1 ： 彦庐式m 一乡。乡 图2 5 光在渐变光纤中的传播轨迹 2 i 2 光纤传输的波动理论 当光纤的尺寸与光的波长相当时，用几何光学分析法分析光纤中光的特性便受到 了限制，这时需要用波动理论分析法，波动理论分析法是基于电磁场理论，在麦克斯 韦方程的基础上，运用光纤纤芯与包层分界面的边界条件，导出光纤中光场的分布 形式，得到光在光纤中的传播特性。 本论文主要用到阶跃式光纤，下面主要介绍阶跃光纤的模式理论，对于圆柱形光 纤我们采用圆柱坐标系，如图2 6 所示： y 图2 6 圆柱坐标系 在圆柱坐标系中用纵向场e ：、h ：分量表示的横向场e ，、e ，、日，、h 。分量“” 弘一南( 哮+ 等等) c z ， 园 r 乞一南等等一掣警) 他s ， 即一南( 卢等一等等) 眩。， 卟一寿( 等一雠引 c z 式中七；n k 。，丽一甜1 ，；缸肛为自由空间的波数；n 2 一砖。；栉为介质的折射率“。 均匀波导中纵向场e ：、日：的亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 方程为： v 2 e ：+ e ：一0 ( 2 1 1 ) v 2 ：+ 膏2 h ：一0 ( 2 1 2 ) 在圆柱坐标系中只有 在圆柱坐标系中纵向场e ：、h ：的波动方程表示为： 磐+堕+丢等+等城20r ro rr 以：- 。汜m |a2a z 。 。 要o r + 三r 等+ 三r 等+ 等罐n 砭一。 ( 2 1 4 ) a r 2 a 2a z z 。 式中忍：j n l “。 p 2 7 a 阶跃折射率光纤中波动方程的解： 首先令 ， ：r ，妒，z = 。r ( r 知) z ( z ) ( 2 1 5 ) 日：r ，妒，z ) = 丑。月( ，( 妒) z ( z ) ( 2 1 6 ) z ) 表示导波沿光纤轴向的变化规律为行波，用表示其传播的相位常数，则 z ( z ) = e - 肚( 2 1 7 ) 妒( 妒) 表示沿9 ：h - r 句( 圆周方向) 的变化规律应是以扳为周期的函数，则 矿( 妒) 一e 加9 ，行一0 , 1 , 2 ， ( 2 1 8 ) 由式( 2 1 3 ) 至( 2 1 7 ) 可得： 掣七掣+ 卜产卦m 。 c z 咖2r 毋 i r 2 j 上式是在特定的边界条件下求解r ( r ) 的贝塞尔( b e s s e l ) 方程“1 ，通过此式可求出阶 跃光纤的模式情况。图2 7 为第一类b e s s e l 函数为，。和第二类b e s s e l 函数为匕的函 数曲线图： ( 1 ) 解的形式： 在纤芯中( rs 4 ) ，k t k 。；k o n 。，托；，l ，。对于传输导模，在纤芯中沿径向呈驻波 分布，应满足七知? 一p 2 ) 0 的条件，其解应取振荡形式： 月( ，) ： ，。嘛i 丽，) + 匕慵再万r ) ，s n ( 2 2 0 ) 式中，j mr ) 和y m ( ，) 分别为m 阶第一类和第二类b e s s e l 函数，其曲线如图2 - 7 所 示： 弋j o 热，八。k 、。 一：! y b 铁面 y m ( r ) 1 0 5 0 - 0 5 1 ( a ) 一彩沁：乃忒。 州：心k 7 ( b ) 图2 7 ( a ) 第一类b e s s e l 函数曲线( b ) 第二类b e s s e l 函数曲线 1 4 由图可知当，；0 时，匕( o ) 为无穷大，而在这一点实际的光场分量应为有限值，所以这 个解应该舍去。 在包层里( ， a ) ，k - k ：一k o n ：，埠一n ：。对于传输导模，在包层里场分量应迅 速衰减，因此，应满足芦2 一。2 ”；，0 的条件。其解的形式“”为： r ( ，) ：，。( j j 嘶r ) + k 。( j j 蕊r ) r ，n ( 2 2 1 ) 式中，j 。( r ) 和k 。( r ) 分别表示第一类和第二类虚宗量的b e s s e l 函数。其曲线如图 2 8 所示： i 。( f ) 3 0 2 0 1 0 o 尺c ，。仁善l ? j ： c z z z ， 若wt0 时，k 。( w r 丘) 呈指数增加趋势，表明场不能被约束在纤芯内，即出现辐射模， 纤芯内的场被截止，包层中的场则为振荡型，光能从径向辐射出去。w 一0 时为导波截 止的临界条件。 ( c ) 结合参量“和w ，来定义光纤的重要结构参量一光纤的归一化频率y ： 矿t 厨= k o a 厢t 等厢 馄z s ， v 是决定这光纤中的模式数量的重要参数仞1 ，与波导尺寸( 纤芯d ) 和真空中的波数 成正比。 由此可以得出到模的传输条件，为了得到纤芯里振荡、包层里迅速衰减的解的形 式，必须满足： 女；h ；一7 2 ，o 和芦2 一k ；n ；，0 ( 2 2 6 ) 因此，导模的传输常数的取值范围是： k o n 2 ( 卢 盯 r 墨口 ， 口 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 其中彳、b 为常系数，利用( 2 9 ) ( 2 1 2 ) 式表示的横向场方程式，可以求出e 。和 。分量为： 玎一口 m 一口 以 k 南赤 e ，- h 。= ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 利用光纤的边界条件确定光纤中导波的特性，在纤芯和包层的边界上，电磁场的 切向方向连续，即在纤芯和包层界面( ，一口) 上e ，和h ，也应该连续，于是可得到特 征方程为： 础+ 瑞憾端+ 瑞】 仫。：， 一2 陟+ 部壶+ 吉) 对于通信中所用到的弱波导光纤，玎，一n ：，上式可简化为： 、 【端+ 端卜肌( 砉+ 吉) 汜s s ， 上式即为弱导光纤的特征方程。式中“”表示方程有两组解，取“正号”时为一组 解，对应的模式为e 日模；取“负号”酐t ：k - 组解，对应的模式为h e 模。 2 2 保偏光纤的参数、原理及应用： 2 2 1 保偏光纤的原理 理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性，因而所传输的基模h e ：。，是两正交 模式的二重简并模态。在实际的光纤中，由于缺陷的存在，这种二重简并被破坏，从 而引起模态双折射。为了在标准单模光纤中维持模的偏振，就需要将双折射引入到光 1 7 纤中，使h e 。和h e 。两模式的有效折射率不同，两正交模的传播常数卢。与卢。差别增 大，两模式耦合几率减小。如果光在光纤一个光轴平行的方向上被线性偏振，那么光 将维持其偏振态在光纤中进行传输。如果在沿着光纤传输时，光在其它角度被线性偏 振，偏振态将发生变化，从线性到椭圆到线性，再到椭圆并再次返回到线性，具有通 常所说的差拍周期长度l d 。这种变化是模的正交分量间的相位差的结果，相差由它们 的传输常数之间的差别产生。差拍长度越短，光纤对偏振的不规则性效应就越具有弹 性，光纤对线性偏振光的偏振保持能力就越强。 保偏光纤中双折射产生原因： 从产生的机理来看，双折射主要分为3 类曲： ( 1 ) 形状双折射：电介质材料几何形状的各向异性。导致材料的介电常数( r ) 和 材料的导磁率( r ) 的各向异性，将引起材料折射率n ( r ) 的各向异性。 ( 2 ) 应力双折射：主要指来自材料内部的热应力和材料外部的机械应力，材料在受 到应力引起材料折射率的变化即弹光效应而产生双折射。 ( 3 ) 外界电磁场引起的双折射：横向电场在光纤中引起的克尔( k e r r ) 效应会产生线 双折射，纵向磁场在光纤中引起的法拉第效应会产生圆双折射。 2 2 2 保偏光纤的结构及其制造技术 p m f 的结构主要有：熊猫型、蝴蝶结结型、椭圆包层套层纤芯型、扁平包层型、 边槽型边隧道型、扭转型和旋光纤等。几何型波导结构的p m f 如边槽型、边隧道型以 及哑铃纤芯型等相继被淘汰。应力感应型p m f 得到了长足的发展，如熊猫型、蝴蝶结 型、椭圆纤芯及椭圆包层型和椭圆套层发展较快。 p m f 预制件制造技术有传统的管套棒法( r i t ) 、气相腐蚀法、钻孔插棒法、研磨法、 光刻腐蚀法、减压缩棒法、预制棒变形法等。管套棒法是将7 根预制棒集聚成一束插 入石英套管中。中心为芯棒，两边为一对对称的掺铝或硼的石英棒，其余4 根为对称 石英棒。然后拉丝制造成图2 9 所示的蝴蝶结型p m f 。 图2 9 熔缩形成蝴蝶结型 钻孔插棒法是在单模光纤预制棒包层的一条直径上加工一对对称的孔，并将孔的 内表面加工处理使其光洁度和清洁度达到要求。然后将一对应力棒插入对称孔中。加 热使其应力棒与单模棒熔接为一体，经过拉丝后即成为熊猫型p m f 。p m f 预制棒打孔技 术已经从机械钻孔加工发展到超声波钻孔。大大地提高了加工精度，p m f 质量得到了较 大的提高。 气相腐蚀法( 见图2 1 0 2 1 2 ) 都是采用改进化学气相沉积( m c v d ) 工艺技术。首 先沉积几层氟磷缓冲层，再沉积一定层数的掺杂硼硅酸盐玻璃( 如图2 1 0 ) ，然后沿着 石英管两侧局部加热，同时向管内通入含氟气体，使石英管被加热部分内壁的硼硅酸 盐层腐蚀( 如图2 1 1 ) ；然后再沉积包层，最后沉积掺锗的芯层( 如图2 1 2 ) ，经过熔缩 成棒后形成如图2 9 所示横截面的高双折射光纤预制棒。经过拉丝，形成蝴蝶结型p m f 。 沉积掺杂三氧化二氟玻璃气相腐蚀沉积芯层 图2 1 0图2 1 1图2 1 2 预制捧粉末外包技术为p m f 的制造提供了新的技术途径，目前采用气相轴向沉积 ( v a d ) 工艺，利用双喷灯沿着应力棒两侧对称地外包上石英包层，然后经过脱水烧结， 制造出透明的p m f 预制棒。该工艺技术的采用不仅省去了繁琐的机械加工工艺，而且 可以设计和制造不同结构的保偏预制棒，p m f 的性能可以进行自由优化。同时，外喷技 术避免了机械加工造成的杂质污染和预制棒表面损伤提高了光纤强度；粉末( s o o t ) 预 制捧经过脱水烧结后，降低了光纤的衰减，采用该技术可以制造出强度好、衰减小的 高质量的p m f 。 2 2 3 保偏光纤的特性参数 1 消光比 首先，对于任何一个传输偏振光的光纤系统，消光比是一个必要的参数。消光比 是度量偏振相关器件( 如保偏光纤、保偏光纤祸合器、偏振器) 保持偏振态稳定性能的 指标。当一束线偏振光精确地沿保偏器件某一光轴入射时。在正交轴方向上会激发起 偏振模，两个正交轴上的功率比值就是消光比。消光比的测试方法如下：沿被测器件 输入端的慢轴( 或主轴) 注入线偏振光，测量输出端正交方向的输出功率p ，( 慢轴) ，p 2 ( 快 轴) 。可得器件的消光比指标： 目。一1 0l o g 争( d b ) ( 2 3 4 ) 1 9 其基本形式n i o l g p p o ，p 和p 0 是光纤两个本征模( 本征偏振矢量) ，7 表明当前偏振 光的偏振方向按保偏光纤的h e