RP 系列激光分析设计软件 | 无源光纤（第九部分）

本教程包含以下部分：
① 玻璃光纤中的导光
② 光纤模式
③ 单模光纤
④ 多模光纤
⑤ 光纤末端
⑥ 光纤接头
⑦ 传播损耗
⑧ 光纤耦合器和分路器
⑨ 偏振问题
⑩ 光纤的色散
⑪ 光纤的非线性
⑫ 光纤中的超短脉冲和信号
⑬ 附件和工具
这是 Paschotta 博士的无源光纤教程的第 9 部分

第九部分：偏振问题

标称对称光纤中的双折射

原则上，具有完全旋转对称设计的光纤应该没有双折射。因此，它应该完全保持光的偏振。然而，实际上，一定量的双折射总是由光纤的缺陷（例如，光纤纤芯的轻微椭圆度）或弯曲引起的。因此，光的偏振态在相对较短的光纤长度内发生变化——有时仅在几米之内，有时则快得多。
请注意，光纤中偏振方向之间的折射率差异不一定比其他设备中的大。然而，纤维往往很长，因此即使是微弱的指数差异也会产生重大影响。
另一个重要方面是，由此产生的偏振变化不仅是随机的和不可预测的，而且还强烈依赖于波长、光纤沿其整个长度的温度以及光纤的任何弯曲。因此，调整偏振状态通常没有太大帮助，例如使用光纤偏振控制器（见下文）；环境参数或波长的一些细微变化可能会再次破坏偏振。

光纤偏振控制器

光纤的强烈弯曲会引入双折射。这意味着以一定半径弯曲并固定在线圈上的某些适当长度的光纤可以具有 π 或 π / 2 的相对相位延迟，例如，在两个偏振方向之间。因此，它可以像 λ / 2波片（半波片）或 λ/4 波片（四分之一波片）一样工作。如果围绕与输入和输出光纤重合的轴旋转整个线圈，则会获得与在自由空间激光束中旋转体波片类似的效果。人们经常使用一个有效的四分之一波片线圈与一个半波片线圈和另一个串联的四分之一波片线圈的组合来将一些输入偏振态转换成任何想要的偏振态。这样一个光纤偏振控制器（图 1）可以在相当大的波长范围内工作。

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图 1： “蝙蝠耳朵”偏振控制器，包含三个可围绕输入光纤轴旋转的光纤线圈。

如前所述，问题可能仍然存在，即输入偏振态会随着环境条件的变化而漂移，因此必须经常重新调整光纤偏振控制器以保持恒定的输出偏振态。

偏保光纤

光纤可以制成保偏光纤（保偏光纤）——但不能避免任何双折射！相反，人们有意引入显着的双折射。这样的纤维因此是高双折射纤维（ HIBI 纤维）。
基本上有两种常见的方法可以做到这一点：

可以用椭圆芯制成光纤。这会导致某种程度的形状双折射。当然，光纤模式也会受到椭圆形状的影响，并且与圆形纤芯光纤的光耦合效率有所降低。
可以施加一些机械应力，例如通过引入由不同玻璃制成的应力棒。有关一些典型实现，请参见图 2。

[attachment=114331]图 2：保偏 PANDA 光纤（左）和蝴蝶结光纤（右）。由不同类型的玻璃制成的内置应力元件以深灰色调显示。

注意：保偏光纤不会保留注入光的任何偏振状态！它只对线性偏振光这样做，其中偏振方向必须是两个正交方向之一，例如沿着应力棒之间的线或垂直于它。某些波长的β值将显着取决于该偏振方向。
如果我们注入具有其他线性偏振方向的单色会发生什么？这可以被认为是两个基本极化状态的叠加。在短时间的传播之后，这些组件将获得明显不同的相位延迟（由于它们的不同β值）。因此，它们将不再结合到原始的线性偏振状态，而是一般地结合到一些椭圆状态。然而，在极化拍长的整数倍之后，再次获得线性极化。
对于非单色光，情况变得更加复杂。在一定长度的光纤上，不同的波长分量将经历不同的偏振相关相移，因此产生的偏振态变得与波长相关。将其转换回线性状态将是一项艰巨的任务——一个简单的偏振控制器无法做到这一点。
需要将输入偏振态与光纤轴对齐以保持偏振状态，这当然是保偏光纤的一个严重的实际缺点。制造 PM 光纤装置需要更多的工作，为此需要额外的设备。此外，并非所有光纤组件都可用作 PM 版本。另一方面，通过 PM 设置可以安全地避免漂移极化状态的不利影响，否则可能需要采取其他措施。
请注意，引入的双折射基本上消除了一些小的附加随机双折射的任何影响，例如，适度弯曲可能会导致这种影响。这种随机影响可能只会非常轻微地改变局部极化，但通常不会对较长的长度产生任何显着影响。人们可以通过考虑模式耦合来理解这一点：显着的模式耦合需要一个周期等于两个偏振态的拍周期的扰动。对于强双折射，该拍（偏振拍长）周期相当短（例如，几毫米），并且通常的扰动在空间上太“慢”而不会引起任何显着的耦合，或者至少根据偏振拍不具有很强的空间傅立叶分量。

极化不敏感设计

消除极化问题的另一种方法是设计设备，使极化无关紧要。例如，这种方法通常用于光纤通信。只需注意不使用可能导致大量偏振相关损耗或依赖于特定偏振状态的组件。例如，通常不能使用电光调制器，并且需要仔细设计任何具有低偏振依赖性的半导体器件。一些偏振效应仍然存在，这可能会限制极快光纤链路的性能。特别是存在偏振模色散 (PMD) 现象，可以量化为差分群延迟 (DGD)：具有不同偏振的信号分量通过光缆所需的时间可能略有不同，这可能会降低信号质量。然而，对于较短的传输距离和/或中等比特率，PMD 并不是一个大问题。

下一期将介绍第十部分：光纤的色散
敬请关注！

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