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      光纖通信技術(shù)

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      偏振是什么?

      時(shí)間:2020-01-18   訪(fǎng)問(wèn)量:2996

      偏振是什么?

      What is Polarization?


      偏振是所有類(lèi)型矢量波的共同特性。在經(jīng)典物理學(xué)中,光被建模為正弦電磁波,其中振蕩的電場(chǎng)和振蕩的磁場(chǎng)通過(guò)空間傳播。由于磁場(chǎng)總是垂直于電場(chǎng),所以我們通常只畫(huà)出電場(chǎng)來(lái)表示光波的振蕩。偏振是由電場(chǎng)矢量作為時(shí)間的函數在橫切面上描繪出來(lái)的圖形來(lái)定義的。


      如果光的偏振面在光束傳播方向周?chē)S機波動(dòng),那么就稱(chēng)為自然光或非偏振光,因此,平均而言,光不偏向任何方向。例如,大多數自然產(chǎn)生的光(陽(yáng)光、火光)是無(wú)偏振的。在任何其他情況下,光束可以被認為是由部分偏振光或全偏振光組成。


      光束的偏振可以用它的電場(chǎng)矢量來(lái)表示。它的光功率是一個(gè)標量,與電場(chǎng)振幅的均方成正比。假設z是傳播的方向。然后,偏振向量在x-y平面上。將t時(shí)刻任意位置的x、y矢量分量迭加,偏振矢量可以表示為:

      偏振矢量公式.png

      其中,Ex和Ey是電場(chǎng)的x和y分量的振幅;式中ex, ey為x-y正交參考系的單位向量; ω為角頻率; δx和δy分別是電場(chǎng)在x和y方向上的相位。相位差為: δ = δx - δy 。


      圖1顯示了x-y平面上電場(chǎng)矢量隨時(shí)間的變化。

      偏振相位.png

      圖1 (a)相對相位差的兩個(gè)正交電場(chǎng)分量。(b)兩個(gè)正交分量之間沒(méi)有相位差。


      偏振光可按δ值分為三組: 線(xiàn)偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。線(xiàn)偏振光在x和y電場(chǎng)分量之間沒(méi)有相位差(δ=0)。圓偏振光具有固定的90度相位差,且兩個(gè)電場(chǎng)分量的振幅相同(即δ= 90°和Ex = Ey)。對于所有其他的δ值,Ex和Ey,偏振狀態(tài)是橢圓的。


      龐加萊球和斯托克斯向量(Poincaré Sphere and Stokes Vectors)

      用龐加萊球來(lái)描述傳播電磁波的偏振和偏振變化。它提供了一種方便的方法來(lái)表示偏振光,并預測任何給定的延遲器將如何改變偏振形式。任何給定的偏振狀態(tài)都對應于球面上的一個(gè)唯一點(diǎn)。球體的兩極代表左旋和右旋圓偏振光。赤道上的點(diǎn)表示線(xiàn)性極化。球面上的所有其他點(diǎn)代表橢圓偏振狀態(tài)。赤道上任意選的點(diǎn)H表示水平線(xiàn)偏振,與之完全相對的點(diǎn)V表示垂直線(xiàn)偏振。

      偏振態(tài)的龐加萊球表示.png

      圖2 偏振態(tài)的龐加萊球表示


      斯托克斯參數與龐加萊球的表示有一個(gè)簡(jiǎn)單的物理解釋。它們也有與強度測量相關(guān)的物理解釋。在給定的Oxyz參考系(Oz為光傳播方向)中,Stokes矢量可以表示為:

      Stokes矢量.png

      其中I0為光的總功率,Ix, Iy為x線(xiàn)偏振光強和y線(xiàn)偏振光強,I+45, I-45為45度線(xiàn)偏振光強和-45度線(xiàn)偏振光強,IL, IR為左右圓偏振光強。

      如果用S0對[S1 S2 S3]進(jìn)行規格化,我們將得到SOP [S1 S2 S3],即龐加萊球上一點(diǎn)的坐標。


      偏振度(DOP)定義為: 

                                         DOP = sqrt[S12 + S22 + S32, 值在0到1之間。


      當DOP=0時(shí),光是無(wú)偏振的,當DOP=1時(shí),光是完全偏振的。中間情況對應于部分偏振光。

      DOP也可以表示為:    DOP = Ipol / (Ipol + Iunp)

      其中Ipol、Iunp分別為偏振光強度和非偏振光強度。


      雙折射(Birefringence)是什么?

      在均勻或各向同性的介質(zhì)中,光以相同的速度傳播,而不受偏振狀態(tài)的影響。該速度,即ν,可以表示為: ν = c / n 。

      其中c為光在真空中的速度,n為介質(zhì)的折射率。


      如果光在各向異性介質(zhì)中傳播,偏振光在不同方向上的傳輸速度是不同的。人們可以用兩個(gè)特殊的正交軸稱(chēng)為主軸來(lái)表示介質(zhì)的傳輸特性。

      通常,這可以用不同的折射率來(lái)表示,如普通折射率(no)和特殊折射率(ne)。no和ne之間的區別稱(chēng)為雙折射。雙折射Birefringence也稱(chēng)為雙折射Double refraction。

      因此,折射率是測量光通過(guò)介質(zhì)的速度。如果介質(zhì)是雙折射的,入射到一個(gè)主軸上的平面偏振光在介質(zhì)中的傳播速度要快于入射到另一個(gè)主軸上的平面偏振光。因此,沿兩軸投射的光信號的兩個(gè)偏振分量在通過(guò)材料時(shí)將經(jīng)歷相對的相位差。


      如果一個(gè)光脈沖發(fā)射到由雙折射材料制成的光纖中,其偏振方向與光纖的任意一個(gè)主軸對齊,那么該脈沖就會(huì )通過(guò)光纖傳輸,并以與發(fā)射時(shí)相同的偏振狀態(tài)出現。然而,如果我們以隨機定向偏振的方式發(fā)射脈沖,那么一部分脈沖沿其中一個(gè)主軸發(fā)射,一部分脈沖沿另一個(gè)主軸發(fā)射。由于介質(zhì)的雙折射,脈沖的兩部分以不同的速度傳播。因此,由于這兩部分在不同的時(shí)間從光纖中退出,使得脈沖變寬,偏振狀態(tài)發(fā)生變化。


      PMD是什么?

      PMD代表偏振模色散。當光纖中不同偏振分量的光以略微不同的速度傳播時(shí),就會(huì )發(fā)生這種現象,如圖3所示。偏振模色散是由光纖的雙折射直接引起的。造成雙折射的主要原因是光纖束的不對稱(chēng),光纖芯呈略微橢圓形或偏圓,以及光纖受到的機械應力。這種不對稱(chēng)可能是制造過(guò)程中纖維固有的,也可能是部署纖維上的機械應力的結果。纖維的內在不對稱(chēng)隨著(zhù)時(shí)間的推移是相當恒定的,而由纖維的運動(dòng)或溫度變化引起的機械應力會(huì )發(fā)生變化,從而導致PMD的動(dòng)態(tài)變化。一階PMD稱(chēng)為微分群延遲(DGD)。

      PMD偏振模色散.png

      圖3 真實(shí)的光纖就像許多系列的不同方向和雙折射的延遲板。它等價(jià)于一個(gè)具有慢軸和快軸和有效雙折射的單延遲板。一個(gè)光脈沖的擴大是因為兩個(gè)偏振分量以不同的速度傳播。


      由于PMD的動(dòng)態(tài)特性,對于給定的纖維截面,PMD沒(méi)有一個(gè)固定的值。相反,它是根據平均DGD來(lái)描述的,并且一根纖維具有DGD值隨時(shí)間的分布。DGD在任何特定時(shí)間具有一定值的概率遵循如圖4所示的麥克斯韋分布。作為近似,最大瞬時(shí)DGD約為光纖平均DGD的3.2倍。

      DGD分布.png

      圖4 DGDs的麥克斯韋分布。


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