2.4.1 光纤中光波的偏振态

单模光纤 [15] 中的双折射大致可以分为3种 [16] ：当微小扰动仅使光纤的两个正交线偏振模不再简并时，称为线性双折射；当微小扰动使左右旋圆偏振模不再简并时，称为圆双折射；当微小扰动使两个线偏振模和左右旋圆偏振模都不再简并时，称为椭圆双折射，椭圆双折射可看作圆双折射和线性双折射的叠加 [17] 。

导致单模光纤中光波的偏振态不稳定的因素有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。

1 .内部因素

用内部双折射δ β n 表示由光纤本身的内部因素引起的单模光纤中光波的偏振态的不稳定。

内部因素主要包括：由光纤截面几何形状畸变引起的波导形状双折射δ β GE ，由光纤内部应力引起的应力双折射δ β SE 。因此，内部双折射δ β n 可以表示为

1）波导形状双折射δ β GE

在拉制光纤过程中，各种原因使纤芯由圆形变成椭圆形，这时就会产生波导形状双折射。设椭圆纤芯的长轴、短轴的长度分别为 a 、 b ，光纤中两个正交线偏振本征态分别沿长轴、短轴振动。这两个正交线偏振光的相位差可表示为

式中， ，为纤芯的椭圆度； Δ 为光纤的相对折射率差； V 为归一化频率。

若光纤工作在截止状态（ V ≈2.4），当( a / b −1)≪1时， f ( V )≈1，则有

对于单模光纤，若 Δ =0.003 ， a =2.5μm ， b / a =0.975，则可以得到δ β GE ≤66°/m 。

2）应力双折射δ β SE

光纤是由纤芯、包层等数层结构组成的，各层掺杂材料的不同导致热膨胀系数也不相同。因此，在光纤横截面上很小的热力不对称将会产生很大的应力不平衡，最终导致纤芯的各向异性，从而引起应力双折射。设两个正交方向间的应力差为 σ ，则有

式中， E 是材料的杨氏模量， ρ 为泊松比， p 12 、 p 11 为弹光系数。

2 .外部因素

外部因素也会影响单模光纤中光波的偏振态的稳定性。外部因素较多，外部双折射表达式各不相同。外部因素使光纤双折射特性变化的原因是其产生了新的各向异性。例如，光纤在成缆、施工过程中会受到弯曲、振动、受压、扭绞等机械力的作用。此外，光纤也可能工作在强电场或强磁场及温度经常变化的环境下。在磁场的作用下，光纤会产生法拉第效应；在外部机械力的作用下，光纤会产生光弹效应；在外加电场作用下，光纤会产生克尔效应。这些效应都会使光纤产生新的各向异性，进而产生外部双折射。

设光纤外直径为 A ，若其弯曲半径 R ≫ A ，则微小弯曲产生的应力差为

由式（2.56）可得由此产生的双折射为

1）外加电场

对光纤施加横向电场时，通过克尔效应引入的线性双折射为

式中， 为电场的振幅， K =2×10 −22 m 2 /A 是二氧化硅的归一化克尔效应常数。

2）外加磁场

对光纤沿纵轴施加磁场时，通过法拉第效应引入的圆双折射为

式中， H f 为磁场的振幅， V f =4.6×10 −6 rad/V 2 是二氧化硅的费尔德常数。

综上所述，光纤的截面形状，内部应力的不对称性，外力导致的弯曲、侧压扭转，外加电磁场的影响，都会使光纤材料产生双折射。

光路系统中的干涉信号极易受系统偏振特性的影响，在极端情况下甚至会导致系统无法实现定位功能。对于整个光路系统来说，非感应段光纤状态可以长期处在较稳定的状态。但是，对于感应段光纤，它的偏振特性必须在施工完成后才能确定，这增加了光路系统现场调试的难度。同时，由于感应段光纤通常处在相对不稳定的环境中，例如，环境温度变化改变光纤内部应力分布，人为外力作用改变光纤的位置，等等，都会影响感应段光纤的偏振特性，从而导致光路系统工作状态发生改变，增加了光路系统维护的难度。因此，为了提高光路系统的实用性，本书接下来对感应段光纤的偏振特性对光路系统的影响进行了分析研究。 IMvEJdA2j5gm2TPdKmlemiIp0TNGmETR3P1Hs5qriP2ygO1etOfso0bDFuxfym8t