高数值孔径双芯光纤的双折射研究

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双折射原理

双折射原理

双折射原理
双折射原理是指当光线射入具有非正交晶轴的晶体时,将会发生折射现象。

在晶体内部,光线将会分裂为两束光线,传播方向不同,并且具有不同的折射率。

这种现象称为双折射。

双折射是由晶体的非均匀性引起的,晶体的非正交晶轴导致它的结构不均匀,从而导致光线以不同的速度在不同的方向上传播。

根据双折射原理,光线在进入晶体时会被分成两束光线,分别称为普通光和非普通光。

普通光是垂直于晶体轴的光线,它的传播速度和折射率与在无折射时相同。

非普通光是平行于晶体轴的光线,它的传播速度和折射率与普通光不同。

因此,当光线通过晶体时,它们的传播方向和速度会发生改变。

双折射原理在实际应用中有着广泛的应用。

例如,在光学仪器如显微镜和光学仪表中,双折射原理被用于制造偏光器件,如偏光片和偏光棱镜。

通过利用晶体的双折射性质,可以选择性地分离和控制光线的偏振状态。

此外,双折射原理在材料科学和工程领域也有很多应用。

例如,在材料的应力分析中,通过观察材料中光线的双折射现象,可以判断材料内部的应力分布情况。

双折射原理在光纤通信领域也有应用,例如制造偏光保护器和光纤光栅等。

总之,双折射原理是光学领域的重要原理之一,它描述了光线在晶体中发生双折射现象的规律。

这个原理的应用涉及到光学仪器、材料科学和工程等领域,对于理解和应用光学现象具有重要的意义。

高双折射率光子晶体光纤的研究进展

高双折射率光子晶体光纤的研究进展

高双折射率光子晶体光纤的研究进展作者:***来源:《现代信息科技》2020年第18期摘要:光子晶体光纤因其独特的导光特性和灵活的结构而优于传统光纤,高双折射特性使其用于保偏光纤、光纤陀螺等光纤器件。

通过阅读研究相关文献进行的理解和总结,在分析双折射特性基本原理的基础上,介绍了近年以提高光子晶体光纤双折射特性为主要目标的国内外研究进展,增加不对称性或转变不同方向的应力可有效获得高双折射特性。

随着人工超材料的不断发展,光子晶体光纤在光通信等领域有着极广的发展和应用前景。

关键词:光子晶体光纤;高双折射率;空气孔;偏振中图分类号:TN252 文献标识码:A 文章编号:2096-4706(2020)18-0061-03Abstract:Photonic crystal fiber is superior to conventional fiber due to its unique light conducting characteristics and flexible structure. High birefringence makes it suitable for polarization-preserving fiber,fiber optic gyro and other fiber devices. Based on the analysis of the basic principles of birefringence characteristics through the understanding and summary of reading research related literature,this paper introduces the research progress at home and abroad with the main goal of improving the birefringence characteristics of photonic crystal fibers in recent years,high birefringence can be obtained by increasing the asymmetry or changing the stress in different directions. The stress can effectively obtain high birefringence characteristics. With the continuous development of artificial metamaterials,photonic crystal fiber has a very wide range of applications and profound practical prospects in optical communication and other fields.Keywords:photonic crystal fiber;high birefringence properties;air hole;polarization0 引言英國Bath大学的Russell于1992年首次提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的概念[1]。

光纤的双折射效应

光纤的双折射效应

光纤的双折射效应光纤是一种光波导体,能够通过其中的光子进行信号传输。

在光纤的传输中,会遇到各种光学现象,其中之一就是双折射效应。

什么是双折射效应?双折射效应是指光线在通过某些材料时,会被分成两束并沿着不同的方向传播的现象。

这种现象是由于不同方向的电场矢量在材料中传播的速度不同而引起的。

这种材料被称为双折射材料,也叫做各向异性材料。

光纤的双折射效应是指当光线经过光纤时,由于光纤的结构存在一定的各向异性,所以光线的两束光仍然沿着不同的方向传播,并且传播速度也会发生变化。

光纤的结构及特点光纤主要由两部分组成:芯和包层。

芯是光传输的核心区域,由高折射率的材料制成。

包层则是与外界隔绝的环绕芯的材料,具有较低的折射率。

由于这种结构的存在,光线在传播过程中,很容易被反射和散射,而且会受到材料的影响而产生变化。

双折射现象及其原因当一束光线沿着光纤芯的轴心传播时,其速度是相对固定的。

但是,当它遇到包层材料时,部分光子会被反射,部分伸长,不断发生屈曲等现象。

此外,由于包层材料导致的各向异性,传播速度也会发生变化,从而形成双折射现象。

双折射现象发生的原因主要是由于芯和包层之间的差异导致了不同的折射率。

当光线传播到不同的区域时,芯和包层之间的折射率差异将产生一个特殊的模式,就像人类的语言或事件,会随着地方、时间、文化背景等的不同而变化一样。

由于材料的特殊性质,各种复杂的光学现象都会发生。

光纤的双折射效应被广泛应用于现代通信和传输领域。

在这些应用中,双折射效应通常被用于测量或控制光传输的方向和速度。

例如,当我们调节光纤的长度和角度时,就可以相应地调节光的传输速度和方向。

此外,光纤双折射效应还可以用于创建光学元件,如波片,极板等。

这些元件可以轻松地控制和调节光线的透射性能,从而实现各种应用场景。

比如,极板可以将原本沿同一方向传播的两束光分离出来,这种分离可用于分析光线中的极化状态。

总之,光纤的双折射效应使我们可以控制和调节光线的传输速度和方向,从而实现各种现代通信和传输应用的技术支持。

光纤的基本特性及测试(全)

光纤的基本特性及测试(全)
第七章 光纤的基本特性及测试
内容提要
前言
7.1光纤的传输损耗 7.2光纤的损耗的测量 7.3光纤的色散和脉冲展宽 7.4光纤脉冲展宽的测量 7.5光纤的偏振和双折射 7.6光纤的拍长和偏振模色散测量
前言
光纤的基本特性
光纤几何参数: 1.纤芯、包层直径、不园度、偏芯率 2.数值孔径 3.折射率分布
§7.3
光纤的色散和脉冲展宽
损耗和色散是光通信传输介质的两个重要的特性参量。要实 现长距离光通信,光纤必须同时具有低的损耗和小的色散。 因为色散限制了经过光纤传输的光信号的调制光谱宽度,所 以,可以利用术语“光纤带宽”(或称带宽)来表述光纤的色 散性质。 在光纤中,色散有如下几种: (1)材料色散( n )。这就是材料本身的折射率随频率而变, 于是,不同频率的光波传输的群速度不同,由于这个原因所产生 的色散叫做材料色散。这种色散在单模中占主要地位。 (2)多模色散( m )。它是由于传输的各模之间的群速度 不同所引起的色散,这种色散仅出现在多模光纤中,又称 模式间色散。
图7.2.4 OTDR测量曲线 由(7.2.3)式盒图7.7可以看出AB段光纤的衰减系数为:
p ( , z A ) 1 10 ( , L) lg[ ] 2 zR z A p ( , z B )
(7.2.4)
图中为对数坐标,即Ps(A)=10log10p(λ,zA) ,Ps(B)=10log10p(λ,zR),zR-zA=L,所以:
图7.1.2
光纤损耗与波长的关系
Байду номын сангаас
§7.2
光纤损耗的测量
当光束通过一定长度的光纤后,光束的能量就会衰减。损耗 这个量就表示光纤对光能的衰减能力,常用dB为单位,它定 义为:

双折射原理的实际应用举例

双折射原理的实际应用举例

双折射原理的实际应用举例什么是双折射原理双折射原理,又称为光学双折射现象,是指光在透明介质中传播时发生的光波的分裂和双光轴现象。

这种现象是由于介质的晶格结构导致光的传播速度和方向在不同方向上有所区别而导致的。

实际应用举例双折射原理在很多领域都有广泛的应用,下面举例说明几个常见的应用:1. 双折射片用于显微镜在显微镜中,双折射片被用于观察和分析晶体的结构。

通过放置一个双折射片在样品和镜头之间,当光通过样品时,会因为样品的结构而发生双折射现象,从而使得观察者可以清晰地看到样品的细微结构。

这种应用在材料科学、地质学以及生物学等领域中起着重要的作用。

2. 双折射用于建筑玻璃双折射原理也被应用于建筑玻璃的制造中。

通过在玻璃中加入一定的应力,可以使得光在玻璃中传播时发生双折射现象。

通过调整玻璃的结构和应力分布,可以实现对光的折射角度的控制,从而达到不同的光学效果。

比如,可以制造具有隐私功能的玻璃,只有从特定角度观察时才能看清楚其后面的景象,而在其他角度时呈现模糊效果。

3. 双折射用于激光器和光纤通信激光器和光纤通信技术是现代通信领域中的重要技术。

在这些技术中,双折射原理被广泛应用于单模光纤的制造。

通过将光纤拉制成一条细丝并施加一定的拉应力,可以使光在光纤中传播时发生双折射现象,从而实现对光的传输和控制。

这种应用在光纤通信系统和光学传感器中起着关键的作用。

4. 双折射用于光学器件制造双折射原理还广泛应用于光学器件的制造中。

尤其是在偏振光学器件的制造中,双折射现象是其中关键的原理之一。

通过利用不同材料的双折射性质,可以制造出具有特定偏振特性的光学器件,如偏振片、波片、偏振分束器等。

这些器件在显示技术、光学检测和测量等领域中有着广泛的应用。

小结双折射原理是光学中的重要现象,通过利用介质的晶格结构和应力分布,可以实现对光的传播和控制。

在显微镜、建筑玻璃、激光器和光纤通信、光学器件制造等领域中都有广泛的应用。

双折射原理的实际应用使得我们能够更好地观察和分析物质的结构,实现光学设备的功能和性能的优化,并推动科学和技术的发展。

双折射现象及其对光的影响

双折射现象及其对光的影响

双折射现象及其对光的影响光作为一种电磁波的形式,具有许多奇妙的性质。

其中一种常见的现象就是光的双折射现象。

在一些特定的晶体中,光在传播过程中会出现两种不同速度的情况,从而使得光线发生折射,并且发生两次折射并沿不同方向传播。

这种现象的重要性不仅体现在科学研究领域,更在实际应用中发挥了巨大的作用。

在描述双折射现象之前,我们先来了解一下折射是什么。

折射是光线在两种介质间传播时速度和方向发生改变的现象。

根据光的波动性质,当光线从一种介质传播到另一种介质时,其传播速度会改变,从而产生折射。

根据斯涅尔定律,光在发生折射时,入射角和折射角之间存在着一个固定的关系。

而双折射现象则是在某些特殊的晶体中发生的,如岭南玉、石英等。

这些晶体具有各向异性,即其光学性质沿不同方向不同。

当光线垂直入射到这些晶体表面上时,会发生两次折射。

一个是按照正常的折射规律发生的普通光线,被称为O光线;另一个是按照不寻常的折射规律发生的异常光线,被称为E光线。

这两束光线在通过晶体后沿不同的方向传播,形成了两个不同的折射光线。

双折射现象对光的影响是多方面的。

首先,在显微镜的应用中,双折射现象可以使得晶体中的结构、性质以及缺陷等细节更加清晰可见。

通过分析样品中双折射现象的特征,可以获取关于晶体特性的重要信息。

这对于材料科学、地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。

其次,在光学仪器中,双折射现象可用于制造偏振片和波片等光学元件。

偏振片是一种能够选择性地通过特定方向的光线的器件,其基本原理就是利用了双折射现象。

通过导入合适的晶体材料,可以制造出具有特定偏振方向的偏振片。

而波片则是一种能够改变光线偏振状态的光学器件,同样利用了双折射现象。

这些偏振片和波片在光学通讯、显示技术和光学测量等领域得到广泛应用。

另外,双折射现象还常用于分辨光学器件的特性。

通过观察通过晶体时光线的分离与汇聚现象,可以研究和判断晶体的光学常数、结构和杂质等信息。

这对于晶体材料的制备过程中的质量控制以及研究过程中的结构表征具有重要意义。

高双折射Sagnac环透射特性的理论与实验研究

高双折射Sagnac环透射特性的理论与实验研究
第 3 2卷 第 5期 21 0 1年 9月

用 光

Vo. o 5 1 32 N .
Se .2 p O11
J u n 1 fAp l d Op is o r a o p i tc e
文 章 编 号 : 0 22 8 ( 0 1 0 — 8 90 1 0 —0 2 2 1 ) 50 9 — 5
律 。 实验 结 果与理 论 分析 结果 非 常一致 , S g a 对 a n c环透射 规 律 的研 究对这 种 可调谐 滤 波 器在 多 波 长光 纤激 光 器 中的 应 用具有 一 定的参 考 价值 。
关键 词 :a n c干 涉环 ; 偏 光纤 ; Sga 保 双折 射 率 ; 偏振 控 制 器 ; 可调谐 滤 波器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
PM F ,b r f i g n e ( ) a d P t t r b a n d t r u h n m e ia i u a i n Th s ie rn e c s An n Cs s a e we e o t i e h o g u r c 1sm l to . e
摘 要 : 用传 输矩 阵 分析 法 、 值模 拟 和 实验 研 究相 结合 的 方法研 究 了由光耦 合 器( C) 偏振 采 数 O 、 控 制 器( C 和保 偏 光 纤 ( MF 组 成 的 高双 折 射 S g a 干 涉环 的透 射特 性 。 理论 分析 了 P P ) P ) an c MF 特性和 P C状 态对输 出特 性 的影 响 , 并通过 数 值 模 拟得 到 了 P MF长度 、 折 射 率 ( n 和 P 双 A ) C状 态不 同时所对 应 的透射 光谱 。最后 通过 实验 验证 得 出了波 长 间 隔只 由 P MF的 长度 和 双折 射 率 A n决 定 , 射 率大 小只 由 P 透 C状 态决定 , 而透 射谱 的峰 值 位 置 由 P MF和 P C状 态共 同决 定 的规

双折射的原理和应用

双折射的原理和应用

双折射的原理和应用一、什么是双折射?双折射,也被称为双光折射或双折光现象,是光在某些晶体中传播时,由于晶体的结构特性而引起的一种现象。

当光线穿过这些晶体时,会发生光线的分离,形成两个不同方向的光线,具有不同的传播速度和折射角度。

二、双折射的原理双折射现象的产生与晶体结构的对称性有关。

在对称性较高的晶体中,由于晶体内部存在两个或多个不同的折射率,光线在传播过程中会被分为两束,每束光线的传播速度和方向都不同。

对于某些晶体来说,折射率是一个标量,即无论光线入射的角度如何,折射率都保持不变。

这种晶体称为单折射晶体。

而双折射晶体则是由于晶体的结构对光具有不同的折射率,在光的传播过程中产生双折射现象。

双折射现象与晶体的结构无关,而是与晶体的对称性有关。

晶体的对称性越低,双折射现象越明显。

双折射晶体中的两束光线分别称为普通光线和特殊光线。

普通光线的传播速度较慢,折射率较大;特殊光线的传播速度较快,折射率较小。

三、双折射的应用1. 光学器件双折射现象在光学器件的设计和制造中起到重要的作用。

通过合理利用双折射晶体,可以制造出各种光学器件,如偏振片、光波导、光偏转器等。

这些器件在光通信、光传感、光学显微镜等领域有广泛的应用。

2. 偏振光传输双折射现象使得晶体可以对光进行偏振处理。

在光传输中,可以利用双折射晶体来选择性地传输特定方向的偏振光。

这种特性在光通信和光显示技术中有重要的应用。

3. 光学显微镜双折射现象在光学显微镜中也有广泛的应用。

通过使用双折射晶体,可以观察到样品中的双折射现象,从而获得更多关于样品结构和性质的信息。

4. 光学传感双折射现象在光学传感领域也有重要的应用。

通过使用双折射晶体,可以设计出各种光学传感器,用于测量光的强度、相位和偏振等参数。

这种传感器在光通信、环境监测和生物医学领域都有广泛的应用。

5. 光学调制器双折射现象可以被用于制造光学调制器,用于调控光的相位或振幅。

光学调制器在光通信和光学成像等领域有重要的应用。

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文章编号:025322239(2005)03229725高数值孔径双芯光纤的双折射研究3傅永军 简 伟 郑 凯 任国斌 简水生(北京交通大学光波技术研究所,100044北京)摘要: 具体分析了具有高数值孔径的双芯光纤的双折射特性。

首先利用超格子正交函数法和耦合模理论分析了双芯光纤的几何双折射,并将两种方法计算的几何双折射进行了比较分析。

数值计算结果表明双芯光纤在两纤芯非常接近的情况下,几何双折射仍较小,只能到10-5量级。

利用超格子正交函数法计算了双椭圆芯光纤的双折射,改变结构参量可使几何双折射达到10-4量级。

高的数值孔径需要高的掺锗量,理论上分析了高数值孔径时双芯光纤功率集中区域的应力双折射,应力双折射接近10-4量级。

设计制作出了具有良好保偏性能的双芯掺铒光纤,测试、分析了它的几何参量和折射率分布;双芯光纤双折射系数达到了8.4×10-5。

双芯掺铒光纤可以作为保偏掺铒光纤,应用到制作具有稳定的单一偏振态输出的光纤激光器。

关键词: 光通信;双芯光纤双折射;超格子正交函数法中图分类号:TN25 文献标识码:A 3国家863计划(2001AA312230)资助课题。

作者简介:傅永军(1977~),男,浙江诸暨人,北京交通大学光波技术研究所博士研究生,主要从事光纤通信、特种光纤等方面的研究。

E 2mail :fyj.youth @收稿日期:2003208211;收到修改稿日期:2004210212The B i r ef ri n ge nce Ch a r act e ris t ics of Hi g h N u me rical Ap e r t u reTwi n 2Co re Fi be rFu Yongjun J ian Wei Zheng Kai Ren Guobin J ian Shuis he ng(I nstit ute of Lightwave Tech nology ,Beiji ng J i aotong U niversit y ,Beiji ng 100044)Abs t r act : We explore the biref ringence characterization of twin 2core fiber (TCF )with high numerical apertures.Firstly the super cell lattice orthogonal f unction method and mode couple theory are used to analyze the geomet rical biref ringence of the TCF ,then we make comparison of the results that calculated f rom the two different methods.The results show that the geomet rical biref ringence of TCF is not enough high even when the cores are touching ;the maximum geomet rical biref ringence is only at 10-5.The maximum geomet rical biref ringence of twin elliptical core fiber can reach 10-4,which is calculated f rom super cell lattice orthogonal f unction method.High concent ration of germanium is needed to keep high NA.We calculate the st ress biref ringence of the TCF with high NA in the area ofassembling of light power ,which app roximates to 10-4.The twin 2core erbium doped fiber (TCEDF )with well polarization maintaining performance is designed and fabricated ,the geomet rical parameters and ref ractive index dist ribution of the twin 2core fiber are measured and analyzed ,and the biref ringence coefficient of twin 2core fiber reaches 8.4×10-5.TCEDF with high NA can be used as polarization maintaining EDF that is a key component in optical fiber lasers with single polarization outp ut.Key w or ds : optical communication ;biref ringence of twin 2core fiber ;super cell lattice orthogonal f unction method1 引 言双芯光纤在近年来得到了广泛的关注。

目前最主要的应用就是实现掺铒光纤放大器多信道放大时的增益均衡[1~3],另外,利用双芯光纤还可以制作方向耦合器[4]、波分复用器[5]、用于光纤激光器稳定的窄带滤波器[6]、可变衰减器[7]和利用耦合器非线性效应的全光开关[8]。

但有关利用双芯掺铒光纤作为保偏光纤的报道尚不多见。

掺铒光纤激光器也是当前研究的一个热点[9],而目前大部分光纤激光器不能保证输出偏振态的稳定,在光纤通信系统中的应第25卷 第3期2005年3月 光 学 学 报AC TAO P TICA SIN ICAVol.25,No.3March ,2005用受到了极大的限制,是实用化的最大障碍。

要获得稳定单一偏振态的激光输出,在以前的大部分实验中基本上采用非保偏的掺铒光纤加偏振控制器的方法来实现,这种方法简单,但是由于非保偏掺铒光纤的双折射极容易受到环境的扰动,因此只能维持短时的偏振态稳定。

另一种,能从根本上解决问题的方案就是采用保偏掺铒光纤并结合起偏器的结构。

本文同时对高数值孔径的双芯光纤双折射特性进行了研究。

2 理论分析2.1 几何双折射采用超格子正交函数法和传统的耦合理论方法[10]比较分析了双芯光纤中的几何双折射。

超格子正交函数法由全矢量耦合波动方程得到关于传输常量和模场展开系数的特征方程,来分析光纤的模式特征[11,12]。

通过数值计算,可以得到双芯光纤中各个模式的模场分布、强度分布及各个模式的传输常量。

采用这种方法计算得到了双芯光纤的模场分布见图1,双芯光纤中传输着两个超模:偶模和奇模,传输常量分别为β+和β-,模式1和模式2对应于偶模的x 偏振模和y 偏振模,传输常量为βx +和βy+,模式3和模式4对应于奇模x 偏振模和y 偏振模,传输常量为βx -和βy -。

将Δn +=λ2π(βx +-βy +)定义为偶模几何双折射,Δn -=λ2π(βx --βy-)为奇模几何双折射。

图1双芯光纤的正规模式分布。

(a )模式1,(b )模式2,(c )模式3,(d )模式4Fig.1Normal modes distribution of the twin 2core fiber.(a )Mode 1,(b )mode 2,(c )mode 3,(d )mode 4 双芯光纤的几何双折射由结构参量光纤芯半径a 和纤芯之间的距离d 及光纤的相对折射率差Δ决定。

利用超格子正交函数法,计算了光纤的相对折射率差Δ=0.015时,不同光纤芯径下,几何双折射随归一化纤芯间距s =d/a 的变化规律,并与用耦合模理论计算的结果进行了比较(图2)。

根据耦合模理论,双芯光纤的偶模传输常量之差有以下解析形式[13]:βx +-βy +=Δ2β4U 2W V4K 0(W )K 1(W )×I 1(W )I 2(W )-I 2(W )K 0(W )K 0(Ws ),(1)式中U ,W 分别是纤芯和包层的归一化传输常量,β是单个纤芯时的传输常量,I 1,I 2,K 0,K 1分别为第一类和第二类变性贝塞尔函数,V =(2π/λ)aN A 是归一化频率,NA =n 12Δ是纤芯的数值孔径。

再由Δn =(λ/2π)(βx +-βy+)得到了双芯光纤的几何双折射。

图2(a )为利用超格子正交函数法计算的几何双折射随s 变化的结果,纤芯越小,纤芯间距越小,双折射越高。

与图2(b )耦合模计算的结果基本一致,利用耦合模方法计算时,当纤芯半径由1.5μm 继续减小到1μm 时,双折射变小,与用利用超格子正交函数法计892 光 学 学 报  25卷 算的结果相反;同时,图2(a )中的变化趋势更快。

两种计算方法得到的几何双折射存在一定的差异,由于耦合模理论中,认为两个场是独立的,在双芯靠近时这个假定就不成立,因此在双芯靠得很近时,用超格子正交函数法计算的结果更准确,当两个纤芯离得远时,采用耦合模理论得到的结果更准确。

图2根据超格子正交函数法(a )和耦合模理论(b )计算的双芯光纤几何双折射随s 变化的结果,参量:Δ=0.015Fig.2G eometrical birefringence of twin 2core varies with s calculated by super cell lattice orthogonal functionmethod (a ),and couple mode theory (b ),parameters :Δ=0.015图4双椭圆芯光纤的结构。

(a )短轴平行,(b )长轴平行Fig.4Structure of twin 2elliptical cores fiber.(a )minor axis parallel ,(b )major axis parallel 光纤纤芯半径a 不变,改变光纤的相对折射率差Δ,可以得到几何双折射与相对折射率差之间的关系。

图3是a =1.5μm ,相对折射率差Δ为0.01,0.015,0.02时,几何双折射随s 变化的规律。

可见相对折射图3根据超格子正交函数法计算的双芯光纤几何双折射随s 归一化距离变化的结果Fig.3G eometrical birefringence of twin 2core fiber varieswith s calculated by super cell lattice orthogonal function method率差Δ越大,双芯光纤的几何双折射越高。

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