偏振效应的应用-光子学设计基础

实际上，偏振效应可以自然地增大，或者有意地减小。自然增大的情况，最常见的是因各向异性材料、非对称材料形变或者非对称波导形态造成的。

与晶体的情况一样，如果将一种光学介质按照一个特定方向进行压制，就会对原子电子或分子电子产生同样的方向约束，因此与这些作用力（对于各向同性材料）平行和正交的光学偏振方向将有不同的折射率。

若将一束光波传导到折射率比周围介质更大的通道或其他类型的波导中，与上述情况有些类似，必须了解波导界面结构不对称性造成的影响。显然，如果截面是一个理想圆，例如理想光纤的情况，则所有的线性偏振方向必然以相同的速度传播。然而，如若截面呈椭圆形，就不难理解，在平行于短轴和平行于长轴的线性偏振方向，将以不同的速度传播。的确，就是这种情况，将会更为详细地予以研究，稍后还将讨论光学波导其他方面的内容（见本书第8章）。

事实上，所有光纤都有下列一种或多种问题：纤芯截面的不圆度、纤芯的线性形变及扭曲变形。因而光纤在某些方向上具有不对称性，就此而言，光纤是一种用来说明这些被动偏振效应的较好介质。光纤的弯曲形变产生线性形变，扭曲会造成圆形形变（见图3.14）。线性形变可以产生线性双折射，圆形（扭曲）形变将导致圆形双折射。

图3.14　光学纤维的双折射

由于线性双折射会在两种正交线性偏振态之间产生速度差，从而导致1～10ps/km数量级的相对时间滞后，所以电信应用中作为高性能连接用的“标准”光纤存在线性双折射是相当棘手的事情。显然，这样会使调制信号变形。例如，数字系统中的一个脉冲会被展宽，在某种程度上被恶化。在光纤抽丝工艺中，旋转抽丝光纤使用预成型件，可以减少“偏振色散”，从而使横截面各向异性达到平均。“旋制预成型件”技术^[4]将这种形式的色散降低到约0.01ps/km（即两个数量级）。

有时，将线性或者圆双折射有意地引入光纤中也是颇有作用的（本书第8章将详细介绍这些光纤）。(www.xing528.com)

为了引入线偏振，可以将光纤芯制造成椭圆形（具有前面讨论过的性质）或者使光纤芯包裹材料不对称掺杂而引入应力（见图3.15）^[5]。该应力是由于光纤从熔化温度冷却下来时的不对称收缩造成的。

图3.15　不对称掺杂线性双折射光纤（蝴蝶结形）

（资料源自：Varnham，P.ETAL.，1983，′Single polarization operation of highly-birefringent bow-tie optical filters′，Elect，Lett.19，246-247）

将光纤芯旋扭，然后再进行包裹，或者在制造工程中使抽拉光纤的非对称粗加工产品旋转就可以引入圆双折射。具有高线性双折射值（high value of line-ar birefringence，hi-bi）的光纤的一个重要应用是：成为某一种线性本征模（共两种线性本征模）的线性偏振光，在此模态中易于保持不变，因而提供一种非常方便的、在传输两点间产生线偏振光的方法。“保持偏振性（Polarization holding）”的原因在于，当光与其他本征模耦合（即转换）时，将耦合成一种具有不同速度的模式；并且，一般来说，与耦合成该模式的其他入射光并不同相。因此，不同耦合将会全面相消干涉，只产生小的振幅。这就是所说“相位失配（phasemismatch）”（这是波相干性的另一例子）。显然，如果仅仅使光在两种模式是同相的那些位置耦合，就会出现相长干涉，耦合效果比较强，并且会有一些重要应用（见本书9.4节和附录Ⅷ）。

一种将偏振各向异性引入材料中的特别方便的方法，是将它们置于电场和磁场环境下。正如已经知道的，这些场可以对电子施加作用力，通过其对原子电子的作用，这些场会影响介质的偏振性质，就像晶体中化学键对电子的约束作用一样。因此，利用电磁场可以设计一些非常方便的偏振控制装置和调制器。了解这些效应的应用实例，非常有助于确立这些思想。本书第7章将详细讨论这些效应。