8.17. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА, СОХРАНЯЮЩИЕ ПОЛЯРИЗАЦИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ

Аксиально-симметричные оптические волокна, работающие в одномодовом режиме, на самом деле являются двумодовыми световодаш, поскольку в них могут распространяться две ортогонально-поляризованные собственные моды [например, моды и в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления]. Если оптическое волокно обладает идеальной структурой, то очевидно, что два поляризационных состояния вырождаются, т. е. соответствующие им постоянные распространения совпадают (главные оси волокна выбираются произвольным образом). В реальных условиях значения очень близки друг к другу, что может вызвать сильное взаимодействие двух ортогонально-поляризованных мод. В свою очередь это взаимодействие приведет к перекачке мощности (которая сопровождается процессом поляризационной конкуренции мод) на очень коротких расстояниях (от нескольких сантиметров до нескольких метров).

Для того чтобы понять, как это происходит, достаточно обратиться к теории связанных мод. Если в выражении (8.15.2) скалярное произведение поперечных составляющих собственных мод заменить на скалярное произведение их продольных составляющих, то это

выражение будет описывать, в частности, эволюцию двух поляризационных состояний. В большинстве практических случаев коэффициент связи выражение (8.15.11)], который определяет спектр мощности случайного возмущения обусловливающего межмодовую связь, имеет вид функции пропускания низкочастотного фильтра с пространственной частотой отсечки Таким образом, в соответствии с выражением (8.15.11) между двумя поляризационными состояниями перекачки мощности не происходит, если выполняется условие

и, наоборот, она становится существенной, если справедливо обратное неравенство и, уж тем более, когда

Однако в таких устройствах, как линии оптической связи гетеродинного типа и волоконные датчики, выходной сигнал должен иметь заданную и постоянную поляризацию. В соответствии с проведенным выше рассмотрением один из методов получения постоянной поляризации состоит в том, чтобы сделать как можно большую разность между значениями постоянных распространения. Добиться этого можно, либо нарушив аксиальную симметрию сечения самого волокна, либо изменив геометрию его сердцевины с круговой на эллиптическую, или же создав в сердцевине поперечное напряжение с большой асимметрией [23].

Примем для определенности, что как это обычно делается, введем нормированную величину В, называемую двулучепреломлением моды и определяемую выражением

Типичные значения В лежат в интервале для обычных волокон и в интервале для волокон, сохраняющих поляризацию. Величина В служит характеристикой способности волокна сохранять поляризацию моды, возбуждаемой светом, поляризованным вдоль одной из главных осей. Если падающий свет поляризован под углом в к оси х, то, распространяясь по волокну, он пройдет через различные состояния эллиптической поляризации. Разность фаз между лучами с разными поляризациями в волокне длиной записывается в виде

Отсюда можно определить длину биений

Используя определение условие (8.17.1) можно сформулировать следующим образом: пренебрежимо малая передача мощности из одного поляризационного состояния в другое имеет место только тогда, когда длина биений намного меньше типичного пространственного периода геометрических дефектов волокна.

Очевидно, что снятие вырождения в одномодовых волокнах приводит к модовой дисперсии между двумя поляризационными модами (поляризационная дисперсия). Согласно результатам, полученным в разд. 8.12, величина межмодовой задержки дается выражением

или же, если ввести эффективный показатель преломления и учесть, что обычно кварцевое стекло в ближнем ИК-диапазоне имеет низкую дисперсию мы имеем