1.2.4. МОДОВОЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

Даже одномодовый волоконный световод, строго говоря, не является одномодовым, так как может поддерживать две вырожденные моды, которые преимущественно поляризованы в двух ортогональных направлениях. При идеальных условиях совершенной цилиндрической геометрии и изотропии вешества та мода, которая возбуждена с поляризацией в -направлении, не будет возбуждать ортогональную -поляризованную моду. Однако в реальных условиях малые отклонения от цилиндрической геометрии или малые флуктуации в анизотропии вещества приводят к смешиванию двух поляризационных состояний, снимая вырождение мод. Постоянные распространения Р становятся несколько различными для мод, поляризованных в V- и -направлениях. Это свойство называется двулучепреломлением мод. Степень модового двулучепреломления В определяется как [65, 66]

где эффективные показатели преломления мод в двух ортогональных поляризационных состояниях. Можно показать [66], что при распространении в волоконном световоде происходит

периодический обмен мощностью между этими двумя модами; при данном значении В соответствующий период равен

называется длиной биений. Ось, вдоль которой эффективный показатель преломления моды меньше, называют быстрой осью, потому что для света, поляризованного в этом направлении, групповая скорость больше. По той же причине ось с большим модовым показателем преломления называют медленной осью.

В обычных одномодовых волоконных световодах величина В не постоянна вдоль световода, а изменяется случайным образом из-за флуктуаций в форме сердцевины и анизотропии, вызываемой статическими напряжениями. Поэтому линейно-поляризованный свет, вводимый в волоконный световод, быстро теряет первоначальное состояние поляризации. Для некоторых применений желательно, чтобы свет проходил через волоконный световод, не изменяя своего состояния поляризации. Такие световоды называют световодами, сохраняющими состояние поляризации [65 69]. В них преднамеренно создается сильное двулучепреломление, так что малые случайные флуктуации двулучепреломления существенно не влияют на поляризацию света. Один из способов создания двулучепреломления состоит в нарушении цилиндрической симметрии и создании световодов с эллиптической формой либо сердцевины, либо оболочки. Достигаемая таким способом величина двулучепреломления довольно мала . В другом методе двулучепреломление вызывается статическими упругими напряжениями, что позволяет достичь . Часто при изготовлении световода в заготовку с двух противоположных сторон от сердцевины вводятся два стержня из боросиликатного стекла. Модовое двулучепреломление В, вносимое этими элементами, вызывающими статические напряжения, зависит от их положения и толщины. На рис. 1.8 показана зависимость В от толщины для четырех форм элементов, вызывающих напряжения, расположенных на расстоянии, равном пяти радиусам сердцевины [69]. Величина может быть достигнута при в диапазоне 50 60 мкм. Волоконные световоды такого типа часто имеют название «панда» или «галстук-бабочка», указывающее на форму поперечного сечения волокна. Существуют и другие подходы [68], в которых двулучепреломление создается деформированием заготовки

Использование волоконных световодов, сохраняющих состояния поляризации, требует идентификации медленной и быстрой осей, прежде чем линейно-поляризованный свет будет введен в световод. Если на входе направление поляризации излучения совпадает с быстрой или медленной осями, поляризация при распространении не изменяется. Если же поляризация направлена под углом к этим осям,

Рис. 1.8. Изменение параметра двулучепреломления В в зависимости от толщины напрягающих элементов для четырех типов сохраняющих поляризацию световодов. На вставке к рисунку показаны различные формы напрягающих члементов [69].

поляризация непрерывно изменяется вдоль световода с периодом, равным длине биений, определяемой уравнением (1.2.16). На рис. 1.9 схематически показана эволюция состояния поляризации на длине биений двулучепреломляющего волокна. На половине длины биений состояние поляризации меняется от линейной к эллиптической, от эллиптической к круговой, от круговой к эллиптической и от эллиптической снова к линейной, но повернутой на угол 90° к направлению поляризации на входе. Процесс повторяется на оставшейся половине длины биений, так что начальное состояние восстанавливается при и ее кратных. Длина биений составляет величину порядка 1 см для световодов с сильным двулучепреломлением

Рис. 1.9. Схема эволюции состояния поляризации света вдоль двулучепреломляющего световода, когда излучение вводится под углом 45° к медленной и быстрой осям.