線雙折射磁光光纖光柵中光偏振態演化

福建省南平市順昌縣順昌金橋學校 陳 露

1.線雙折射磁光光纖光柵的本征偏振態

1.1 線雙折射磁光光纖光柵的耦合模方程

對于非磁性的線雙折射光纖光柵, 其本征偏振態為兩束分別沿快慢軸偏振的線偏振光; 而對于無線雙折射的磁光光纖光柵, 其本征偏振態是一對左旋和右旋的圓偏振光。那么線雙折射磁光光纖光柵中本征偏振態又如何。研究表明, 其本征偏振態是一對左旋和右旋的橢圓偏振光,用瓊斯矢量法表示：

1.2 光偏振態的數學表述

當輸入特定偏振態的光時, 光柵內部光場的偏振態也可以直接數值求解得到, 圖1 給出了左旋本征偏振態P1 在光柵內的偏振態演化, 圖中采用橢圓度( ))和方位角(*)兩個參數來表示光的偏振態計算參量如表1所示。顯然, 解析方法求出的光柵內部光偏振態始終保招搖過持不變, 而當光柵調制深度n1及相應波長(波長取在光柵帶隙內)取值不同時, 數值計算引入的誤差大小也略有不同, 其中偏離較大的曲線對應的透射率很低, 計算誤差稍大, 但其結果與解析解基本一致, 說明推導過程是正確的。

圖1 本征偏振態的方位角(a)和橢圓率(b)在線雙折射磁光光柵中的分布

2.雙折射對光偏振態的影響

2.1 邦加球的平面表示法—— 史密斯圓圖

光柵中線雙折射與磁圓雙折射的存在會使輸入的非本征偏振態發生模式耦合。下面使用龐加萊球來直觀地說明光柵輸入/輸出偏振態的演化規律。龐加萊球由三個歸一化斯托克斯參量S1, S2, S3所構成的歸一化斯托克斯矢量S確定, 每一個斯托克斯矢量代表一個偏振態, 它與光場瓊斯矢量的變換關系如下：

式中Ex, Ey, +分別表示電場兩個正交偏振分量的振幅和相位差。另外, 龐加萊球面上一點P表示偏振光的某一偏振狀態,可以用經度2*和緯度2+來表征2*表示半徑OP在赤道面夾角,即偏振光偏振主軸的方位;2+表示半徑OP與赤道平面的夾角,對應于橢圓率)= tan+。當光纖光柵的某一參量改變時,輸出的導波光偏振態會發生改變。對于波長為=1538. 6 nm的x 線偏振光, 當線雙折射n 從10- 6變化為10- 3時輸出光的偏振態演化軌跡如圖2所示,其中光柵的調制深度n1= 0.510-4, 其它參量取值與表1相同。隨著線雙折射的增加, 光纖光柵輸出的偏振光橢圓率及方位角的變化軌跡呈螺旋狀,并逐漸逼近線偏振光。圖2還給出了線雙折射大小對磁光光柵本征光偏振態的影響, 可以看出, 隨著線雙折射的不斷增大, 本征偏振態趨近于線偏振光, 演化過程中主軸方位角始終保持不變。

類似地, 當左旋圓偏振光入射時也可得到輸出光的偏振態演化規律, 如圖3所示, 其中光纖光柵的磁圓雙折射nm在10-6～10-3范圍內改變,光柵調制深度n1=0.5*10-4, 其余參量值同表1。在磁圓雙折射不斷增大的情況下, 由于線雙折射的存在, 左旋圓偏振光經過光柵后輸出光的偏振態不再是圓偏振光,而是方位角與橢圓率不斷變化的橢圓偏振光, 最終趨近于左旋圓偏振光。而本征偏振態隨著磁圓雙折射的增大其主軸方位保持不變, 但橢圓率會逐漸增大, 最后趨近于圓偏振光。

圖4給出了波長為的x 線偏振光入射時, 光偏振態在長度為L = 0. 02 m, 調制深度為n1 = 0.510- 4的光柵內部的周期性變化(計算參數同表1 ),變化的周期大小取決于線雙折射磁光光纖光柵的等

2.2 偏振態之間的變化

圖4 x 線偏振光在光柵內部的偏振態演化效雙折射(這里取neff=10- 4) , 不依賴于線雙折射和磁圓雙折射的比值(n/nm )。由以上分析可知, 線雙折射與磁圓雙折射的相對大小影響輸出光的偏振態, 因此光纖光柵中線雙折射的存在會對磁圓雙折射的相關實驗產生不利影響。根據本文給出的耦合模方程的解析解, 也可以用于分析線雙折射與磁圓雙折射共同作用下的光纖光柵的其它特性, 如偏振相關損耗(PDL)、差分群時延 (DGD)等, 還可以用來計算任意偏振態輸入時光柵的反射、透射特性, 從而可以設計開發磁控的光纖光柵器件。

3.結論

基于微擾理論,考慮了線雙折射、磁圓雙折射及光柵Bragg衍射等物理效應, 給出線雙折射磁光光纖光柵的耦合模方程。并采用分離變量法求出耦合模方程的解析解。解析結果表明, 線雙折射磁光光纖光柵中導波光為本征波的線性疊加,而本征波的偏振態即光柵的本征偏振態 左旋和右旋橢圓偏振光。在此基礎上研究了線雙折射磁光光纖光柵中光的偏振特性,研究表明,線雙折射與磁圓雙折射只引起本征偏振態橢圓率的變化,不改變其主軸方位;非本征偏振態的光入射時,光柵內部導波光的偏振態周期性變化,周期長度取決于光柵等效雙折射大小,不依賴于線雙折射與磁圓雙折射的相對大小。