光纤通信系统中的偏振光学

作者简介

张晓光,北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、电子工程学院教授，享受国务院津贴专家。长期从事《大学物理》、《光学》、《导波光学》、《非线性光学》、《偏振光学》的教学，获得北京市高等学校名师奖。多次作为主持人主持国家863计划项目、国家自然科学基金项目、华为委托研发项目，从事光纤偏振效应与均衡、光频梳在光纤通信中的应用、光孤子通信的研究，获得信息产业部科技进步三等奖、中国通信学会科学技术三等奖、教育部科技进步二等奖。2017年出版专著《光纤偏振模色散原理、测量与自适应补偿技术》，2013年和2019年分别出版译著《光学，第4版》、《光学，第6版》。

内容简介

第3章〓各向异性介质中的双折射 偏振器件大多由各向异性介质制成，光在各向异性 介质中传输会表现出双折射性质，因而可以用来制造偏 振器件。因此本章介绍光波在各向异性介质中传输表现 出双折射的物理机制，以便更好地理解后续各章里的双 折射双折射现象。 光学晶体是典型的各向异性介质，因此本章主要介 绍晶体中的双折射。读者开始接触光在晶体中的传输， 也应该是在“大学物理”课程中偏振的章节（属于普通 光学范畴）。该课程介绍晶体双折射时利用的是比较容 易理解的惠更斯“双波面”理论，这是一种简单形象的 唯象理论，用到非常少的数学［13］。为了使读者更 好地理解双折射，本书首先介绍普通光学对于晶体双折 射的描述，然后介绍基于电磁场理论的高等光学的双折 射理论［45］，使读者有一个过渡过程，以便进一步 将数学与物理现象进行对照研究。 3.1普通光学中对于晶体双折射的描述 3.1.1方解石中的双折射现象 将一块方解石晶体（也称冰洲石晶体，化学结构为 CaCO3）放在一张写有字迹的纸上，会看到两个影像， 这就是双折射现象，如图311所示。是伊拉斯谟斯 ·巴托莱纳斯（拉丁文为Erasmus Bartholinus，英文 为Rasmus Bartholin）于1969年最早利用方解石晶体 观察到双折射现象的。 图311方解石晶体放在一张写有字迹的纸上形 成的两个影像［3］ 3.1.2普通光学对于双折射的描述 普通光学对于双折射的描述如下［13］。 （1） 一束非偏振光进入晶体会出现两束折射光： 一束遵从折射定律，与在各向同性介质中一样，因此称 为寻常光（ordinary ray），也称为o光； 另一束不 遵从折射定律，与在各向同性介质中表现不一样，称为 非寻常光（extraordinary ray），也称为e光。 如图312(a)所示，一束光正入射到如图所示的 方解石晶体，分成两束光。一束光按照折射定律沿着原 方向传输直至出射晶体，这就是o光； 另一束光没有按 照折射定律，而是向斜上方传输，出射晶体后也不是按 照折射定律的方向传输，而是垂直于晶体表面，在晶体 外沿着与o光平行的方向、离开一定间隔地向前传输， 这就是e光，如图312所示。 （2） o光与e光均为线偏振光，且在适当的入射方 向，o光与e光偏振方向相互垂直。 如图312(b)所示，当入射的是自然光（非偏振 光），o光和e光均为线偏振光，o光偏振方向垂直于晶 体的光轴，e光偏振方向与光轴处于同一个平面。如果 用一个偏振片放置在晶体后面，让o光和e光同时经过偏 振片，并旋转偏振片的方位360°，发现在旋转过程中o 光与e光都会出现两次透射消光的偏振片位置，两次透 射极大的偏振片位置，且o光出现消光时，e光出现透射 极大，o光出现透射极大时，e光出现消光。这证明了o 本书从偏振光的基本概念和基本理论出发，详细阐述偏振光在琼斯空间和斯托克斯空间的描述，以及两个空间之间的关系变换；紧接着作光纤中偏振效应的概述和介绍偏振控制器等偏振器件；接下来详细介绍光纤中最主要的偏振效应偏振模色散和偏振相关损耗的理论模型、测量方法以及缓解补偿方法；最后详细介绍光纤通信系统中偏振效应的各种均衡技术，着重介绍本课题组有很大贡献的基于斯托克斯空间和基于卡尔曼滤波器的偏振效应均衡方法。