13.2. Деполяризация световой волны и поляризационная модовая дисперсия

При распространении поляризованной световой волны вдоль оптического волокна при некоторых условиях может наблюдаться ее полная деполяризация.

Идеальное цилиндрическое оптическое волокно, основу которого составляет кварц, представляет собой изотропную среду, т. е. такую, в которой электромагнитные свойства, например показатели преломления, одинаковы во всех направлениях. Среда, показатели преломления которой вдоль двух отличных направлений, например вдоль осей х и у, различны, называется двулучепреломляющей, а оптическое волокно, не обладающее цилиндрической симметрией, также называется двулучепреломляющим. Физическая асимметрия показателя преломления приводит к различной скорости распространения световых волн, имеющих отличную поляризацию.

 Таким образом, волокно с высоким двойным лучепреломлением обнаруживает существенную разницу в значениях показателей преломления для ортогональных электрических полей. Поэтому монохроматический свет с данными состояниями поляризации делится на две световые волны, которые испытывают полную дифференциальную задержку на расстоянии, равном нескольким миллиметрам, и если сигнал имеет значительную ширину спектра, дифференциальная задержка де поляризует его.

Явление деполяризации усиливается при дифференциальной задержке световых волн, распространяющихся вдоль быстрой и медленной осей волокна, превышающей когерентное время источника излучения:

  ,

 где l₀ – центральная длина волны источника излучения; Dl₀ – ширина спектра излучения источника.

Необходимо учитывать, что деполяризация наиболее сильно проявляется, когда световые волны, распространяющиеся вдоль быстрой и медленной оси, имеют равную интенсивность.

Наличие в одномодовом световоде двух поляризационных мод не противоречит его названию. Причина того, что волокно по-прежнему называется одномодовым, заключается в том, что эти две поляризационные моды имеют одну и ту же постоянную распространения, по крайней мере, в идеальном, совершенно симметричном волокне. Таким образом, хотя энергия импульса разделяется между этими двумя поляризационными модами, но то что они имеют одинаковую постоянную распространения не вызывает расширение импульса вследствие явления дисперсии.

В то же время реальное волокно не является совершенно симметричным, и две ортогонально поляризованные моды имеют неидентичные постоянные распространения. Поэтому, с учетом того, что световая энергия импульса, распространяющегося по волокну, разделена между этими двумя модами, отличие постоянных распространения этих мод вызывает увеличение длительности импульса на выходе волокна. Это явление носит название поляризационной модовой дисперсии (PMD), что в принципе аналогично расширению импульса в случае использования многомодового волокна, но проявляется это явление гораздо слабее.

Уширение импульса за счет поляризационной модовой дисперсии рассчитывается по формуле

  ,

 где k_PMD – коэффициент удельной поляризационной модовой дисперсии.

Результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением

  .

  Таким образом, поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярным (эллиптическим) сердечником и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией.