一篇文章了解光的偏振

偏振

偏振是光的一个非常重要的特性。众所周知，光是一种电磁波。可以将偏振理解为光的振动方向，如果光的波动是确定方向，则称之为偏振光，激光是最常见的偏振光；如果光的波动方向是随机的不同的方向，则称非偏振光，阳光、白炽灯等常见光源都是都是非偏振光。

偏振光

偏振光一般分为三种：

线偏振光：光的振动方向不变，只是大小随着相位变化。也就是我们最常见的一维横波。

圆偏振光：光的矢量端点轨迹为圆，即大小不变，角度随着相位变化。圆所在的平面垂直于传播方向。

椭圆偏振光：光的矢量端点为椭圆。圆所在的平面垂直于传播方向。

事实上，线偏振和圆偏振都是椭圆偏振光的特例，可以把线偏振光看作是短轴长度为 0 的椭圆偏振光，把圆偏振光看作长轴和短轴相等的椭圆偏振光，因此本质都为椭圆偏振光。

偏振光可分为线偏振光和部分偏振光。线偏振光是光在传播过程中，只包含一种振动，振动方向保持在同一平面内。反之部分偏振光，是包含一切可能方向的振动，

偏振度

偏振度: Degree of Polarization (DOP) ，是指某一偏振态的光在总光强中所占的比例，通常来讲是指强度最大的那一偏振态。

保偏光纤

理想情况下中，光纤为均匀等圆的介质，光在其中能够完整的保留其偏振态。但在真实应用中，光纤结构并不是完全均匀的，形状缺陷以及应力的存在使得光波无法保持偏振态，也就是说，一束线偏振光，在传输的过程中会有一部分泄露到垂直的偏振方向上，降低了偏振度，经过一段距离的光纤传输，其会变为非偏振光。

在某些应用中，我们需要使用偏振光，因此保偏光纤应运而生。保偏光纤则通过人为制造应力，产生双折射效应，从而保持偏振态。

双折射

什么是双折射效应呢？简单的讲，它是介质对于不同方向偏振光的各向异性，在某个方向上的折射率大，另一个方向上的折射率小，产生了光程差，这样就将光分离成了偏振方向垂直的两束。

我们把传输速度快的那个方向称为快轴，慢的那个方向称为慢轴。

双折射率越大，两个轴上的相位速度的差越大，这样在传输过程中泄露到另一个轴上的信号相位各不相同，就无法形成一组有效的信号，而沦落为噪声，双折射率越大，在传输过程中的模式交叉就越困难。

因此我们在实际使用的过程中，应该将光的偏振方向与快轴或者慢轴对齐，这样能够获得最佳的信噪比。

偏振相关损耗PDL和偏振消光比PER

偏振相关损耗: Polarization Determined Loss (PDL)，偏振消光比: Polarization Extinction Ratio (PER)，这两者其实代表的含义都是相同的，只是应用的场景不同。

偏振相关损耗，或者偏振消光比，是指光强最大的偏振态和光强最小的偏振态之间的光强之比。

在传统的光信号传输中，我们是不希望光表现出一定的偏振度的，因为传输信号的偏振不仅局限于光纤网络之内，因此器件的插入损耗随偏振状态而异。这样就导致了光强随着偏振态的旋转、变化而波动。这种效应虽然在单个器件上表现的不明显，但是随着光器件的累加可能产生很明显的波动，从而导致信号恶化。在这种情况下，我们希望光的 PDL 越小越好。

而在某些情况下，我们希望信号光的偏振态的光强远大于其它偏振态的光强，其它的偏振态相当于一种噪声，因此我们希望 PER 越大越好。

偏振相关增益PDG

与PDL相反，PDG是指光波通过光放大器后在偏振强分量方向得到的增益要小于偏振弱分量的增益（因为强分量更加容易达到增益饱和）。两分量经过放大器后增益之差就叫做偏振相关增益（PDG）。其与PDL相比，PDG主要是描述的是不同偏振光的增益特性，PDL描述的是对不同偏振光的损耗特性。

偏振模色散

在理想的圆形单模光纤内，可以把一个光脉冲分解成为 x 方向和 y 方向的垂直光脉冲，以相同的速度进行传播，这两个光脉冲在光纤末端会叠加成输入时的偏振态。但实际情况中，种种因素会导致 x 和 y 方向的光脉冲有不同的传播速度。首先，光纤都是有一定的椭圆度的，不可能完全是正圆；另外拉制光纤时，总会在光纤内残留一定的应力，导致光纤的折射率分布不均匀。加上一些外部因素的干扰，这些因素共同导致了 x 和 y 方向的光脉冲之间产生一定的时延，这个时延就是偏振模色散。

用一句话总结，偏振模色散是快轴和慢轴上主偏振模之间的差分群时延。

审核编辑：汤梓红