偏振复用技术(也称为偏分复用技术)是光纤通信系统中的一项重要复用技术，应用偏振复用技术能够使光纤通信容量加倍。光纤通信系统中应用到许多偏振器件。另外，光信号在光纤和光器件中传输时会因偏振效应引起偏振损伤，这些偏振效应主要包括光纤偏振模色散、偏振相关损耗和偏振旋转等。

第1章 绪论
1.1 光纤通信系统中研究光偏振的重要性
1.2 光纤通信中偏振光学的数学描述体系
参考文献
第一篇偏振光学基础
第2章 偏振光的描述
2.1 偏振态的基本描述
2.1.1 光的五种偏振态
2.1.2 线偏振光
2.1.3 圆偏振光
2.1.4 椭圆偏振光
2.1.5 自然光（非偏振光）
2.1.6 部分偏振光
2.2 偏振态的琼斯矢量描述
2.2.1 偏振态的一般数学描述
2.2.2 偏振态的琼斯矢量描述
2.3 偏振表象
2.3.1 偏振态的正交
2.3.2 偏振态在不同正交偏振基下的表示——偏振表象
2.3.3 偏振态的表象变换
2.4 偏振态的斯托克斯矢量描述
2.4.1 斯托克斯参量的引入——偏振态的斯托克斯矢量
2.4.2 斯托克斯矢量各分量的物理意义
2.4.3 斯托克斯矢量各分量的测量方法（偏振态测试仪）
2.4.4 偏振度的斯托克斯参量表示
2.5 偏振态描述的庞加莱球和可视偏振态球
2.5.1 偏振态的庞加莱球描述
2.5.2 偏振态的可视偏振态球描述
2.6 偏振态在琼斯空间和斯托克斯空间之间的转换
2.6.1 琼斯矢量到斯托克斯矢量的变换
2.6.2 斯托克斯矢量到琼斯矢量的变换
参考文献
第3章 各向异性介质中的双折射
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
3.1.2 普通光学对于双折射的描述
3.1.3 线偏振起偏器
3.1.4 相位延迟器
3.1.5 晶体旋光的普通光学描述
3.1.6 法拉第旋光的普通光学描述
3.2 光在各向异性介质中传输的数学描述
3.2.1 麦克斯韦电磁理论回顾
3.2.2 各向异性介质中的极化特点
3.3 晶体双折射——线双折射
3.3.1 光波在晶体中的传输特点
3.3.2 光波在晶体中传输的本征偏振模式
3.3.3 光波在晶体中传输的折射率椭球描述
3.4 旋光现象——圆双折射
3.4.1 在强磁场作用下抗磁材料的旋光理论
3.4.2 法拉第旋光效应的本征偏振模式
3.4.3 光学旋光效应理论
3.4.4 光学旋光效应的本征偏振模式
3.5 关于本征偏振模式的讨论
参考文献
第4章 偏振器件的琼斯矩阵和米勒矩阵描述
4.1 基本偏振器件的琼斯矩阵描述
4.1.1 线起偏器的琼斯矩阵
4.1.2 相位延迟器的琼斯矩阵
4.1.3 旋转器的琼斯矩阵
4.2 偏振器件琼斯矩阵的表象变换
4.2.1 从偏振矩阵的坐标变换到偏振表象变换
4.2.2 不同偏振表象中起偏器的琼斯矩阵表示
4.2.3 不同偏振表象中线相位延迟器的琼斯矩阵表示
4.2.4 不同偏振表象中圆相位延迟器的琼斯矩阵表示
4.3 偏振器件在斯托克斯空间的米勒矩阵描述
4.3.1 线起偏器的米勒矩阵
4.3.2 线相位延迟器的米勒矩阵
4.3.3 旋转器的米勒矩阵
4.3.4 θ方位角偏振器件的米勒矩阵
4.4 对完全偏振光进行无损耗变换的3×3米勒矩阵
4.4.1 基本偏振器件的3×3米勒矩阵和在斯托克斯空间的
旋转对应
4.4.2 斯托克斯空间中绕任意轴旋转的米勒矩阵
4.5 琼斯矩阵与米勒矩阵之间的相互转换
4.5.1 偏振器件的琼斯矩阵到米勒矩阵的变换
4.5.2 偏振器件的米勒矩阵到琼斯矩阵的变换
参考文献
第二篇光纤通信中的偏振现象与应用
第5章 光纤通信中常用的偏振器件和偏振控制器
5.1 偏振分束器
5.1.1 块状空间偏振分束器
5.1.2 紧凑波导型偏振分束器
5.2 基于法拉第磁光效应的光隔离器和光环形器
5.2.1 法拉第磁光效应以及磁光材料
5.2.2 光隔离器
5.2.3 光环形器
5.3 偏振控制器
5.3.1 相位差固定方位角可调的偏振控制器
5.3.2 方位角固定相位差可调的偏振控制器
5.3.3 典型商用偏振控制器举例
5.3.4 关于偏振控制器自由度的讨论
参考文献
第6章 光纤中的双折射现象与保偏光纤
6.1 光纤中的双折射现象
6.1.1 光纤横截面变形成椭圆引起的双折射
6.1.2 在光纤横向施加应力引起的双折射
6.1.3 光纤弯曲引起的双折射
6.1.4 光纤扭转引起的双折射
6.1.5 光纤轴向磁场引起的双折射
6.1.6 光纤纤芯附近存在金属层引起的双折射
6.2 光纤偏振控制器
6.2.1 光纤环绕型波片偏振控制器
6.2.2 光纤挤压型偏振控制器
6.3 光纤中法拉第旋光效应的应用
6.3.1 利用光纤法拉第旋光效应测量大电流
6.3.2 闪电在光纤中引发的法拉第旋光效应
6.4 保偏光纤
6.4.1 领结型保偏光纤
6.4.2 熊猫型保偏光纤
6.4.3 椭圆芯保偏光纤
6.5 光在双折射光纤中传输的偏振态演化
6.5.1 保偏光纤中偏振态的演化
6.5.2 一般双折射光纤中偏振态的演化方程
参考文献
第7章 光纤中的偏振模色散
7.1 偏振模色散的产生机理
7.2 光纤通信领域中研究偏振模色散的意义
7.2

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。

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光与e光均为线偏振光，且偏振方向相互垂直。
图312一束非偏振光正入射方解石晶体分成两束光
(a) 立体图； (b) 平面图
（3） 在晶体中存在某个方向，当光在晶体内沿着这个方向传输时不存在双折射，这个方向称为晶体的光轴方向。o光与e光的偏振方向与光轴之间的关系在上面已经介绍了。
图313显示了方解石晶体内光轴的方向。方解石的几个自然解理面，边角呈现两种角度： 一是78°的锐角，一是102°的钝角，如图313所示。方解石有八个顶角。方解石晶体光轴的方向是通过三个102°钝角组成的钝顶角，并与三个棱边成相等角度的方向。注意光轴是方向，而不是一条特定的直线。
图313方解石晶体的光轴方向
（4） 大家熟知惠更斯原理。惠更斯（Christian Huygens）描述波动在各向同性介质中传输时建立了惠更斯原理，称在波动的波前上的每一点都可以当作一个新的子波源，这些子波源向前发射球形子波，波动的下一个波面是这些子波的包络。当描述方解石晶体中光波的传播时，惠更斯丰富了他的子波理论。在晶体中的一个子波源向周围不仅发射一个球形子波，还同时发射一个椭球形子波。那个球形子波就是o光的子波，经过单位时间这个球形子波的半径是o光的波速vo，如图314中的球面。同时发射的椭球形子波对于单轴晶体来说是一个旋转椭球，为e光的子波面。其中对于负单轴晶体，这个旋转椭球是绕光轴的扁椭球，如图314(a)中的旋转椭球，这个椭球在光轴方向与o光子波面相切。沿着此方向传输，e光的速度也是vo，说明在光轴方向没有双折射。沿着与光轴垂直的方向，e光子波面距离子波源的长度为ve，在这个方向，o光与e光速度差别最大。在其他方向传输的o光与e光速度由该方向的子波面距离子波源点的长度决定。还可以定义主折射率no=c/vo和ne=c/ve与vo和ve相联系。对于负单轴晶体，no>ne，vove，如图314(b)所示； 其e光子波面构成的旋转椭球是一个长椭球。对于双轴晶体存在两个光轴，如图314(c)所示。光波在这两个光轴方向传播，o光子波面（球面）与e光子波面（椭