光纖通信系統(tǒng)中的偏振效應(yīng)是什么?

光纖通信系統(tǒng)中的偏振效應(yīng)是什么?

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電信運(yùn)營商們正在不斷地提高 WDM 系統(tǒng)中單信道的傳輸速率，以滿足人們對通信帶寬的需求。目前，單波長傳輸速率為 10Gb/s 的 WDM 系統(tǒng)正在建設(shè)使用中，而傳輸速率為 40Gb/s 的 WDM 系統(tǒng)也已經(jīng)進(jìn)入了人們的視野。

在傳輸速率提高的同時(shí)，通信系統(tǒng)對光纖中的偏振模色散（ PMD ）、電光調(diào)制器中的偏振相關(guān)調(diào)制（ PDM ），以及光放大器中的偏振相關(guān)增益（ PDG ）等一系列由偏振引起的損害也越來越敏感 1 。這些損害主要是由光纖本身的缺陷造成的，在理想化的光纖中，傳輸光的偏振態(tài)（ SOP ）不會(huì)發(fā)生變化，這些由偏振效應(yīng)引起的損害也很容易消除。而在實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中，傳輸光的偏振態(tài)是沿光纖不斷變化的（一般來說，普通光纖的輸出光為橢圓偏振光，橢圓度不斷變化，主軸相對于參考方向成任意角度），產(chǎn)生這種變化的原因是光纖中由熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力以及纖芯的不規(guī)則性等因素引起的不規(guī)則雙折射。更糟糕的是，光纖中的雙折射效應(yīng)是隨溫度、壓力、應(yīng)力以及其它環(huán)境因素不斷變化的，這就大大增加了偏振相關(guān)損害的不可預(yù)知性。由于偏振相關(guān)損害是隨時(shí)間變化的，消除他們的方法必須是動(dòng)態(tài)的、可適應(yīng)隨機(jī)變化的。

動(dòng)態(tài)偏振控制

用于 PMD 補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)偏振控制器是克服這些損害的最重要的器件，它能夠?qū)⑷我饨o定的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降钠駪B(tài)。除了插入損耗低、回波損耗高等優(yōu)點(diǎn)外，理想的動(dòng)態(tài)偏振控制器還應(yīng)具備以下幾個(gè)重要的性能參數(shù)：

1 、高響應(yīng)速度是對快速變化的偏振態(tài)進(jìn)行跟蹤的必備要素。外界環(huán)境會(huì)對已鋪設(shè)的光纜造成不同程度的影響，如火車經(jīng)過時(shí)的振動(dòng)對沿鐵路鋪設(shè)的光纜、海浪拍擊對海底光纜都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，使光纜中傳輸光的偏振狀態(tài)發(fā)生快速變化。目前，使用 PMD 記錄儀現(xiàn)場測量，已經(jīng)可以觀測到量級為幾個(gè)毫秒的快速起伏變化。因此，用于 PMD 補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)偏振控制器的響應(yīng)時(shí)間必需小于1ms。在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)偏振控制器的響應(yīng)時(shí)間要求小于 100μs 。

2 、啟動(dòng)損耗，它量度了啟動(dòng)偏振控制器時(shí)所引入的插入損耗，定義為在所有可能的啟動(dòng)條件下最大插入損耗和最小插入損耗的差值。由于所有偏振相關(guān)損害的補(bǔ)償機(jī)制都是利用反饋信號來激活偏振控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏振控制的，所以，控制器啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的損耗和波動(dòng)都可能會(huì)使反饋信號產(chǎn)生錯(cuò)誤，從而直接導(dǎo)致儀器的性能下降。另外，在使用偏振控制器進(jìn)行 PDL 測量的儀器中，啟動(dòng)損耗還會(huì)限制儀器測量的分辨率和準(zhǔn)確度。類似的，偏振控制器自身的 PDL 也會(huì)使反饋信號產(chǎn)生錯(cuò)誤，使補(bǔ)償?shù)能浖?a target="_blank">硬件設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。

3、寬工作帶寬對密集波分復(fù)用( DWDM )系統(tǒng)來說是非常重要的。足夠?qū)挼墓ぷ鲙捒梢允蛊窨刂破髟诓煌诺谰哂邢嗤墓ぷ餍阅?，這樣不僅可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本，而且使系統(tǒng)帶寬擴(kuò)展成為可能。

4、偏振控制器的無中斷調(diào)節(jié)也是非常重要的一個(gè)特性。因?yàn)?，在對光網(wǎng)絡(luò)中，任何偏振狀態(tài)的重置都可能引起不可預(yù)料的信號中斷。

目前，商用的偏振控制器根據(jù)其技術(shù)原理可分為三類：一種是由多個(gè)延遲固定、方位角可變的波片組成的；另一種由單個(gè)延遲可調(diào)、方位角可變的波片組成；還有一種由多個(gè)方位角固定、延遲可調(diào)的波片組成。

其中，基于固定延遲波片的偏振控制器是波長敏感的，依靠機(jī)械旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)波片的偏振控制器調(diào)節(jié)速度非常慢，除了這些固有的限制外，以上三種方法原則上都是可行的，但具體的實(shí)現(xiàn)手段將直接決定產(chǎn)品的性能、成本和可靠性。

圖 1 是一個(gè)典型的偏振控制器的結(jié)構(gòu)圖，它由三個(gè)可旋轉(zhuǎn)的波片組成，一個(gè)λ /2 （ HWP ）波片處于兩個(gè)λ /4 （ QWP ）波片中間，每個(gè)波片都可沿著光軸相對于其它波片自由轉(zhuǎn)動(dòng)。第一個(gè)λ /4 波片的作用是將任意輸入偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，然后λ /2 波片將此線偏振光旋轉(zhuǎn)到任一希望得到的偏振方向，于是第二個(gè)λ /4 波片就能將該偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。在這種實(shí)現(xiàn)方法中，波片的延遲是固定的，但波片的相對角度是可變的。
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　　雖然，這種方法應(yīng)用在商用化的產(chǎn)品中已經(jīng)頗見成效，但這項(xiàng)技術(shù)畢竟存在很多缺點(diǎn)。首先，光線的準(zhǔn)直、對軸、聚焦不僅費(fèi)時(shí)，而且耗費(fèi)眾多勞力。其次，波片、微透鏡等元件都價(jià)格不菲，并且需要鍍增透膜、拋磨斜角以減少背向反射。再次，由于不可避免的要將光從一根光纖中耦合輸出，然后再將其聚焦進(jìn)入另一根光纖，以至于插入損耗大。而且，波片本身就對波長敏感（任何分?jǐn)?shù)波片的確定都是針對某個(gè)固定波長的），從而使得此種偏振控制器也對波長敏感。最后，使用電動(dòng)機(jī)或其它機(jī)械器件旋轉(zhuǎn)波片，都會(huì)限制偏振控制器的控制速度。

其它選擇方案

基于相同原理的全光纖偏振控制器（如圖 1b 所示）即可以減少插入損耗，又可以降低成本。在這種裝置中，三個(gè)光纖線圈取代了自由空間的延遲波片，線圈彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，可以產(chǎn)生與線圈直徑平方成反比的雙折射效應(yīng)。調(diào)節(jié)光纖線圈的直徑和圈數(shù)即可得到任何希望得到的全光纖波片。

盡管插入損耗和生產(chǎn)成本都有所降低，這種偏振控制器仍然未能消除對波長敏感和控制速度慢的缺點(diǎn)。而且為了減少由光纖彎曲引入的插入損耗，光纖線圈必須具有很大的直徑，使得這種偏振控制器的體積通常會(huì)很大。因此，這種“米老鼠耳朵”形狀的偏振控制器主要局限在實(shí)驗(yàn)室中使用。

速度是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵要素，機(jī)械旋轉(zhuǎn)波片難以滿足在調(diào)節(jié)速度方面的要求。因此，人們開始開發(fā)基于 LiNbO 3 材料的快速偏振控制器（如圖 1c 所示）。這種偏振控制器由三個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，其中兩個(gè)波導(dǎo)用來充當(dāng)λ /4 波片，另一個(gè)用來充當(dāng)λ /2 波片。不再需要旋轉(zhuǎn)波片，兩個(gè)控制電壓和光電效應(yīng)即可決定各波片的相對取向（等效光軸的方向）。選取合適的電壓即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)波片取向的無限制旋轉(zhuǎn)。下面，舉例說明這三個(gè)波片的控制電壓：

其中， α , β , γ 是三個(gè)不斷調(diào)整的參數(shù)以確定與之對應(yīng)的波片的取向， V a 到 V i 是九個(gè)預(yù)先設(shè)定的電壓參數(shù)。

但不幸的是，用這種方法提高速度的代價(jià)是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所不能接受的。它的主要缺點(diǎn)是：高插入損耗（～ 3dB ）、高偏振相關(guān)損耗（～ 0.2dB ）、高啟動(dòng)損耗（～ 0.15dB ）以及昂貴的價(jià)格。并且，這種裝置至少有九個(gè)參數(shù)需要優(yōu)化，不僅使用復(fù)雜而且造價(jià)高。

一種替代的方法就是 Babinet-Soleil 補(bǔ)償器，它可以將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。這種裝置的核心器件是一個(gè)由兩個(gè)楔形雙折射晶體組成的復(fù)合波片（如圖 2a 所示）。波片厚度（對應(yīng)于總延遲）的變化可以通過兩塊晶體的相對滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，復(fù)合波片的取向可以繞光軸旋轉(zhuǎn)。

與前面提到的裝置（圖 1a ）相比，這種裝置具有對波長不敏感的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)任何波長的精確延遲。但這種裝置具有成本高、插入損耗高、調(diào)節(jié)速度慢等缺點(diǎn)。

為了降低成本、減少損耗，一種商標(biāo)為 PolaRITE 的全光纖偏振控制器（如圖 2b 所示）在 1996 年被開發(fā)出來。這種偏振控制器基于與 Babinet-Soleil 補(bǔ)償器相同的原理，由一個(gè)可繞光纖旋轉(zhuǎn)的光纖擠壓器組成。對光纖施予壓力以產(chǎn)生一個(gè)線性的雙折射，等效產(chǎn)生一個(gè)延遲隨壓力變化的全光纖波片。這樣僅僅通過簡單的擠壓和旋轉(zhuǎn)操作就可由任意輸入偏振態(tài)產(chǎn)生任何希望得到的輸出偏振態(tài)。

這種裝置不僅插入損耗低、成本低，而且與“米老鼠耳朵”形狀的偏振控制器相比，它還具有體積小、對波長不敏感的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得此種偏振控制器有益于集成到 WDM 模塊中使用。但是,與依靠機(jī)械旋轉(zhuǎn)的偏振控制器相同,這種器件的調(diào)節(jié)速度非常慢,以至于無法應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)的 PMD 補(bǔ)償。

偏振控制器還可以使用幾個(gè)取向成 45 o角的自由空間波片來實(shí)現(xiàn)（如圖 3a 所示）。每個(gè)波片的延遲隨加載的電壓變化；波片的取向固定。這種可變延遲波片可由液晶、電光晶體或電光陶瓷等材料制成。采用液晶材料的缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度慢，而電光晶體一般需要極高的工作電壓。這種類型的偏振控制器一般具有插入損耗高、成本高、以及由增透膜和微透鏡造成的工作帶寬窄等缺點(diǎn)。

全光纖解決方案

一種與圖 3a 所示裝置具有相同工作原理的全光纖偏振控制器（如圖 3b 所示）可以解決插入損耗高和成本高的問題。波片的延遲隨光纖擠壓器施加的壓力而變化。這種裝置的關(guān)鍵在于如何提高器件的可靠性、緊湊性和性價(jià)比。

在已商用化的 PolaRITE II 動(dòng)態(tài)偏振控制器中，壓電促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)擠壓器快速變化。由于是全光纖結(jié)構(gòu)，該器件不僅沒有背向反射，而且插入損耗和偏振相關(guān)損耗都極低。它的響應(yīng)速度為 30 μ s ，足夠跟蹤野外鋪設(shè)的光纖鏈路中速度最快的偏振態(tài)波動(dòng)。采用適當(dāng)?shù)目刂瞥绦颍瑹o需中斷即可實(shí)現(xiàn)無限制（無需重置）的偏振控制。

這種偏振控制器的啟動(dòng)損耗小于0.003dB,使其在高精度 PDL 測試儀器及偏振相關(guān)損害補(bǔ)償?shù)姆答伝芈分型瑯舆m用。而且它對波長也不敏感，對波長范圍在 1280nm ～ 1650nm 內(nèi)的信號具有一致的良好工作性能。

系統(tǒng)應(yīng)用

基于光纖擠壓器的動(dòng)態(tài)偏振控制器( DPC )具有插入損耗低、偏振相關(guān)損耗低、啟動(dòng)損耗低、背向反射小、高速度與低成本等優(yōu)點(diǎn)。如圖 5a -e 所示，在光通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，它是克服偏振相關(guān)損害的理想選擇。 DPC 在以下幾種應(yīng)用中都發(fā)揮著重要的作用：

★ PMD 補(bǔ)償：如圖 5a 所示，一個(gè)典型的一階 PMD 補(bǔ)償器由一個(gè)動(dòng)態(tài)偏振控制器和一個(gè)固定的或可變的差分群遲延線（ DGD ）組成 3 。使用在線偏振測試計(jì)測量 DOP 參數(shù)，可以監(jiān)測鏈路的 PMD 2 。隨后 DOP 信號被反饋回來以控制 DPC 和 DGD 。典型的 PMD 檢測和 DPC 響應(yīng)時(shí)間為 100μs 。

★ 偏振優(yōu)化：傳輸鏈路中的許多器件或模塊都是偏振敏感的，如光電(E-O)和電吸收(EA)調(diào)制器、光干涉計(jì)、外差光接收器等。在這樣的鏈路中使用一個(gè) DPC (如圖 5b)，即可通過優(yōu)化器件或模塊的輸出功率，實(shí)現(xiàn)偏振敏感度的最小化。這種方案同樣也可以用來降低許多無源器件的 PDL 效應(yīng)。

★ 減小偏振相關(guān)串?dāng)_：為了提高 DWDM 系統(tǒng)的頻譜效率，人們使用了兩種偏振相關(guān)的傳輸技術(shù)：偏振復(fù)用（ PDM ）技術(shù)，即同一波長的兩個(gè)正交偏振態(tài)的復(fù)用；偏振交錯(cuò)技術(shù)，即兩個(gè)偏振態(tài)正交的相鄰 WDM 信道的復(fù)用。圖 5c 所示的是偏振交錯(cuò)技術(shù)， DPC （后面緊跟著一個(gè)起偏器）被用來減小兩個(gè)相鄰信道的偏振相關(guān)串?dāng)_。

★ 偏振擾動(dòng)：基于光纖擠壓器的動(dòng)態(tài)偏振控制器也可以用做擾偏器，以得到高度隨機(jī)的偏振態(tài)。擾偏器帶有內(nèi)置的諧振增強(qiáng)電路，在擾偏頻率下的半波電壓只有幾伏。選擇合適的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，已經(jīng)成功地獲得了小于 0.05dB 的偏振敏感度和小于 1% 的偏振度。擾偏器的主要應(yīng)用包括：

★ 降低偏振相關(guān)增益：在傳輸系統(tǒng)中（如圖 5d ），由偏振相關(guān)增益（ PDG ）引起光放大器的性能降低可以通過擾偏來抑止。偏振相關(guān)增益與偏振度成正比，低的偏振度可以降低偏振燒孔效應(yīng)（ PHB ），減小偏振相關(guān)增益 5。當(dāng) SOP 的擾動(dòng)頻率大于光放大器響應(yīng)時(shí)間（ ms 級）的倒數(shù)時(shí)，偏振度就能夠達(dá)到最小。

★ 消除偏振敏感性：擾偏器可以用來消除儀器的偏振敏感性。一些光學(xué)儀器，如基于衍射光柵原理的光譜儀，對輸入光的偏振態(tài)敏感。擾動(dòng)輸入光的偏振態(tài)可以消除由偏振敏感引起的測量不確定性。

★ 簡化 PMD 補(bǔ)償：擾偏器可以用來簡化通信系統(tǒng)中的 PMD 補(bǔ)償 6 。低的殘余相位調(diào)制度對簡化 PMD 補(bǔ)償是非常關(guān)鍵的?；诠饫w擠壓器的擾偏器以其極低的殘余相位調(diào)制度，特別適合此種應(yīng)用。

★ PDL 監(jiān)測與補(bǔ)償：在光器件的制造過程中，快速而準(zhǔn)確的監(jiān)控 PDL 是非常重要的?；诠饫w擠壓器的動(dòng)態(tài)偏振控制器由于低 PDL 、低啟動(dòng)損耗以及對 PDL 測試準(zhǔn)確度的極大提高，在這些應(yīng)用中極富吸引力。在系統(tǒng)應(yīng)用中，為了監(jiān)測和補(bǔ)償沿鏈路的 PDL ，需要把快速擾偏器放置在光發(fā)射模塊之后，通過監(jiān)測由器件或光模塊（如 EDFA 等）的 PDL 引起的功率起伏，來監(jiān)控系統(tǒng)的 PDL 。通過反饋信號來控制動(dòng)態(tài)偏振控制器和產(chǎn)生 PDL 的器件，可以使功率起伏達(dá)到最小（如圖 5e 所示）。

總而言之，基于光纖擠壓器的動(dòng)態(tài)偏振控制器是克服光傳輸系統(tǒng)中偏振相關(guān)損害和監(jiān)測儀器偏振特性的關(guān)鍵元件。