第4章光的偏振及应用

1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 第第4章章 光的偏振及应用光的偏振及应用 4.1 偏振的基本概念偏振的基本概念 4.2 光纤的偏振特性和偏振模色散光纤的偏振特性和偏振模色散 4.3 偏振复用相干接收技术和系统偏振复用相干接收技术和系统 4.4 偏振复用的应用偏振复用的应用光子学与光电子学 原荣 邱琪 光波和声波同样都是波，但它们具有不同的性质。光波和声波同样都是波，但它们具有不同的性质。 声波是在它的行进方向上，以反复地强弱变化来传播的疏声波是在它的行进方向上，以反复地强弱变化来传播的疏密纵波；密纵波； 而光波却是在与传播方向垂直的平面内振动的横波（见而光波却是在与传播方向垂直的平面内振动的横波

2、（见1.3.1节）。自然光在垂直于它行进方向（节）。自然光在垂直于它行进方向（z轴）的平面内轴）的平面内（由（由 y 轴和轴和 x 轴构成的平面）的所有方向上都有振动，如轴构成的平面）的所有方向上都有振动，如图图4.1.4（a）所示，我们把这种光称为非偏振光。）所示，我们把这种光称为非偏振光。 自然光在晶体中振动方向要受到限制，它只允许在某一特自然光在晶体中振动方向要受到限制，它只允许在某一特定方向上振动的光通过，定方向上振动的光通过，如图如图4.1.1（a）图）图4.1.1 （c）和图）和图4.1.4（b）图）图4.1.4d所示所示。我们把这种只在特定方向上振动我们把这种只在特定方向上振动的

3、光称为偏振光。的光称为偏振光。4.1 偏振的基本概念偏振的基本概念光子学与光电子学 原荣 邱琪 线性偏振光线性偏振光光的偏振（也称极化）描述当它通过晶体介质传输时其电场的特性。光的偏振（也称极化）描述当它通过晶体介质传输时其电场的特性。线性偏振光是它的电场振荡方向和传播方向总在一个平面内（振荡平面），线性偏振光是它的电场振荡方向和传播方向总在一个平面内（振荡平面），如图如图4.1.1a所示，因此线性偏振光是平面偏振波。所示，因此线性偏振光是平面偏振波。与此相反，非偏振光是一束光在每个垂直与此相反，非偏振光是一束光在每个垂直z方向的随机方向都具有电场方向的随机方向都具有电场E，如图如图4.1.4

4、a所示。所示。如果把一束非偏振光波通过一个偏振片就可以使它变成线性偏振光，因为如果把一束非偏振光波通过一个偏振片就可以使它变成线性偏振光，因为偏振片把电场振荡仅局限在与传输方向垂直的一个平面内，这个偏振片就偏振片把电场振荡仅局限在与传输方向垂直的一个平面内，这个偏振片就叫做起偏器，如图叫做起偏器，如图5.2.3所示。所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.1.2 右圆偏振光传播距离时的瞬间图像右圆偏振光传播距离时的瞬间图像 电场除简单的线性偏振外，还有许多偏振特性。例如，场矢电场除简单的线性偏振外，还有许多偏振特性。例如，场矢量量E的幅度保持恒定不变，总是垂直于的幅度保持恒定不变，总是垂直

5、于z轴，但是在轴，但是在z方向给定方向给定位置上，电场幅度最大点随时间顺时针旋转的轨迹，如光波位置上，电场幅度最大点随时间顺时针旋转的轨迹，如光波的观察者所见到的那样，在一个波长的传输距离内其轨迹是的观察者所见到的那样，在一个波长的传输距离内其轨迹是一个圆，此时的电磁波称为右圆偏振光，如图一个圆，此时的电磁波称为右圆偏振光，如图4.1.2所示。所示。 图图4.1.2表示圆偏振光传播距离时的瞬间图像，此时场矢量表示圆偏振光传播距离时的瞬间图像，此时场矢量E的旋转角是的旋转角是 (2)k zz 光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.1.3 线性偏振光与圆偏振光比较线性偏振光与圆偏振光比较光子学与光

6、电子学 原荣 邱琪 图图4.1.4 非偏振光、线偏振光和非偏振光、线偏振光和椭圆偏振光的区别椭圆偏振光的区别 矢量矢量E在在z轴给定空间位置上随时间传播时，其幅度最大点的轨迹轴给定空间位置上随时间传播时，其幅度最大点的轨迹是椭圆，所以称这种光是椭圆偏振光，或椭圆光，它也有右椭圆是椭圆，所以称这种光是椭圆偏振光，或椭圆光，它也有右椭圆偏振光和左椭圆偏振光之分。偏振光和左椭圆偏振光之分。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.2 光纤的偏振特性和偏振模色散光纤的偏振特性和偏振模色散光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.3 偏振复用相干接收技术和系统偏振复用相干接收技术和系统 在直接检测接收机中，信号光的极

7、化（偏振）态在直接检测接收机中，信号光的极化（偏振）态不起作用，这是因为这种接收机产生的光电流只不起作用，这是因为这种接收机产生的光电流只与入射光子数有关，而与它们的偏振态无关。但与入射光子数有关，而与它们的偏振态无关。但是，在相干接收机中，要求接收机信号光的偏振是，在相干接收机中，要求接收机信号光的偏振态要与本振光的偏振态匹配，并且还要保证匹配态要与本振光的偏振态匹配，并且还要保证匹配是持续保持的。否则，任何瞬时的失配都将导致是持续保持的。否则，任何瞬时的失配都将导致数据的丢失。目前主要有下述三种方法来完成偏数据的丢失。目前主要有下述三种方法来完成偏振匹配任务，即偏振控制、偏振分集接收和发送

8、振匹配任务，即偏振控制、偏振分集接收和发送机中的偏振扰动。下面介绍：机中的偏振扰动。下面介绍： 4.3.1 相干检测偏振分集接收相干检测偏振分集接收 4.3.2 偏振复用相干接收传输系统偏振复用相干接收传输系统 4.3.3 偏振复用相干接收无中继传输试验系统偏振复用相干接收无中继传输试验系统光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.3.1 相干检测偏振分集接收相干检测偏振分集接收图图4.3.1 偏振分集相干接收机偏振分集相干接收机 用一个偏振光束分配器（用一个偏振光束分配器（PBS）获得两个正交偏振成分输）获得两个正交偏振成分输出信号，然后分别送到完全相同的两个接收支路进行处理。出信号，然后分别送到完

9、全相同的两个接收支路进行处理。 当在两个支路产生的光电流平方相加后，其输出信号就与当在两个支路产生的光电流平方相加后，其输出信号就与偏振无关。偏振无关。光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.3.2 偏振复用相干接收传输系统偏振复用相干接收传输系统 从从4.2节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光纤中，基模纤中，基模 LP01是由两个相互正交的线性偏振模是由两个相互正交的线性偏振模TE模和模和TM模组成的。模组成的。 我们可以把我们可以把QPSK调制的数据分别去调制调制的数据分别去调制x偏振光偏振光（TE模）和模）和y偏振光（偏振光（TM模），如图模），如图4.

10、3.2（a）所）所示。示。 调制后的调制后的x偏振光和偏振光和y偏振光首先经偏振合波器合偏振光首先经偏振合波器合波，进行偏振分割复用（波，进行偏振分割复用（PM），简称偏振复用。），简称偏振复用。 然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（SI）复用，如图复用，如图4.3.2（b）所示，最后送入光纤传输。）所示，最后送入光纤传输。 在接收端，进行相反的变换，解调出原来的数据。在接收端，进行相反的变换，解调出原来的数据。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.3.2 偏振复用偏振复用+间插复用间插复用/相干接收相干接收传输试验系统原理图传输试验系统原理图（a）偏

11、振复用）偏振复用+间插复用间插复用80 40 Gb/s WDM系统实验原理图系统实验原理图光子学与光电子学 原荣 邱琪 （b）WDM系系统偏振统偏振复用复用+奇奇偶波长偶波长信道间信道间插复用插复用图解原图解原理说明理说明A点偏振复用后波形B点偏振复用后波形xy偏振态xy光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.3.3 偏振复用相干接收偏振复用相干接收无中继传输试验系统无中继传输试验系统 今天，几乎所有新铺设的无中继传输系统都工作在今天，几乎所有新铺设的无中继传输系统都工作在10 Gb/s速率。然而，为了满足用户对传输容量的需求，科学速率。然而，为了满足用户对传输容量的需求，科学家们对传输速率提升到家

12、们对传输速率提升到40 Gb/s或以上更感兴趣。在这些或以上更感兴趣。在这些高比特率传输技术中，偏振复用（高比特率传输技术中，偏振复用（PDM）相移键控调制）相移键控调制/相干接收看来是一种优选的方案，因为数字信号处理技术相干接收看来是一种优选的方案，因为数字信号处理技术可以补偿色度色散（可以补偿色度色散（CD）和偏振模色散（）和偏振模色散（PMD），于是），于是可以将已经铺设的系统升级。可以将已经铺设的系统升级。 海底无中继传输系统有两种不同的发展倾向，一种是尽量海底无中继传输系统有两种不同的发展倾向，一种是尽量扩大传输距离，即使只有几个信道也行；另一种是尽量增扩大传输距离，即使只有几个信道

13、也行；另一种是尽量增加信道数量，以便提供大于加信道数量，以便提供大于1 Tb/s的线路容量。的线路容量。 直到目前为止，已经实验演示了以下几种直到目前为止，已经实验演示了以下几种WDM系统：系统：64 40 Gb/s传输距离传输距离230 km，32 40 Gb/s距离距离402 km，26 100 Gb/s距离距离401 km，40 100 Gb/s距离距离365 km。光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.3.3 偏振复用偏振复用+光频间插复用光频间插复用/相干接收相干接收WDM传输试验系统原理图传输试验系统原理图将将64个波长信道分成两组，奇数信道为一组，偶数信道为另一组，分别个波长信道

14、分成两组，奇数信道为一组，偶数信道为另一组，分别复用后的复用后的WDM光信号通过光信号通过MZ外调制器分别被外调制器分别被21.4 Gb/s的的RZ-BPSK伪伪随机序列信号调制。随机序列信号调制。奇奇/偶波长复用光分别分解成偶波长复用光分别分解成x偏振光和偏振光和y偏振光，其中偏振光，其中y偏振光在时间上偏振光在时间上比比x偏振光延迟几百个符号（时延为偏振光延迟几百个符号（时延为 ），然后通过偏振合波器（），然后通过偏振合波器（PBC）在时间上交替偏振复用在一起，如图在时间上交替偏振复用在一起，如图4.3.3（b）所示。）所示。然后，奇数波长然后，奇数波长BPSK偏振复用光和偶数波长偏振复用

15、光和偶数波长BPSK偏振复用光通过光频偏振复用光通过光频交错器（交错器（IL）又间插复用在一起，从而构成一个）又间插复用在一起，从而构成一个43 Gb/s的的PDM-RZ-BPSK信号，如图信号，如图4.3.3（c）所示，送入）所示，送入EYDFA光放大器。光放大器。光子学与光电子学 原荣 邱琪 （b）BPSK偏振复用以便提高线路速率原理说明偏振复用以便提高线路速率原理说明（c）WDM系统奇偶波长信道间插复用以便增加波长数系统奇偶波长信道间插复用以便增加波长数光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.4 偏振复用的应用偏振复用的应用 4.4.1 偏振复用正交频分复用（偏振复用正交频分复用（OFDM）光

16、）光纤传输系统纤传输系统 4.4.2 偏振复用将低速信号提升到高速信号偏振复用将低速信号提升到高速信号 4.4.3 偏振复用提高光信噪比偏振复用提高光信噪比 光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.4.1 偏振复用正交频分复用偏振复用正交频分复用（OFDM）光纤传输系统）光纤传输系统（a）偏振复用光纤信道）偏振复用光纤信道2 2 MIMO-OFDM系统原理图系统原理图图图4.4.1 偏振复用偏振复用 MIMO-OFDM系统原系统原理构成及其有关点波形理构成及其有关点波形光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.4.1 偏振复用偏振复用 MIMO-OFDM系统原理构系统原理构成及其有关点波形成及其有关点波

17、形光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.4.2 偏振复用将低速信号提升到高速信号偏振复用将低速信号提升到高速信号常采用三种途径提高线路速率和频谱效率，一种是采用先进的复用技术，常采用三种途径提高线路速率和频谱效率，一种是采用先进的复用技术，如偏振复用和光正交频分复用（如偏振复用和光正交频分复用（O-OFDM）；）；第第2种是采用多电平调制技术，如正交幅度调制（种是采用多电平调制技术，如正交幅度调制（QAM）和差分相移键）和差分相移键控（控（DPSK）等调制；）等调制；第第3种是提高符号率，如图种是提高符号率，如图4.4.2（a）所示。比如对于采用偏振复用）所示。比如对于采用偏振复用QPSK调制（调

18、制（m = 4）的系统，只要传输符合率达到）的系统，只要传输符合率达到28 GS/s，就可以实现，就可以实现每个载波（每个载波（n = 1）112 Gb/s线路速率，如图线路速率，如图4.4.2（a）右上角所示。）右上角所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 图图4.4.3 采用采用QPSK调制调制+2个副载波调制个副载波调制+偏振复用偏振复用CO-OFDM技术使技术使13.9 Gb/s数据信号数据信号提升到提升到111 Gb/s线路信号线路信号 光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.4.3 偏振复用提高光信噪比偏振复用提高光信噪比 光子学与光电子学 原荣 邱琪 4.4.4 偏光式偏光式3D眼镜眼镜3D眼镜也称立体眼镜，是一种用来观看眼镜也称立体眼镜，是一种用来观看3D电视、电视、3D电影和电影和3D游戏影像游戏影像的特别眼镜。的特别眼镜。3D眼镜的工作原理是令两只眼睛接收不同的影像，大脑会眼镜的工作原理是令两只眼睛接收不同的影像，大脑会将两边的影像合并（复用）起来，造成立体的效果。将两边的影像合并（复用）起来，造成立体的效果。平时我们用两只眼睛看物体才能产生立体感，偏振光眼镜就是模拟这种平时我们用两只眼睛看物体才能产生立体感，偏振光眼镜就是模拟这种情况。情况。拍摄场景时，如人眼那样，也用一左一右两个镜头，从两个不同的方向拍摄场景时，如人眼那样，也用一左一右两个镜头，从两