光纤通信系统中的偏振效应

1、光纤通信系统中的偏振效应随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高WDM系统中单信道 的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。mil，单波长传输速率为10Gb/s的 WDM系统正在建设使用中，而传输速率为40Gb/s的WDM系统也已经进入了人们的 视野。在传输速率提高的同时，通信系统对光纤中的偏振模色散（PMD）、电光调制器中 的偏振相关调制（PDM）,以及光放大器中的偏振相关增益（PDG）等一系列由偏振 引起的损害也越来越敬感1。这些损害主要是山光纤本身的缺陷造成的，在理想化 的光纤中，传输光的偏振态（SOP）不会发生变化，这些山偏振效应引起的损害也 很容易消除。而在实际使用的标准通

2、信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化 的（一般来说，普通光纤的输出光为椭圆偏振光，椭圆度不断变化，主轴相对于参 考方向成任意角度），产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯 的不规则性等因素引起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温 度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不 可预知性。山于偏振相关损害是随时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可 适应随机变化的。动态偏振控制用于PMD补偿的动态偏振控制器是克服这些损害的最重要的器件，它能够将任意给 定的偏振态转变为任何希望得到的偏振态。除了插入损耗低、回波损耗高等优点 外，理想的动

3、态偏振控制器还应具备以下儿个重要的性能参数：1、高响应速度是对快速变化的偏振态进行跟踪的必备要素。外界环境会对已铺设 的光缆造成不同程度的影响，如火车经过时的振动对沿铁路铺设的光缆、海浪拍击 对海底光缆都会产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化。U 前，使用PMD记录仪现场测量，已经可以观测到量级为儿个毫秒的快速起伏变化。 因此，用于PMD补偿的动态偏振控制器的响应时间必需小于1ms。在实际应用中， 动态偏振控制器的响应时间要求小于100 P so2、启动损耗，它量度了启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能 的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值。由于所有偏振相

4、关损害的补偿 机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的，所以，控制器启动 时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误，从而直接导致仪器的性能下 降。另外，在使用偏振控制器进行PDL测量的仪器中，启动损耗还会限制仪器测量 的分辨率和准确度。类似的，偏振控制器自身的PDL也会使反馈信号产生错误，使 补偿的软件、硬件设计变得非常复杂。3、宽工作带宽对密集波分复用（DWDM）系统来说是非常重要的。足够宽的工作带 宽可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，这样不仅可以简化系统的设 计，降低系统成本，而且使系统带宽扩展成为可能。4、偏振控制器的无中断调节也是非常重要的一个特性。因为

5、，在对光网络中，任 何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断。目前，商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方 位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、方位角可变的波片组成：还有一 种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。其中，基于固定延迟波片的偏振控制器是波长敬感的，依靠机械旋转来调节波片的 偏振控制器调节速度非常慢，除了这些固有的限制外，以上三种方法原则上都是可 行的，但具体的实现手段将直接决定产品的性能、成本和可靠性。图1是一个典型的偏振控制器的结构图，它由三个可旋转的波片组成，一个入/2 (HWP)波片处于两个X/4 (QWP)波片中间，每个波片都可沿着

6、光轴相对于其它 波片自III转动。第一个入/4波片的作用是将任意输入偏振光转变为线偏振光，然 后入/2波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏振方向，于是笫二个入/4波片 就能将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态。在这种实现方法中，波片的延 迟是固定的，但波片的相对角度是可变的。虽然，这种方法应用在商用化的产品中已经颇见成效，但这项技术毕竟存在很多缺 点。首先，光线的准直、对轴、聚焦不仅费时，而且耗费众多劳力。其次，波片、 微透镜等元件都价格不菲，并且需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射。再次， 曲于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出，然后再将其聚焦进入另一根光纤， 以至于插入损耗大。而且

7、，波片本身就对波长敬感(任何分数波片的确定都是针对 某个固定波长的)，从而使得此种偏振控制器也对波长敬感。最后，使用电动机或 其它机械器件旋转波片，都会限制偏振控制器的控制速度。其它选择方案 基于相同原理的全光纤偏振控制器（如图lb所示）即可以减少插入损耗，乂可以 降低成本。在这种装置中，三个光纤线圈取代了自由空间的延迟波片，线圈弯曲产 生的应力，可以产生与线圈直径平方成反比的双折射效应。调节光纤线圈的直径和 圈数即可得到任何希望得到的全光纤波片。尽管插入损耗和生产成本都有所降低，这种偏振控制器仍然未能消除对波长敬感和 控制速度慢的缺点。而且为了减少由光纤弯曲引入的插入损耗，光纤线圈必须具有

8、很大的直径，使得这种偏振控制器的体积通常会很大。因此，这种“米老鼠耳朵” 形状的偏振控制器主要局限在实验室中使用。速度是网络技术发展的一个关键要素，机械旋转波片难以满足在调节速度方面的要 求。因此，人们开始开发基于LiNbO3材料的快速偏振控制器（如图lc所示）。这 种偏振控制器由三个波导结构组成，其中两个波导用来充当入/4波片，另一个用 来充当入/2波片。不再需要旋转波片，两个控制电压和光电效应即可决定各波片 的相对取向（等效光轴的方向）。选取合适的电压即可实现每个波片取向的无限制 旋转。但不幸的是，用这种方法提高速度的代价是网络应用所不能接受的。它的主要缺点 是：高插入损耗（3dB）、高偏

9、振相关损耗（0. 2dB）、高启动损耗（0. lodB）以及昂贵的价格。并且，这种装置至少有九个参数需要优化，不仅使用复 杂而且造价高。一种替代的方法就是Babinet-Soleil补偿器，它可以将任意输入的偏振态转变为 任何希望得到的输出偏振态。这种装置的核心器件是一个由两个楔形双折射晶体组 成的复合波片（如图2d所示）。波片片度（对应于总延迟）的变化可以通过两块 晶体的相对滑动来实现；同时，复合波片的取向可以绕光轴旋转。与前面提到的装置（图Id）相比，这种装置具有对波长不敬感的优点，因为 它可以实现任何波长的精确延迟。但这种装置具有成本高、插入损耗高、调节速度 慢等缺点。为了降低成本、减少

10、损耗，一种商标为PolaRITE的全光纤偏振控制器（如图2b所 示）在1996年被开发出来。这种偏振控制器基于与Babinet-Solei 1补偿器相同的 原理，由一个可绕光纤旋转的光纤挤压器组成。对光纤施予压力以产生一个线性的 双折射，等效产生一个延迟随压力变化的全光纤波片。这样仅仅通过简单的挤压和 旋转操作就可由任意输入偏振态产生任何希望得到的输出偏振态。这种装置不仅插入损耗低、成本低，而且与“米老鼠耳朵”形状的偏振控制器相 比，它还具有体积小、对波长不墩感的优点。这些优点使得此种偏振控制器有益于 集成到WDM模块中使用。但是，与依靠机械旋转的偏振控制器相同，这种器件的调 节速度非常慢，以

11、至于无法应用于光纤网络的PMD补偿。偏振控制器还可以使用儿个取向成45。角的自山空间波片来实现（如图3d所示）。每个波片的延迟随加载的电压变化；波片的取向固定。这种可变延迟波片可 山液晶、电光晶体或电光陶瓷等材料制成。采用液晶材料的缺点是调节速度慢，而 电光晶体一般需要极高的工作电压。这种类型的偏振控制器一般具有插入损耗高、 成本高、以及山增透膜和微透镜造成的工作带宽窄等缺点。全光纤解决方案一种与图3a所示装置具有相同工作原理的全光纤偏振控制器（如图3b所 示）可以解决插入损耗高和成本高的问题。波片的延迟随光纤挤压器施加的压力而 变化。这种装置的关键在于如何提高器件的可靠性、紧凑性和性价比。在

12、已商用化的PolaRITEII动态偏振控制器中，压电促动器驱动挤压器快速变 化。山于是全光纤结构，该器件不仅没有背向反射，而且插入损耗和偏振相关损耗 都极低。它的响应速度为30 us,足够跟踪野外铺设的光纤链路中速度最快的偏振 态波动。采用适当的控制程疗;，无需中断即可实现无限制（无需重置）的偏振控 制。这种偏振控制器的启动损耗小于0. 003dB,使其在高精度PDL测试仪器及偏振相关 损害补偿的反馈回路中同样适用。而且它对波长也不墩感，对波长范围在1280nm 1650nm内的信号具有一致的良好匸作性能。系统应用基于光纤挤压器的动态偏振控制器（DPC）具有插入损耗低、偏振相关损耗低、启 动损

13、耗低、背向反射小、高速度与低成本等优点。如图5re所示，在光通信系统 的应用中，它是克服偏振相关损害的理想选择。DPC在以下儿种应用中都发挥着重 要的作用：PMD补偿：如图5a所示，一个典型的一阶PMD补偿器由一个动态偏振控制器 和一个固定的或可变的差分群迟延线（DGD）组成3。使用在线偏振测试计测量DOP 参数，可以监测链路的PMD2o随后DOP信号被反馈回来以控制DPC和DGD=典型的 PMD检测和DPC响应时间为100 u so 偏振优化：传输链路中的许多器件或模块都是偏振墩感的，如光电（E-0）和电吸 收（EA）调制器、光干涉计、外差光接收器等。在这样的链路中使用一个DPC （如 图5

14、b）,即可通过优化器件或模块的输出功率，实现偏振敏感度的最小化。这种 方案同样也可以用来降低许多无源器件的PDL效应。减小偏振相关串扰：为了提高DWDM系统的频谱效率，人们使用了两种偏振相关的 传输技术：偏振复用（PDM）技术，即同一波长的两个正交偏振态的复用；偏振交 错技术，即两个偏振态正交的相邻WDM信道的复用。图5c所示的是偏振交错技 术，DPC （后面紧跟着一个起偏器）被用来减小两个相邻信道的偏振相关串扰。 偏掘扰动：基于光纤挤压器的动态偏振控制器也可以用做扰偏器，以得到高度随机 的偏振态。扰偏器带有内置的谐振增强电路，在扰偏频率下的半波电压只有儿伏。 选择合适的驱动参数，已经成功地获

15、得了小于0. 05dB的偏振敬感度和小于1%的偏 振度。扰偏器的主要应用包括：降低偏振相关增益：在传输系统中（如图5d），由偏振相关增益（PDG）引起 光放大器的性能降低可以通过扰偏来抑止。偏振相关增益与偏振度成正比，低的偏 振度可以降低偏振烧孔效应（PHB）,减小偏振相关增益5。当SOP的扰动频率大 于光放大器响应时间（ms级）的倒数时，偏振度就能够达到最小。消除偏振敬感性：扰偏器可以用来消除仪器的偏振敬感性。一些光学仪器，如 基于衍射光栅原理的光谱仪，对输入光的偏振态敬感。扰动输入光的偏振态可以消 除山偏振敬感引起的测量不确定性。简化PHD补偿：扰偏器可以用来简化通信系统中的PHD补偿6。低的残余相位 调制度对简化PMD补偿是非常关键的。基于光纤挤压器的扰偏器以其极低的残余相 位调制度，特别适合此种应用。PDL监测与补偿：在光器件的制造过程中，快速而准确的监控PDL是非常重要的。