光纖通信系統中的偏振效應是什么?

隨著通信技術的飛速發展，電信運營商們正在不斷地提高 WDM 系統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 系統正在建設使用中，而傳輸速率為 40Gb/s 的 WDM 系統也已經進入了人們的視野。

在傳輸速率提高的同時，通信系統對光纖中的偏振模色散（ PMD ）、電光調制器中的偏振相關調制（ PDM ），以及光放大器中的偏振相關增益（ 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（ SOP ）不會發生變化，這些由偏振效應引起的損害也很容易消除。而在實際使用的標準通信光纖中，傳輸光的偏振態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），產生這種變化的原因是光纖中由熱應力、機械應力以及纖芯的不規則性等因素引起的不規則雙折射。更糟糕的是，光纖中的雙折射效應是隨溫度、壓力、應力以及其它環境因素不斷變化的，這就大大增加了偏振相關損害的不可預知性。由于偏振相關損害是隨時間變化的，消除他們的方法必須是動態的、可適應隨機變化的。

動態偏振控制

用于 PMD 補償的動態偏振控制器是克服這些損害的最重要的器件，它能夠將任意給定的偏振態轉變為任何希望得到的偏振態。除了插入損耗低、回波損耗高等優點外，理想的動態偏振控制器還應具備以下幾個重要的性能參數：

1 、高響應速度是對快速變化的偏振態進行跟蹤的必備要素。外界環境會對已鋪設的光纜造成不同程度的影響，如火車經過時的振動對沿鐵路鋪設的光纜、海浪拍擊對海底光纜都會產生很大的影響，使光纜中傳輸光的偏振狀態發生快速變化。目前，使用 PMD 記錄儀現場測量，已經可以觀測到量級為幾個毫秒的快速起伏變化。因此，用于 PMD 補償的動態偏振控制器的響應時間必需小于1ms。在實際應用中，動態偏振控制器的響應時間要求小于 100μs 。

2 、啟動損耗，它量度了啟動偏振控制器時所引入的插入損耗，定義為在所有可能的啟動條件下最大插入損耗和最小插入損耗的差值。由于所有偏振相關損害的補償機制都是利用反饋信號來激活偏振控制器進行動態偏振控制的，所以，控制器啟動時所產生的損耗和波動都可能會使反饋信號產生錯誤，從而直接導致儀器的性能下降。另外，在使用偏振控制器進行 PDL 測量的儀器中，啟動損耗還會限制儀器測量的分辨率和準確度。類似的，偏振控制器自身的 PDL 也會使反饋信號產生錯誤，使補償的軟件、硬件設計變得非常復雜。

3、寬工作帶寬對密集波分復用( DWDM )系統來說是非常重要的。足夠寬的工作帶寬可以使偏振控制器在不同信道具有相同的工作性能，這樣不僅可以簡化系統的設計，降低系統成本，而且使系統帶寬擴展成為可能。

4、偏振控制器的無中斷調節也是非常重要的一個特性。因為，在對光網絡中，任何偏振狀態的重置都可能引起不可預料的信號中斷。

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

其中，基于固定延遲波片的偏振控制器是波長敏感的，依靠機械旋轉來調節波片的偏振控制器調節速度非常慢，除了這些固有的限制外，以上三種方法原則上都是可行的，但具體的實現手段將直接決定產品的性能、成本和可靠性。

圖 1 是一個典型的偏振控制器的結構圖，它由三個可旋轉的波片組成，一個λ /2 （ HWP ）波片處于兩個λ /4 （ QWP ）波片中間，每個波片都可沿著光軸相對于其它波片自由轉動。第一個λ /4 波片的作用是將任意輸入偏振光轉變為線偏振光，然后λ /2 波片將此線偏振光旋轉到任一希望得到的偏振方向，于是第二個λ /4 波片就能將該偏振光轉變為任何希望得到的輸出偏振態。在這種實現方法中，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，這種方法應用在商用化的產品中已經頗見成效，但這項技術畢竟存在很多缺點。首先，光線的準直、對軸、聚焦不僅費時，而且耗費眾多勞力。其次，波片、微透鏡等元件都價格不菲，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（任何分數波片的確定都是針對某個固定波長的），從而使得此種偏振控制器也對波長敏感。最后，使用電動機或其它機械器件旋轉波片，都會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，三個光纖線圈取代了自由空間的延遲波片，線圈彎曲產生的應力，可以產生與線圈直徑平方成反比的雙折射效應。調節光纖線圈的直徑和圈數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。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驗室中使用。

速度是網絡技術發展的一個關鍵要素，機械旋轉波片難以滿足在調節速度方面的要求。因此，人們開始開發基于 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波導結構組成，其中兩個波導用來充當λ /4 波片，另一個用來充當λ /2 波片。不再需要旋轉波片，兩個控制電壓和光電效應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現每個波片取向的無限制旋轉。下面，舉例說明這三個波片的控制電壓：

其中， α , β , γ 是三個不斷調整的參數以確定與之對應的波片的取向， V a 到 V i 是九個預先設定的電壓參數。

但不幸的是，用這種方法提高速度的代價是網絡應用所不能接受的。它的主要缺點是：高插入損耗（～ 3dB ）、高偏振相關損耗（～ 0.2dB ）、高啟動損耗（～ 0.15dB ）以及昂貴的價格。并且，這種裝置至少有九個參數需要優化，不僅使用復雜而且造價高。

一種替代的方法就是 Babinet-Soleil 補償器，它可以將任意輸入的偏振態轉變為任何希望得到的輸出偏振態。這種裝置的核心器件是一個由兩個楔形雙折射晶體組成的復合波片（如圖 2a 所示）。波片厚度（對應于總延遲）的變化可以通過兩塊晶體的相對滑動來實現；同時，復合波片的取向可以繞光軸旋轉。

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點，因為它可以實現任何波長的精確延遲。但這種裝置具有成本高、插入損耗高、調節速度慢等缺點。

為了降低成本、減少損耗，一種商標為 PolaRITE 的全光纖偏振控制器（如圖 2b 所示）在 1996 年被開發出來。這種偏振控制器基于與 Babinet-Soleil 補償器相同的原理，由一個可繞光纖旋轉的光纖擠壓器組成。對光纖施予壓力以產生一個線性的雙折射，等效產生一個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操作就可由任意輸入偏振態產生任何希望得到的輸出偏振態。

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、對波長不敏感的優點。這些優點使得此種偏振控制器有益于集成到 WDM 模塊中使用。但是,與依靠機械旋轉的偏振控制器相同,這種器件的調節速度非常慢,以至于無法應用于光纖網絡的 PMD 補償。

偏振控制器還可以使用幾個取向成 45 o角的自由空間波片來實現（如圖 3a 所示）。每個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是調節速度慢，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。

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。這種裝置的關鍵在于如何提高器件的可靠性、緊湊性和性價比。

在已商用化的 PolaRITE II 動態偏振控制器中，壓電促動器驅動擠壓器快速變化。由于是全光纖結構，該器件不僅沒有背向反射，而且插入損耗和偏振相關損耗都極低。它的響應速度為 30 μ s ，足夠跟蹤野外鋪設的光纖鏈路中速度最快的偏振態波動。采用適當的控制程序，無需中斷即可實現無限制（無需重置）的偏振控制。

這種偏振控制器的啟動損耗小于0.003dB,使其在高精度 PDL 測試儀器及偏振相關損害補償的反饋回路中同樣適用。而且它對波長也不敏感，對波長范圍在 1280nm ～ 1650nm 內的信號具有一致的良好工作性能。

系統應用

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

★ PMD 補償：如圖 5a 所示，一個典型的一階 PMD 補償器由一個動態偏振控制器和一個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測量 DOP 參數，可以監測鏈路的 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 響應時間為 100μs 。

★ 偏振優化：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)調制器、光干涉計、外差光接收器等。在這樣的鏈路中使用一個 DPC (如圖 5b)，即可通過優化器件或模塊的輸出功率，實現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。

★ 減小偏振相關串擾：為了提高 DWDM 系統的頻譜效率，人們使用了兩種偏振相關的傳輸技術：偏振復用（ PDM ）技術，即同一波長的兩個正交偏振態的復用；偏振交錯技術，即兩個偏振態正交的相鄰 WDM 信道的復用。圖 5c 所示的是偏振交錯技術， DPC （后面緊跟著一個起偏器）被用來減小兩個相鄰信道的偏振相關串擾。

★ 偏振擾動：基于光纖擠壓器的動態偏振控制器也可以用做擾偏器，以得到高度隨機的偏振態。擾偏器帶有內置的諧振增強電路，在擾偏頻率下的半波電壓只有幾伏。選擇合適的驅動參數，已經成功地獲得了小于 0.05dB 的偏振敏感度和小于 1% 的偏振度。擾偏器的主要應用包括：

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

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

★ 簡化 PMD 補償：擾偏器可以用來簡化通信系統中的 PMD 補償 6 。低的殘余相位調制度對簡化 PMD 補償是非常關鍵的。基于光纖擠壓器的擾偏器以其極低的殘余相位調制度，特別適合此種應用。

★ PDL 監測與補償：在光器件的制造過程中，快速而準確的監控 PDL 是非常重要的。基于光纖擠壓器的動態偏振控制器由于低 PDL 、低啟動損耗以及對 PDL 測試準確度的極大提高，在這些應用中極富吸引力。在系統應用中，為了監測和補償沿鏈路的 PDL ，需要把快速擾偏器放置在光發射模塊之后，通過監測由器件或光模塊（如 EDFA 等）的 PDL 引起的功率起伏，來監控系統的 PDL 。通過反饋信號來控制動態偏振控制器和產生 PDL 的器件，可以使功率起伏達到最小（如圖 5e 所示）。

總而言之，基于光纖擠壓器的動態偏振控制器是克服光傳輸系統中偏振相關損害和監測儀器偏振特性的關鍵元件。