第4章 光偏振与应用.pptVIP

光子学与光电子学 原荣 邱琪 第4章 光的偏振及应用 4.1 偏振的基本概念 4.2 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 4.4 偏振复用的应用 4.1 偏振的基本概念 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1.3.1节）。自然光在垂直于它行进方向（z轴）的平面内（由 y 轴和 x 轴构成的平面）的所有方向上都有振动，如图4.1.4（a）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，它只允许在某一特定方向上振动的光通过，如图4.1.1（a）～图4.1.1 （c）和图4.1.4（b）～图4.1.4d所示。我们把这种只在特定方向上振动的光称为偏振光。 线性偏振光 图4.1.2 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，场矢量E的幅度保持恒定不变，总是垂直于z轴，但是在z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4.1.2所示。 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E的旋转角是 图4.1.3 线性偏振光与圆偏振光比较 图4.1.4 非偏振光、线偏振光和 椭圆偏振光的区别 4.2 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 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机中的偏振扰动。下面介绍： 4.3.1 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 4.3.3 偏振复用相干接收无中继传输试验系统 4.3.1 相干检测偏振分集接收 图4.3.1 偏振分集相干接收机 用一个偏振光束分配器（PBS）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。 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。 4.3.2 偏振复用相干接收传输系统 从4.2节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光纤中，基模 LP01是由两个相互正交的线性偏振模TE模和TM模组成的。 我们可以把QPSK调制的数据分别去调制x偏振光（TE模）和y偏振光（TM模），如图4.3.2（a）所示。 调制后的x偏振光和y偏振光首先经偏振合波器合波，进行偏振分割复用（PM），简称偏振复用。 然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（SI）复用，如图4.3.2（b）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。 （b）WDM系统偏振复用+奇偶波长信道间插复用图解原理说明 4.3.3 偏振复用相干接收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10 Gb/s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40 Gb/s或以上更感兴趣。在这些高比特率传输技术中，偏振复用（PDM）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可以补偿色度色散（CD）和偏振模色散（PMD），于是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，一种是尽量扩大传输距离，即使只有几个信道也行；另一种是尽量增加信道数量，以便提供大于1 Tb/s的线路容量。 直到目前为止，已经实验演示了以下几种WDM系统：64?40 Gb/s传输距离230 km，32?40 Gb/s距离402 km，26?100 Gb/s距离401 km，40?100 Gb/s距离365 km。 图4.3.3 偏振复用+光频间插复用/相干接收WDM传输试验系统原理图 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，分别复用后的WDM光信号通过MZ外调制器分别被21.4 Gb/s的RZ-BPSK伪随机序列信号调制。 奇/偶波长复用光分别分解成x偏振光和y偏振光，其中y偏振光在时间上比x偏振光延迟几百个符号（时延为?），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4.3.3（b）所示。 然后，奇数波长BPSK偏振复用光和偶数波长BPSK偏振复用光通过光频交错器（IL）又间插复用在一起，从而构成一个43 Gb/s的PDM-RZ-BPSK信号，如图4.3.3（c）所示，送入