第4章光偏振與應用

第4章光偏振與應用第一頁，共22頁。光波和聲波同樣都是波，但它們具有不同的性質。聲波是在它的行進方向上，以反復地強弱變化來傳播的疏密縱波；而光波卻是在與傳播方向垂直的平面內振動的橫波（見1.3.1節(jié)）。自然光在垂直于它行進方向（z軸）的平面內（由y軸和x軸構成的平面）的所有方向上都有振動，如圖4.1.4（a）所示，我們把這種光稱為非偏振光。自然光在晶體中振動方向要受到限制，它只允許在某一特定方向上振動的光通過，如圖4.1.1（a）～圖4.1.1（c）和圖4.1.4（b）～圖4.1.4d所示。我們把這種只在特定方向上振動的光稱為偏振光。4.1偏振的基本概念第二頁，共22頁。線性偏振光光的偏振（也稱極化）描述當它通過晶體介質傳輸時其電場的特性。線性偏振光是它的電場振蕩方向和傳播方向總在一個平面內（振蕩平面），如圖4.1.1a所示，因此線性偏振光是平面偏振波。與此相反，非偏振光是一束光在每個垂直z方向的隨機方向都具有電場E，如圖4.1.4a所示。如果把一束非偏振光波通過一個偏振片就可以使它變成線性偏振光，因為偏振片把電場振蕩僅局限在與傳輸方向垂直的一個平面內，這個偏振片就叫做起偏器，如圖5.2.3所示。第三頁，共22頁。圖4.1.2右圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像電場除簡單的線性偏振外，還有許多偏振特性。例如，場矢量E的幅度保持恒定不變，總是垂直于z軸，但是在z方向給定位置上，電場幅度最大點隨時間順時針旋轉的軌跡，如光波的觀察者所見到的那樣，在一個波長的傳輸距離內其軌跡是一個圓，此時的電磁波稱為右圓偏振光，如圖4.1.2所示。圖4.1.2表示圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像，此時場矢量E的旋轉角是

第四頁，共22頁。圖4.1.3線性偏振光與圓偏振光比較第五頁，共22頁。圖4.1.4非偏振光、線偏振光和橢圓偏振光的區(qū)別矢量E在z軸給定空間位置上隨時間傳播時，其幅度最大點的軌跡是橢圓，所以稱這種光是橢圓偏振光，或橢圓光，它也有右橢圓偏振光和左橢圓偏振光之分。

第六頁，共22頁。4.2光纖的偏振特性和偏振模色散第七頁，共22頁。4.3偏振復用相干接收技術和系統(tǒng)在直接檢測接收機中，信號光的極化（偏振）態(tài)不起作用，這是因為這種接收機產(chǎn)生的光電流只與入射光子數(shù)有關，而與它們的偏振態(tài)無關。但是，在相干接收機中，要求接收機信號光的偏振態(tài)要與本振光的偏振態(tài)匹配，并且還要保證匹配是持續(xù)保持的。否則，任何瞬時的失配都將導致數(shù)據(jù)的丟失。目前主要有下述三種方法來完成偏振匹配任務，即偏振控制、偏振分集接收和發(fā)送機中的偏振擾動。下面介紹：

4.3.1相干檢測偏振分集接收4.3.2偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng)4.3.3偏振復用相干接收無中繼傳輸試驗系統(tǒng)第八頁，共22頁。4.3.1相干檢測偏振分集接收圖4.3.1偏振分集相干接收機用一個偏振光束分配器（PBS）獲得兩個正交偏振成分輸出信號，然后分別送到完全相同的兩個接收支路進行處理。當在兩個支路產(chǎn)生的光電流平方相加后，其輸出信號就與偏振無關。第九頁，共22頁。4.3.2偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng)從4.2節(jié)介紹的偏振模色散中知道，在標準單模光纖中，基模LP01是由兩個相互正交的線性偏振模TE模和TM模組成的。我們可以把QPSK調制的數(shù)據(jù)分別去調制x偏振光（TE模）和y偏振光（TM模），如圖4.3.2（a）所示。調制后的x偏振光和y偏振光首先經(jīng)偏振合波器合波，進行偏振分割復用（PM），簡稱偏振復用。然后再將調制后的奇偶波長信號頻譜間插（SI）復用，如圖4.3.2（b）所示，最后送入光纖傳輸。在接收端，進行相反的變換，解調出原來的數(shù)據(jù)。

第十頁，共22頁。圖4.3.2偏振復用+間插復用/相干接收

傳輸試驗系統(tǒng)原理圖（a）偏振復用+間插復用8040Gb/sWDM系統(tǒng)實驗原理圖第十一頁，共22頁。（b）WDM系統(tǒng)偏振復用+奇偶波長信道間插復用圖解原理說明第十二頁，共22頁。4.3.3偏振復用相干接收

無中繼傳輸試驗系統(tǒng)今天，幾乎所有新鋪設的無中繼傳輸系統(tǒng)都工作在10Gb/s速率。然而，為了滿足用戶對傳輸容量的需求，科學家們對傳輸速率提升到40Gb/s或以上更感興趣。在這些高比特率傳輸技術中，偏振復用（PDM）相移鍵控調制/相干接收看來是一種優(yōu)選的方案，因為數(shù)字信號處理技術可以補償色度色散（CD）和偏振模色散（PMD），于是可以將已經(jīng)鋪設的系統(tǒng)升級。海底無中繼傳輸系統(tǒng)有兩種不同的發(fā)展傾向，一種是盡量擴大傳輸距離，即使只有幾個信道也行；另一種是盡量增加信道數(shù)量，以便提供大于1Tb/s的線路容量。直到目前為止，已經(jīng)實驗演示了以下幾種WDM系統(tǒng)：6440Gb/s傳輸距離230km，3240Gb/s距離402km，26100Gb/s距離401km，40100Gb/s距離365km。第十三頁，共22頁。圖4.3.3偏振復用+光頻間插復用/相干接收

WDM傳輸試驗系統(tǒng)原理圖將64個波長信道分成兩組，奇數(shù)信道為一組，偶數(shù)信道為另一組，分別復用后的WDM光信號通過MZ外調制器分別被21.4Gb/s的RZ-BPSK偽隨機序列信號調制。奇/偶波長復用光分別分解成x偏振光和y偏振光，其中y偏振光在時間上比x偏振光延遲幾百個符號（時延為），然后通過偏振合波器（PBC）在時間上交替偏振復用在一起，如圖4.3.3（b）所示。然后，奇數(shù)波長BPSK偏振復用光和偶數(shù)波長BPSK偏振復用光通過光頻交錯器（IL）又間插復用在一起，從而構成一個43Gb/s的PDM-RZ-BPSK信號，如圖4.3.3（c）所示，送入EYDFA光放大器。第十四頁，共22頁。（b）BPSK偏振復用以便提高線路速率原理說明（c）WDM系統(tǒng)奇偶波長信道間插復用以便增加波長數(shù)第十五頁，共22頁。4.4偏振復用的應用4.4.1偏振復用正交頻分復用（OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)4.4.2偏振復用將低速信號提升到高速信號4.4.3偏振復用提高光信噪比第十六頁，共22頁。4.4.1偏振復用正交頻分復用

（OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)（a）偏振復用光纖信道22MIMO-OFDM系統(tǒng)原理圖圖4.4.1偏振復用MIMO-OFDM系統(tǒng)原理構成及其有關點波形第十七頁，共22頁。圖4.4.1偏振復用MIMO-OFDM系統(tǒng)原理構成及其有關點波形第十八頁，共22頁。4.4.2偏振復用將低速信號提升到高速信號常采用三種途徑提高線路速率和頻譜效率，一種是采用先進的復用技術，如偏振復用和光正交頻分復用（O-OFDM）；第2種是采用多電平調制技術，如正交幅度調制（QAM）和差分相移鍵控（DPSK）等調制；第3種是提高符號率，如圖4.4.2（a）所示。比如對于采用偏振復用QPSK調制（m=4）的系統(tǒng)，只要傳輸符合率達到28GS/s，就可以實現(xiàn)每個載波（n=1）112Gb/s線路速率