光纤通信系统中的偏振效应

－－在光纤中挤压出更广阔的通信带宽
    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。目前，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敏感1。这些损害主要是由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，这些由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。由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，理想的动态偏振控制器还应具备以下几个重要的性能参数：
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。目前，使用PMD记录仪现场测量，已经可以观测到量级为几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100μs。
2、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，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敏感的，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λ/2（HWP）波片处于两个λ/4（QWP）波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。第一个λ/4波片的作用是将任意输入偏振光转变为线偏振光，然后λ/2波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏振方向，于是第二个λ/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，由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，波片本身就对波长敏感（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敏感。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1b所示）即可以减少插入损耗，又可以降低成本。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敏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1c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λ/4波片，另一个用来充当λ/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。下面，举例说明这三个波片的控制电压：
                   
    其中，α,β,γ是三个不断调整的参数以确定与之对应的波片的取向，Va到Vi是九个预先设定的电压参数。
    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）、高偏振相关损耗（～0.2dB）、高启动损耗（～0.15dB）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2a所示）。波片厚度（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1a）相比，这种装置具有对波长不敏感的优点，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-Soleil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、对波长不敏感的优点。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几个取向成45º角的自由空间波片来实现（如图3a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由液晶、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、以及由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。
     
    在已商用化的PolaRITE II动态偏振控制器中，压电促动器驱动挤压器快速变化。由于是全光纤结构，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30μs，足够跟踪野外铺设的光纤链路中速度最快的偏振态波动。采用适当的控制程序，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。而且它对波长也不敏感，对波长范围在1280nm～1650nm内的信号具有一致的良好工作性能。
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、启动损耗低、背向反射小、高速度与低成本等优点。如图5a-e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在以下几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PMD2。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100µs。
    偏振优化：传输链路中的许多器件或模块都是偏振敏感的，如光电（E-O）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5b），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。
    偏振扰动：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几伏。选择合适的驱动参数，已经成功地获得了小于0.05dB的偏振敏感度和小于1%的偏振度。扰偏器的主要应用包括：
1．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。
2．消除偏振敏感性：扰偏器可以用来消除仪器的偏振敏感性。一些光学仪器，如基于衍射光栅原理的光谱仪，对输入光的偏振态敏感。扰动输入光的偏振态可以消除由偏振敏感引起的测量不确定性。
3．简化PMD补偿：扰偏器可以用来简化通信系统中的PMD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。基于光纤挤压器的动态偏振控制器由于低PDL、低启动损耗以及对PDL测试准确度的极大提高，在这些应用中极富吸引力。在系统应用中，为了监测和补偿沿链路的PDL，需要把快速扰偏器放置在光发射模块之后，通过监测由器件或光模块（如EDFA等）的PDL引起的功率起伏，来监控系统的PDL。通过反馈信号来控制动态偏振控制器和产生PDL的器件，可以使功率起伏达到最小（如图5e所示）。7
    总而言之，基于光纤挤压器的动态偏振控制器是克服光传输系统中偏振相关损害和监测仪器偏振特性的关键元件。
致谢
    作者诚挚感谢General Photonics公司Lianshan Yan与James Shen两位先生的大量工作。


      作者：Steve Yao，Ph. D，CEO of General Photonics Corp.
      译者：戴武涛，王文涛，北京凌云光子技术有限公司