动态偏振控制器与偏振相关损害之战

   05/19/2005，通用光电
    偏振相关的损害成为阻碍光纤通信WDM（Wavelength Division Multiplexing 波分复用）系统传输速率升级的主要因素。这些损害主要包括光纤中的偏振模色散（PMD），无源光器件中的偏振相关损耗（PDL），电光调制器中的偏振相关调制（PDM），和光放大器中的偏振相关增益（PDG）。动态偏振控制器作为单一重要器件，可用于克服上述不同系统中的各种偏振相关损害。
    偏振相关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PMD、PDL、PDM和PDG的损害也很容易消除掉。而在实际使用的标准通信光纤中，传输光的SOP会由于传输过程中光纤所受到温度变化，机械压力和纤芯非对称性导致的随机双折射影响，使出纤光是椭圆偏振光，椭圆度不断变化，且主轴同参考方向成任意角度。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变化不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。
偏振模色散（PMD）：
    在光通信系统成功克服光纤色散和非线性之后，偏振模色散成为又一阻碍高速通信传输（10Gb/s 及以上传输速率）的重要因素，如图1所示，光纤链路可看做串连起来的许多无序导向的延迟片。因为光纤链路里不存在PDL、PDG，这些延迟片理论上可等同于单一延迟片，它对于给定入射光频率有唯一DGD和一对有效正交主轴（可以为线形或圆形的）。当光脉冲信号进入这个延迟片后，分解为沿两光轴方向的两个偏振分量。因为这两个分量在延迟片中的传输速度不同，所以他们出射后会形成的相应时间延迟，这个延迟的时间就叫做差分群时延（DGD）。当DGD接近于数据流的传输周期时，产生误码的几率就会明显增加。
    初级PMD通常指的是DGD 的 rms（均方根）值 。和著名的醉汉随机步长问题相同（醉汉步长的rms和正常时步长之比一般正比于喝醉后的步数开平方），在将光纤等同于延迟片的情况下，光纤链路的PMD正比于延迟片层数的开方，等同正比于光纤长度的开方。

 
图1 实际光纤可看成作许多不同方位角及双折射的延迟片。等同于一个双折射的具有快轴、慢轴的延迟片。光脉冲因两偏振分量的传输速度不同而展宽。

    和真正的延迟片相比，光纤链路的DGD和主光轴都具有波长相关性，还会因为温度和外界因素变化发生随机变化，光脉冲信号也会相应随机的展宽，它们都是在一定波长条件下时间的函数。最大DGD容忍度一般规定为一个信号周期的14%，以满足在3-dB功率代价情况下每年少于5分钟的传输损耗。可以换算为，10Gb/s传输系统中14ps，40Gb/s传输系统中3.5ps的DGD。但当光纤链路超过300km后由于传输损耗很大，20%的光纤设备将不再适用于10Gb/s传输，75%不能用于40Gb/s传输，所以此类链路就需要采用PMD补偿器来补偿PMD带来的损害。
    PMD不像光纤的色散和非线性效应具有确定性和稳定性，它所引起的损害可能在某一时间突然消失但经过一段时间后反而更大，从而导致无明显征兆情况下不可接受的误码率。所以PMD补偿必须是动态的，以保证传输损耗在可接受的范围内。图2为几种减轻PMD损害的方案图
 

图2 几种减轻PMD损害的方案：a）主态传输法； b）多延迟片法； c）光延迟纤法；d）非均匀HiBi光纤光栅法；d）电延迟线法。在上述所有系统中都需用到高速、低PDL、低激活损耗的动态偏振控制器（DPC）

    这些方案大都包括三个关键组件：1）动态偏振控制器（DPC），2）PMD分析仪，和3）反馈电路。有些系统可能还需要用到动态可变延迟线。在下面我们还将看到，低PDL和激活损耗也是保证DPC在反馈回路中正常工作的重要参数。低插损的光纤挤压型器件对消除多种偏振损害带来的高阶PMD效应具有更大的优势。
偏相关损耗（PDL）：
    光器件的PDL定义为输入光所有可能存在的SOP下，器件的最大与最小插损之差。光器件的PDL效应可以得到起偏器的效果，使出射光为具有正交轴（线性或圆形）的部分偏振光，当光信号的SOP耦合于一个光轴时，会有最大的损耗，耦合于另一光轴时得到最小损耗。
    几乎所有光纤光器件都存在着PDL，但产生PDL的原因却各不相同。我们知道，光信号通过折射率n1的介质入射到折射率为n2的介质时，在接触面会发生反射。如果是非正常的垂直入射（许多光器件会采用带倾角的输入输出光纤端面增加回损），两偏振态的反射系数会因为光线垂直和平行入射面分量强度的不同而不同。这种不同的反射系数会导致传输损耗的差异或称PDL。例如，一个8。的斜面连接器（FC/AC或SC/APC）会产生0.022dB的PDL。在具有光纤光栅的光纤器件中，如果光栅同光纤纵轴没有耦合好的话，同样会体现出PDL。
    其次，对于许多光器件，例如隔离器、循环器，经常都会用到双折射体。由于双折射晶体有两个不同折射率no、ne的主轴，导致两偏振态即使在正常垂直入射的情况下菲涅尔反射系数也会在垂直，平行于主轴的方向有不同值，结果产生不同传输损耗。相应的PDL表示为：PDL=20*log|(ne-1))(no-1)/(no-1)(ne+1)|。增透膜可以大大减少反射，但是可能它不能完全消除PDL因为最佳的镀膜厚度是由镀膜所用材料的折射率决定的：它要求对于no，ne都能得到最好的结果。
    因为两偏振态的衍射效率对于平行、垂直于入射面方向有不同值。衍射光栅型光纤器件一般都有较高的PDL。
最后，任何光纤器件都包含双折射材料，也都具有PDL。双折射材料具有不同吸收或衰减系数的双主轴。主轴为线性（线性双折射）或圆形（圆形双折色）。例如，利用质子交换方法制作的LiNbO3波导体现出双折射效应并可当作起偏器使用。
    在包含多个不同PDL光器件的光纤链路中，总PDL值取决于传输在光纤链路中光信号的SOP，而且PDL存在着最大和最小值。最大PDL等于链路中各个器件的PDL之和。它是通过两次测量光纤链路插损之差得到的：第一次是在光的SOP耦合于对应于各个光器件的得到最小损耗值的轴得到的损耗值，第二次是耦合于对于各个光器件最大损耗轴得到最大损耗值。两值相减，可得整个链路的最大PDL。
    最小PDL值对应于当光信号的SOP与所有PDL器件得到最小损耗的相应透光轴相重合时，PDL相抵消后整个传输网络的剩余PDL值。
存在于光纤链路的PDL使PMD补偿变的更为复杂。当光纤链路中出现PDL后，链路不再等同于单一延迟片，而是两个延迟片夹着一个部分起偏器的结构。因此补偿PMD的同时必须考虑到部分起偏器的带来的PDL效应，这就明显增加了补偿系统设计的复杂性。
    动态偏振控制器需要放置在光纤链路的适当位置以解决随时间变化的PDL问题，如图3所示，各个偏振控制器用来保证光信号通过链路后能够获得最小PDL损耗。
 

图3 动态偏振控制器（DPC）应用于 a）保偏 b）PDL补偿 c）PDG补偿

偏振相关增益（PDG）：
    光纤通过光放大器后在偏振强分量方向得到的增益要小于偏振弱分量的增益（因为强分量更加容易达到增益饱和）。两分量经过放大器后增益之差就叫做偏振相关增益（PDG）。产生PDG的一个原因是放大器横截面的受激辐射对不同偏振态不同。这种偏振烧孔效应总是提供给入射弱偏振分量更多的增益，这样导致传播过程中偏振态随时间发生变化。另一个原因是，如果输入光信号的SOP也发生改变，信号的增益可能出现会暂时增大并且一段时间后变小的现象。结果，偏振烧孔效应总是会造成光纤激光系统中传输光的偏振态波动，从而导致锁模激光器跳模情况和超模噪声的增加。
    光放大器可能同时存在PDL效应。例如，耦合器和隔离器大都是用到掺Er+光纤放大器（EDFA），这些器件中原来存在的PDL经过放大器的放大作用，导致更明显的PDL。即使是用到避免反馈斜切端面的半导体光放大器（SOA），经放大过程，同样会导致很大的PDL。
    在具有很多光发大器和PDL器件的光纤光链路中，PDG可能某一时刻很明显，其他时刻可忽略。尽管每个放大器只有很小的PDG（~0.1dB），但在包含大量光放大器的光路中，PDG的累计效应，会大大降低最终传输效果。当PDG同PMD，PDL器件同时作用在光路时，这种传输效果的退化会更加明显。我们可以利用提高入射光偏振态变化频率使之高出放大器的响应率（放大器高能级光子寿命的倒数，EDFA~500Hz）的方法来减轻PDG对长距离传输系统中的损害，图3为包含181个EDFA的8100-km传输系统Q因子增加两倍的方案。
偏振相关调制（PDM）：
    外调制器，如LiNbO3型的电光调制器和半导体电致吸收调制器除受PDL影响之外，由于调制深度对不同偏振态体现出不同偏光调制的特性，致使接收到的数据强度随因温度或外力压迫光纤而导致的输入偏振态不稳定而导致误码率发生波动。
    大多Ti 非扩散LiNbO3调制器会在它的输入或输出端掩埋偏光器以保证入射光的偏振态更好的耦合到调制器中，使PDM问题转换为比较简单的PDL问题。因为用质子交换工艺制作的LiNbO3 本身具有偏光效果，所以可将动态偏振控制器放置在调制器之前来使穿过调制器的光信号先得到最小损耗从而消除PDM效应。如图3所示。
“动态调节”偏振控制的新境界
    偏振相关损害的随机性要求我们消除偏振损害也该是随时间变化的。利用动态偏振控制器就可以很好的解决偏振的随机变化问题。
高速，低PDL，低插损，和低激活损耗都是评估动态偏振控制器好坏的重要参数。激活损耗测量的是由激活仪器带来的附加插损，定义为在所有可能激活条件下仪器的最大最小损耗之差。这是个极其重要的参数，因为所有偏振损害补偿系统都要用到反馈信号来激活控制器。由激活过程带来的损耗会导致反馈信号的错误且直接降低了仪器的准确性。同样，任何一台包含了偏振控制器的PDL测量仪，都会因为激活带来的损耗限制了测量的解析度和准确性。同样的，偏振控制器产生的PDL也会增加反馈回路的出错几率，使补偿仪器的硬件软件设计变得更为复杂。
    当前市场上的偏振控制器主要包括基于空间延迟片和铌酸锂波导的器件。空间器件包括多个（有时候3个）不同方位角的延迟片。通过给各延迟片加电压改变延迟效果从而改变出射光的偏振状态。因为光线要从光纤出射，校准，穿过各个延迟片并最终耦合回到光纤中。在制作这种器件时，最终的劳力费，材料费，和插入损耗损很高。延迟片一般由液晶材料或固体光电材料制成。液晶材料型控制器也会受到低速（10到100ms），有限工作温度，和高PDL的限制。
    铌酸锂材料的动态偏振控制器包含多个不同电极（或晶体）方向的波导。和液晶型器件相似，各波导通过加电起延迟片的作用。通过在调节各波导上的电压，可产生任意偏振态。但是，标准铌酸锂波导型控制器具有高的插入损耗（~4dB），高PDL（~0.2dB）,低回损（45dB），价格昂贵且适用工作温度范围小（0到60。C）的多种缺点，而且由于其最大输入光功率限制在50mW内，致使它不能放在光放大器之后使用，所以具有很大的局限性。
光纤挤压器型偏振控制器的优点：
    近十年研究者们开发了基于光纤挤压器型偏振控制器。但是，由于技术问题光纤挤压器的可靠性和高激活损耗问题使它没能实现商用。1996年，CA ，Chino的通用光电公司克服了这些缺点并成功的开发了商用光纤挤压型偏振控制器（PolaRITE）。随后该公司又成功开发了第一台光纤挤压型扰偏器。近年来，该公司更加完善和发展了光纤挤压器的制造工艺和先进生产技术。
    通用光电运用其长时间优越的光线挤压器生产经验，于近期开发了多轴光纤挤压器型动态偏振控制器/扰偏器如图4所示。和体波片和铌酸锂偏振控制器原理相似，光纤挤压器可利用PZT激发器挤压部分光纤而产生产生多个不同方位角的延迟片组。且延迟片的延迟性可以利用改变加载在PZT激发器上的电压来轻易的调整。我们可以看到，这个仪器通过改变光纤上不同部分PZT激发器的电压把任何入射偏振态转换为需要的输出偏振态。
 

图4 光纤挤压型动态编排振控制器具有无插损、回反损耗、波长无关，极小PDL且高速低激活损耗的优点

    因为内部全光纤环境，该产品没有任何插入损耗，回反损耗，及PDL。同时，它的响应时间小于35μs,明显比液晶材料器件要快得多。由于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产生的影响使光缆中传输光的偏振状态发生快速变化，为了跟踪这种快速偏振状态变化，就需要用到此类响应速度快的器件。
    值得称道的是，通用光电成功地将光纤挤压器的激活损耗控制在了0.003dB内。光纤挤压器低激活损耗的特点，使它能够很好的运用于高精度PDL测量仪器和补偿偏振损害的反馈回路中。
    通用光电该类产品特有的引人注目的特性是它的工作性能与工作波长无关：此仪器在波长1280nm到1650nm输入信号范围内都有良好的表现。这种一机多用的特性大大简化了系统设计的难度，降低了损耗成本，并且具有通信信道拓宽能力。
    光纤挤压器的使用成本也不高。光纤挤压器的工作半波电压已降低到40VDC以内。因其需要的工作电压较低，现有的常规电子技术就能使光纤挤压器正常工作。同时光纤挤压器还很具有高的可靠性。测试表明，此仪器在半波电压条件下工作100亿个工作周期后无一失效。
光纤挤压器还可用来制作有效的打乱光源偏振状态的扰偏器。利用与扰频工作频率相同的嵌入式谐振增强电路辅助，可将仪器的半波电压减少到几伏。现有低成本电子技术就可以实现低此仪器的电压需求。
应用：
    由于其先进的工作特性（低插损、低PDL、低激活损耗、低回反、高速、经济），光纤挤压型动态偏振控制器是减少PMD，补偿PDL，和降低PDG效应的理想仪器，如图2、3。

 
图5 保偏器包括输入输出口各一个，两个外部偏振敏感仪器的接口两个，如LiNBO3调制器。保偏器能够自动调节输入调制器的光的SOP保证最大光传输。保偏器的核心器件为光纤挤压偏振控制器。

    该产品还可用作稳偏器，在电光、光吸收调制器，光学干涉仪，外差光吸收装置中起重要作用。我公司利用用光纤挤压型动态控制器设计并成功研制的保偏器（图5）可得到非稳态偏振输入情况下输出功率稳定在0.05dB偏差范围以内的结果。
    光纤挤压型扰偏器同样可以用来消除光纤器件的偏振敏感性。一些光学仪器，如基于衍射光栅原理的光谱仪，对输入光的偏振状态很敏感。光纤挤压型偏振控制器/扰偏器因其低工作电压，及多谐振扰偏峰值的特性，是解决这些问题的理想仪器。此类扰偏器可成功的将敏感度控制在0.05dB以内并且得到小于1%的偏振度。
    在制造业的环境中快速精确的测量光纤器件的PDL特性是至关重要的。动态偏振控制器能够嵌入仪器并自动搜索最大最小插入损耗来测量和计算相应的PDL。光纤挤压型动态偏振控制器由于其自身的低激活损耗和低PDL的优点尤其适用于快速高精度PDL测量。测试表明通用公司的动态偏振控制器能够轻易的在零点几秒的时间内达到分辨率为0.01dB的PDL测量标准。
结论：
    总之，在光纤光系统中偏振相关的损害，包括PMD、PDL、PDG和PDM都是不可预料的。必须使用快速动态偏振控制器来减轻相关的损害。光纤挤压型偏振控制器因其在插损、PDL、回损、激活损耗，及反应速度上优于其他类控制器的出色表现，能有效快速的解决上述所有偏振相关问题。