光纤通信系统中的偏振效应.docVIP

光纤通信系统中的偏振效应 　　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。　　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PolaRITEII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