用擾偏器消除偏振相關(guān)損害

在高速光通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光波的偏振是不容忽視的一個(gè)重要因素。隨著速率的提高，光纖通訊系統(tǒng)對(duì)偏振   
  
 
相關(guān)損害越來(lái)越敏感。這類(lèi)損害包括：光纖中的偏振模色散（PMD），無(wú)源光器件中的偏振相關(guān)損耗（PDL），電光調(diào)制器中的偏振相關(guān)調(diào)制（PDM），光放大器中的偏振相關(guān)增益（PDG），WDM濾波器中的偏振相關(guān)波長(zhǎng)（PDW），接收機(jī)中的偏振相關(guān)響應(yīng)（PDR），傳感器和相干通訊系統(tǒng)中的偏振相關(guān)靈敏度（PDS）。 

擾偏技術(shù)可用來(lái)減輕偏振相關(guān)損害。一束完全偏振光，如果它的偏振態(tài)（SOP）受到外來(lái)因素的控制，以某一個(gè)速率發(fā)生隨機(jī)變化，那么這束光就被稱(chēng)為“擾偏光”。擾偏光在任何瞬時(shí)的偏振態(tài)的偏振度（DOP）都接近1。然而，從平均時(shí)間上看，它的DOP接近0。所以，擾偏光的DOP取決于平均時(shí)間取值的長(zhǎng)度或探測(cè)器的檢測(cè)帶寬。 

擾偏器的原理和特點(diǎn) 

擾偏器使用偏振調(diào)制方法動(dòng)態(tài)改變SOP。目前，已有一些采用不同技術(shù)的擾偏器，主要有LiNbO3（鈮酸鋰晶體）擾偏器、諧振光纖環(huán)擾偏器和光纖擠壓擾偏器。 

鈮酸鋰晶體擾偏器：利用電光效應(yīng)調(diào)制偏振態(tài)。如LiNbO3相位調(diào)制器，當(dāng)一束線偏振光與擾偏器調(diào)制電場(chǎng)成45度角入射的時(shí)候，它就是一個(gè)擾偏器。這種擾偏器的優(yōu)點(diǎn)是速度高，缺點(diǎn)是插入損耗高、PDL高、殘余振幅調(diào)制（動(dòng)態(tài)損耗）高、輸入偏振態(tài)的不同對(duì)擾偏效果的影響大（偏振靈敏度高）、成本高。 

雖然采用多個(gè)帶有不同電場(chǎng)方向的調(diào)制器件（圖1A）可以減小入射偏振態(tài)變化對(duì)擾偏效果產(chǎn)生的影響，但代價(jià)是增加了這種擾偏器的復(fù)雜性和成本。 

諧振光纖環(huán)擾偏器：這種擾偏器的基本結(jié)構(gòu)是在可膨脹的壓電陶瓷圓柱上纏繞光纖。對(duì)圓柱加一個(gè)電場(chǎng)使其膨脹，進(jìn)而由于光彈效應(yīng)引起光纖內(nèi)的雙折射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖內(nèi)的偏振光的偏振調(diào)制。如果電場(chǎng)頻率與壓電圓柱體的諧振頻率一致，則這種偏振調(diào)制效率最高。在實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)串聯(lián)使用多個(gè)具有不同定位的光纖圓柱體可以減小擾偏器的偏振靈敏度（圖1B）。與LiNbO3擾偏器相比，膨脹光纖環(huán)擾偏器具有插入損耗低、PDL低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是體積大、擾偏速度低和光纖拉伸導(dǎo)致的殘余相位調(diào)制大。 

擠壓光纖擾偏器：擠壓光纖引起的光彈效應(yīng)可在光纖內(nèi)引起大的雙折射，如果入射光的偏振態(tài)與擠壓方向成45度角，則可產(chǎn)生大的偏振調(diào)制，這就構(gòu)成了擠壓光纖擾偏器。串聯(lián)使用多個(gè)互成45度的光纖擠壓器，就成了一個(gè)對(duì)入射偏振態(tài)不敏感的擾偏器（圖1C）。該儀器既可工作在高頻諧振擾偏模式下，也可工作在低頻非諧振擾偏模式下。與LiNbO3擾偏器相比，這種儀器具有插入損耗低、PDL低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。與諧振光纖環(huán)擾偏器相比，它具有體積小、殘余相位調(diào)制低和使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。另外，與LiNbO3擾偏器和光纖環(huán)擾偏器兩者中任何一個(gè)相比，它都具有殘余相位調(diào)制低和殘余振幅調(diào)制（動(dòng)態(tài)損耗）低的優(yōu)勢(shì)。低殘余相位調(diào)制在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)于避免干涉相關(guān)噪聲非常重要，而對(duì)于PDL和DOP測(cè)量?jī)x器，擾偏器的殘余振幅調(diào)制要求很低。圖2所示為用于OEM的擠壓光纖擾偏器電路板。 

擾偏器的性能 

對(duì)擾偏器性能的測(cè)試，一般是通過(guò)測(cè)量擾偏光經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后的偏振度和測(cè)量邦加球上偏振態(tài)覆蓋區(qū)的均勻性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際應(yīng)用中，擾偏器的波長(zhǎng)和溫度靈敏性也非常重要。 

圖3A展示了用圖2所示擾偏器電路板在邦加球上實(shí)現(xiàn)的完美的擾偏均勻性。圖3B表示的是作為探測(cè)器帶寬函數(shù)的DOP。圖3B展示了波長(zhǎng)靈敏度。由圖3C可知，多段光纖擠壓擾偏器對(duì)波長(zhǎng)變化的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它類(lèi)型的擾偏器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，光纖擠壓擾偏器對(duì)溫度變化的敏感度也是較低的，如圖3D所示。 

工作壽命也是系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。有些用戶會(huì)對(duì)光纖擠壓器中光纖在應(yīng)力下的使用壽命提出疑問(wèn)。事實(shí)上，如果不正確使用和保護(hù)，光纖會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞。通用光電公司從1996年起花了很大力氣對(duì)在應(yīng)力狀態(tài)下光纖受損失效的機(jī)理及保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。采用通用光電公司的光纖保護(hù)專(zhuān)利技術(shù)，經(jīng)測(cè)算，擠壓器中的光纖在最大工作應(yīng)力下的平均失靈時(shí)間（MTTF）可達(dá)到20億年。這一結(jié)果并不值得驚訝，因?yàn)楣饫w擠壓器將應(yīng)力作用于光纖時(shí)，其應(yīng)力的大小，和保偏光纖中由兩根應(yīng)力桿引起的應(yīng)力是一個(gè)數(shù)量級(jí)。在耐久性測(cè)試中，光纖通過(guò)了一萬(wàn)億次擠壓后仍保持性能不變。 

擾偏器還可依據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率的要求不同來(lái)分類(lèi)。對(duì)于光纖擠壓擾偏器，其內(nèi)部的各個(gè)擠壓器所要求的驅(qū)動(dòng)頻率是不一樣的。為了獲得最佳結(jié)果，它們之間的頻率關(guān)系不應(yīng)是諧振或次諧振關(guān)系。有一種類(lèi)型的擾偏器，其驅(qū)動(dòng)頻率是在出廠前設(shè)定好的，不能更改。這類(lèi)擾偏器通常是利用壓電轉(zhuǎn)換器的諧振特性獲得最佳擾偏效率的。除此之外，通用光電公司還設(shè)計(jì)了一款適于手提和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的微型擾偏器。這種微型擾偏器的擾偏速率可通過(guò)按鍵或計(jì)算機(jī)指令步進(jìn)式改變，范圍從幾Hz到幾萬(wàn)Hz。 

擾偏器的用途 

擾偏器廣泛用于光通信網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感系統(tǒng)、測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)中。如圖4A所示，對(duì)于PDG或超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的摻鉺光纖放大器，擾偏器可接在接收端，用于減小偏振相關(guān)增益。對(duì)于這一應(yīng)用，擾偏速率應(yīng)大大高于光纖放大器的增益恢復(fù)時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)（在10Hz數(shù)量級(jí)）。 

擾偏器還可用來(lái)輔助監(jiān)控WDM系統(tǒng)的PMD，如圖4B所示。一般來(lái)講，可通過(guò)測(cè)量流經(jīng)光纖的光數(shù)據(jù)流的偏振度監(jiān)控PMD。DOP值低通常代表PMD大。然而，這種測(cè)量也可能不準(zhǔn)，因?yàn)槿绻⑷牍饫w的光的偏振態(tài)與光纖的主偏振態(tài)對(duì)準(zhǔn)，那么無(wú)論兩個(gè)偏振態(tài)之間的差分群延遲（DGD）有多大，測(cè)量的DOP值總會(huì)很大。避免這一測(cè)量誤差的一個(gè)有效方法，就是在發(fā)射端使用擾偏器。另外，它還可以使接收端的PMD補(bǔ)償器中的偏振態(tài)測(cè)量?jī)x對(duì)PSP進(jìn)行識(shí)別，這樣可加速對(duì)PMD的補(bǔ)償。在光網(wǎng)絡(luò)方面的其它應(yīng)用還有，在擾偏器后面放置起偏器來(lái)監(jiān)控WDM信號(hào)的信噪比。 

擾偏器還可用來(lái)消除光纖傳感器的偏振衰減，如圖4C所示。在這種系統(tǒng)中，響應(yīng)曲線的包絡(luò)線獨(dú)立于相對(duì)偏振波動(dòng)。 

在偏振敏感儀器（如衍射光柵光譜分析儀）前放置一臺(tái)擾偏器，如果擾偏速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)儀器中探測(cè)器的速度，則可有效消除偏振影響，如圖4D所示。另外，借助于一臺(tái)數(shù)字示波器，擾偏器可以測(cè)量被測(cè)器件的PDL值。器件的PDL值可由下式計(jì)算： 

PDL=10log（Vmax / Vmin） 

式中，Vmax和Vmin是數(shù)字示波器顯示的最大和最小信號(hào)值。 

如果泵浦激光是高偏振的，那么拉曼放大器PDG通常較大。為了使PDG值最小，必須使用消偏的泵浦光源。泵浦光源的DOP值與放大器的PDG值有直接的聯(lián)系，所以必須仔細(xì)校驗(yàn)。DOP可由昂貴的基于偏光計(jì)的偏振分析儀來(lái)檢測(cè)。然而，這種儀器對(duì)于低DOP值（<5%）的光源不夠精確。擾偏器加上一臺(tái)數(shù)字示波器，即可精確測(cè)量DOP值，原理如圖4F所示。假設(shè)用數(shù)字示波器測(cè)得的最大和最小電壓值分別為Vmax和Vmin，那么光源的DOP值可由下式計(jì)算： 

DOP=（Vmax - Vmin）/（Vmax +Vmin） 

目前，有一些公司在生產(chǎn)不同類(lèi)型的擾偏器，例如：ILX光波公司制造的獨(dú)立的桌面型儀器（型號(hào)為PSC 8420）、EXFO公司生產(chǎn)的測(cè)試儀器的插入模塊（型號(hào)為IQS-5100B）、通用光電公司（General Photonics）生產(chǎn)的桌面型擾偏儀（型號(hào)PCD-104）和用于OEM的電路板式擾偏器（型號(hào)PCD-003/004）。這些擾偏器都有各自固定的市場(chǎng)和優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一個(gè)特定的用戶來(lái)講，哪種型號(hào)最佳，取決于其應(yīng)用領(lǐng)域、使用者的喜好以及對(duì)價(jià)格的要求等。 

不同類(lèi)型的擾偏器。A)、鈮酸鋰晶體擾偏器。B）、諧振光纖環(huán)擾偏器。C)、擠壓光纖擾偏器。 



光纖擠壓擾偏器板卡 



擠壓光纖擾偏器的技術(shù)參數(shù)。 



擾偏器的不同應(yīng)用。 

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