第4章 光的偏振及應(yīng)用

第4章光的偏振及應(yīng)用4.1偏振的基本概念4.2光纖的偏振特性和偏振模色散4.3偏振復(fù)用相干接收技術(shù)和系統(tǒng)4.4偏振復(fù)用的應(yīng)用光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪光波和聲波同樣都是波，但它們具有不同的性質(zhì)。聲波是在它的行進(jìn)方向上，以反復(fù)地強(qiáng)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(nèi)振動(dòng)的橫波（見1.3.1節(jié)）。自然光在垂直于它行進(jìn)方向（z軸）的平面內(nèi)（由y軸和x軸構(gòu)成的平面）的所有方向上都有振動(dòng)，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(dòng)方向要受到限制，它只允許在某一特定方向上振動(dòng)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(dòng)的光稱為偏振光。4.1偏振的基本概念光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪線性偏振光光的偏振（也稱極化）描述當(dāng)它通過晶體介質(zhì)傳輸時(shí)其電場(chǎng)的特性。線性偏振光是它的電場(chǎng)振蕩方向和傳播方向總在一個(gè)平面內(nèi)（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(gè)垂直z方向的隨機(jī)方向都具有電場(chǎng)E，如圖4.1.4a所示。如果把一束非偏振光波通過一個(gè)偏振片就可以使它變成線性偏振光，因?yàn)槠衿央妶?chǎng)振蕩僅局限在與傳輸方向垂直的一個(gè)平面內(nèi)，這個(gè)偏振片就叫做起偏器，如圖5.2.3所示。光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.1.2右圓偏振光傳播距離時(shí)的瞬間圖像電場(chǎng)除簡(jiǎn)單的線性偏振外，還有許多偏振特性。例如，場(chǎng)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(chǎng)幅度最大點(diǎn)隨時(shí)間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的軌跡，如光波的觀察者所見到的那樣，在一個(gè)波長(zhǎng)的傳輸距離內(nèi)其軌跡是一個(gè)圓，此時(shí)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(shí)的瞬間圖像，此時(shí)場(chǎng)矢量E的旋轉(zhuǎn)角是

光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.1.3線性偏振光與圓偏振光比較光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖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(shí)間傳播時(shí)，其幅度最大點(diǎn)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。

光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.2光纖的偏振特性和偏振模色散光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.3偏振復(fù)用相干接收技術(shù)和系統(tǒng)在直接檢測(cè)接收機(jī)中，信號(hào)光的極化（偏振）態(tài)不起作用，這是因?yàn)檫@種接收機(jī)產(chǎn)生的光電流只與入射光子數(shù)有關(guān)，而與它們的偏振態(tài)無關(guān)。但是，在相干接收機(jī)中，要求接收機(jī)信號(hào)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(shí)的失配都將導(dǎo)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(wù)，即偏振控制、偏振分集接收和發(fā)送機(jī)中的偏振擾動(dòng)。下面介紹：

4.3.1相干檢測(cè)偏振分集接收4.3.2偏振復(fù)用相干接收傳輸系統(tǒng)4.3.3偏振復(fù)用相干接收無中繼傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.3.1相干檢測(cè)偏振分集接收?qǐng)D4.3.1偏振分集相干接收機(jī)用一個(gè)偏振光束分配器（PBS）獲得兩個(gè)正交偏振成分輸出信號(hào)，然后分別送到完全相同的兩個(gè)接收支路進(jìn)行處理。當(dāng)在兩個(gè)支路產(chǎn)生的光電流平方相加后，其輸出信號(hào)就與偏振無關(guān)。光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.3.2偏振復(fù)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(biāo)準(zhǔn)單模光纖中，基模LP01是由兩個(gè)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(diào)制的數(shù)據(jù)分別去調(diào)制x偏振光（TE模）和y偏振光（TM模），如圖4.3.2（a）所示。調(diào)制后的x偏振光和y偏振光首先經(jīng)偏振合波器合波，進(jìn)行偏振分割復(fù)用（PM），簡(jiǎn)稱偏振復(fù)用。然后再將調(diào)制后的奇偶波長(zhǎng)信號(hào)頻譜間插（SI）復(fù)用，如圖4.3.2（b）所示，最后送入光纖傳輸。在接收端，進(jìn)行相反的變換，解調(diào)出原來的數(shù)據(jù)。

光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.3.2偏振復(fù)用+間插復(fù)用/相干接收

傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖（a）偏振復(fù)用+間插復(fù)用8040Gb/sWDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪（b）WDM系統(tǒng)偏振復(fù)用+奇偶波長(zhǎng)信道間插復(fù)用圖解原理說明光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.3.3偏振復(fù)用相干接收

無中繼傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)今天，幾乎所有新鋪設(shè)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(duì)傳輸容量的需求，科學(xué)家們對(duì)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(shù)中，偏振復(fù)用（PDM）相移鍵控調(diào)制/相干接收看來是一種優(yōu)選的方案，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以補(bǔ)償色度色散（CD）和偏振模色散（PMD），于是可以將已經(jīng)鋪設(shè)的系統(tǒng)升級(jí)。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(kuò)大傳輸距離，即使只有幾個(gè)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(shí)驗(yàn)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。光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.3.3偏振復(fù)用+光頻間插復(fù)用/相干接收

WDM傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖將64個(gè)波長(zhǎng)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(fù)用后的WDM光信號(hào)通過MZ外調(diào)制器分別被21.4Gb/s的RZ-BPSK偽隨機(jī)序列信號(hào)調(diào)制。奇/偶波長(zhǎng)復(fù)用光分別分解成x偏振光和y偏振光，其中y偏振光在時(shí)間上比x偏振光延遲幾百個(gè)符號(hào)（時(shí)延為），然后通過偏振合波器（PBC）在時(shí)間上交替偏振復(fù)用在一起，如圖4.3.3（b）所示。然后，奇數(shù)波長(zhǎng)BPSK偏振復(fù)用光和偶數(shù)波長(zhǎng)BPSK偏振復(fù)用光通過光頻交錯(cuò)器（IL）又間插復(fù)用在一起，從而構(gòu)成一個(gè)43Gb/s的PDM-RZ-BPSK信號(hào)，如圖4.3.3（c）所示，送入EYDFA光放大器。光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪（b）BPSK偏振復(fù)用以便提高線路速率原理說明（c）WDM系統(tǒng)奇偶波長(zhǎng)信道間插復(fù)用以便增加波長(zhǎng)數(shù)光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.4偏振復(fù)用的應(yīng)用4.4.1偏振復(fù)用正交頻分復(fù)用（OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)4.4.2偏振復(fù)用將低速信號(hào)提升到高速信號(hào)4.4.3偏振復(fù)用提高光信噪比光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.4.1偏振復(fù)用正交頻分復(fù)用

（OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)（a）偏振復(fù)用光纖信道22MIMO-OFDM系統(tǒng)原理圖圖4.4.1偏振復(fù)用MIMO-OFDM系統(tǒng)原理構(gòu)成及其有關(guān)點(diǎn)波形光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.4.1偏振復(fù)用MIMO-OFDM系統(tǒng)原理構(gòu)成及其有關(guān)點(diǎn)波形光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.4.2偏振復(fù)用將低速信號(hào)提升到高速信號(hào)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(jìn)的復(fù)用技術(shù)，如偏振復(fù)用和光正交頻分復(fù)用（O-OFDM）；第2種是采用多電平調(diào)制技術(shù)，如正交幅度調(diào)制（QAM）和差分相移鍵控（DPSK）等調(diào)制；第3種是提高符號(hào)率，如圖4.4.2（a）所示。比如對(duì)于采用偏振復(fù)用QPSK調(diào)制（m=4）的系統(tǒng)，只要傳輸符合率達(dá)到28GS/s，就可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)載波（n=1）112Gb/s線路速率，如圖4.4.2（a）右上角所示。光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪圖4.4.3采用QPSK調(diào)制+2個(gè)副載波調(diào)制+偏振復(fù)用CO-OFDM技術(shù)使13.9Gb/s數(shù)據(jù)信號(hào)

提升到111Gb/s線路信號(hào)光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.4.3偏振復(fù)用提高光信噪比光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.4.4偏光式3D眼鏡3D眼鏡也稱立體眼鏡，是一種用來觀看3D電視、3D電影和3D游戲影像的特別眼鏡。3D眼鏡的工作原理是令兩只眼睛接收不同的影像，大腦會(huì)將兩邊的影像合并（復(fù)用）起來，造成立體的效果。平時(shí)我們用兩只眼睛看物體才能產(chǎn)生立體感，偏振光眼鏡就是模擬這種情況。拍攝場(chǎng)景時(shí)，如人眼那樣，也用一左一右兩個(gè)鏡頭，從兩個(gè)不同的方向同時(shí)攝錄場(chǎng)景的影像。左邊鏡頭的影像光經(jīng)過一個(gè)橫向偏振片（起偏器，見5.2.2節(jié)）過濾得到橫向偏振光，而右邊鏡頭的影像光經(jīng)過一個(gè)縱向偏振片（將該起偏器與左鏡頭的起偏器垂直）過濾得到縱向偏振光。放映場(chǎng)景時(shí)，通過兩個(gè)放映機(jī)用偏振方向互相垂直的兩種偏振光重疊地放映在銀幕上。人們觀看時(shí)，戴上分別裝有