光纤通信系统中的偏振效应
时间：03-30
来源：千家综合布线网
点击：
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。
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。
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。
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。