第4章光的偏振及應用

1、光子學與光電子學 原榮 邱琪 第第4章章 光的偏振及應用光的偏振及應用 4.1 偏振的基本概念偏振的基本概念 4.2 光纖的偏振特性和偏振模色散光纖的偏振特性和偏振模色散 4.3 偏振復用相干接收技術和系統(tǒng)偏振復用相干接收技術和系統(tǒng) 4.4 偏振復用的應用偏振復用的應用光子學與光電子學 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)。光波和聲波同樣都是波，但它們具有不同的性質(zhì)。 聲波是在它的行進方向上，以反復地強弱變化來傳播的疏聲波是在它的行進方向上，以反復地強弱變化來傳播的疏密縱波；密縱波； 而光波卻是在與傳播方向垂直的平面內(nèi)振動的橫波（見而光波卻是在與傳播方向垂直的平面內(nèi)振動的橫波

2、（見1.3.1節(jié)）。自然光在垂直于它行進方向（節(jié)）。自然光在垂直于它行進方向（z軸）的平面內(nèi)軸）的平面內(nèi)（由（由 y 軸和軸和 x 軸構成的平面）的所有方向上都有振動，如軸構成的平面）的所有方向上都有振動，如圖圖4.1.4（a）所示，我們把這種光稱為非偏振光。）所示，我們把這種光稱為非偏振光。 自然光在晶體中振動方向要受到限制，它只允許在某一特自然光在晶體中振動方向要受到限制，它只允許在某一特定方向上振動的光通過，定方向上振動的光通過，如圖如圖4.1.1（a）圖）圖4.1.1 （c）和圖）和圖4.1.4（b）圖）圖4.1.4d所示所示。我們把這種只在特定方向上振動我們把這種只在特定方向上振動的

3、光稱為偏振光。的光稱為偏振光。4.1 偏振的基本概念偏振的基本概念光子學與光電子學 原榮 邱琪 線性偏振光線性偏振光光的偏振（也稱極化）描述當它通過晶體介質(zhì)傳輸時其電場的特性。光的偏振（也稱極化）描述當它通過晶體介質(zhì)傳輸時其電場的特性。線性偏振光是它的電場振蕩方向和傳播方向總在一個平面內(nèi)（振蕩平面），線性偏振光是它的電場振蕩方向和傳播方向總在一個平面內(nèi)（振蕩平面），如圖如圖4.1.1a所示，因此線性偏振光是平面偏振波。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垂直與此相反，非偏振光是一束光在每個垂直z方向的隨機方向都具有電場方向的隨機方向都具有電場E，如圖如圖4.1.4

4、a所示。所示。如果把一束非偏振光波通過一個偏振片就可以使它變成線性偏振光，因為如果把一束非偏振光波通過一個偏振片就可以使它變成線性偏振光，因為偏振片把電場振蕩僅局限在與傳輸方向垂直的一個平面內(nèi)，這個偏振片就偏振片把電場振蕩僅局限在與傳輸方向垂直的一個平面內(nèi)，這個偏振片就叫做起偏器，如圖叫做起偏器，如圖5.2.3所示。所示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.1.2 右圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像右圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像 電場除簡單的線性偏振外，還有許多偏振特性。例如，場矢電場除簡單的線性偏振外，還有許多偏振特性。例如，場矢量量E的幅度保持恒定不變，總是垂直于的幅度保持恒定不變，總是垂直

5、于z軸，但是在軸，但是在z方向給定方向給定位置上，電場幅度最大點隨時間順時針旋轉的軌跡，如光波位置上，電場幅度最大點隨時間順時針旋轉的軌跡，如光波的觀察者所見到的那樣，在一個波長的傳輸距離內(nèi)其軌跡是的觀察者所見到的那樣，在一個波長的傳輸距離內(nèi)其軌跡是一個圓，此時的電磁波稱為右圓偏振光，如圖一個圓，此時的電磁波稱為右圓偏振光，如圖4.1.2所示。所示。 圖圖4.1.2表示圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像，此時場矢量表示圓偏振光傳播距離時的瞬間圖像，此時場矢量E的旋轉角是的旋轉角是 (2)k zz 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.1.3 線性偏振光與圓偏振光比較線性偏振光與圓偏振光比較光子學與光

6、電子學 原榮 邱琪 圖圖4.1.4 非偏振光、線偏振光和非偏振光、線偏振光和橢圓偏振光的區(qū)別橢圓偏振光的區(qū)別 矢量矢量E在在z軸給定空間位置上隨時間傳播時，其幅度最大點的軌跡軸給定空間位置上隨時間傳播時，其幅度最大點的軌跡是橢圓，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。偏振光和左橢圓偏振光之分。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.2 光纖的偏振特性和偏振模色散光纖的偏振特性和偏振模色散光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.3 偏振復用相干接收技術和系統(tǒng)偏振復用相干接收技術和系統(tǒng) 在直接檢測接收機中，信號光的極

7、化（偏振）態(tài)在直接檢測接收機中，信號光的極化（偏振）態(tài)不起作用，這是因為這種接收機產(chǎn)生的光電流只不起作用，這是因為這種接收機產(chǎn)生的光電流只與入射光子數(shù)有關，而與它們的偏振態(tài)無關。但與入射光子數(shù)有關，而與它們的偏振態(tài)無關。但是，在相干接收機中，要求接收機信號光的偏振是，在相干接收機中，要求接收機信號光的偏振態(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，任何瞬時的失配都將導致是持續(xù)保持的。否則，任何瞬時的失配都將導致數(shù)據(jù)的丟失。目前主要有下述三種方法來完成偏數(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，即偏振控制、偏振分集接收和發(fā)送

8、振匹配任務，即偏振控制、偏振分集接收和發(fā)送機中的偏振擾動。下面介紹：機中的偏振擾動。下面介紹： 4.3.1 相干檢測偏振分集接收相干檢測偏振分集接收 4.3.2 偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng)偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng) 4.3.3 偏振復用相干接收無中繼傳輸試驗系統(tǒng)偏振復用相干接收無中繼傳輸試驗系統(tǒng)光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.3.1 相干檢測偏振分集接收相干檢測偏振分集接收圖圖4.3.1 偏振分集相干接收機偏振分集相干接收機 用一個偏振光束分配器（用一個偏振光束分配器（PBS）獲得兩個正交偏振成分輸）獲得兩個正交偏振成分輸出信號，然后分別送到完全相同的兩個接收支路進行處理。出信號，然后分別送到完

9、全相同的兩個接收支路進行處理。 當在兩個支路產(chǎn)生的光電流平方相加后，其輸出信號就與當在兩個支路產(chǎn)生的光電流平方相加后，其輸出信號就與偏振無關。偏振無關。光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.3.2 偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng)偏振復用相干接收傳輸系統(tǒng) 從從4.2節(jié)介紹的偏振模色散中知道，在標準單模光節(jié)介紹的偏振模色散中知道，在標準單模光纖中，基模纖中，基模 LP01是由兩個相互正交的線性偏振模是由兩個相互正交的線性偏振模TE模和模和TM模組成的。模組成的。 我們可以把我們可以把QPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)分別去調(diào)制調(diào)制的數(shù)據(jù)分別去調(diào)制x偏振光偏振光（TE模）和模）和y偏振光（偏振光（TM模），如圖模），如圖4.

10、3.2（a）所）所示。示。 調(diào)制后的調(diào)制后的x偏振光和偏振光和y偏振光首先經(jīng)偏振合波器合偏振光首先經(jīng)偏振合波器合波，進行偏振分割復用（波，進行偏振分割復用（PM），簡稱偏振復用。），簡稱偏振復用。 然后再將調(diào)制后的奇偶波長信號頻譜間插（然后再將調(diào)制后的奇偶波長信號頻譜間插（SI）復用，如圖復用，如圖4.3.2（b）所示，最后送入光纖傳輸。）所示，最后送入光纖傳輸。 在接收端，進行相反的變換，解調(diào)出原來的數(shù)據(jù)。在接收端，進行相反的變換，解調(diào)出原來的數(shù)據(jù)。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.3.2 偏振復用偏振復用+間插復用間插復用/相干接收相干接收傳輸試驗系統(tǒng)原理圖傳輸試驗系統(tǒng)原理圖（a）偏

11、振復用）偏振復用+間插復用間插復用80 40 Gb/s WDM系統(tǒng)實驗原理圖系統(tǒng)實驗原理圖光子學與光電子學 原榮 邱琪 （b）WDM系系統(tǒng)偏振統(tǒng)偏振復用復用+奇奇偶波長偶波長信道間信道間插復用插復用圖解原圖解原理說明理說明A點偏振復用后波形B點偏振復用后波形xy偏振態(tài)xy光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.3.3 偏振復用相干接收偏振復用相干接收無中繼傳輸試驗系統(tǒng)無中繼傳輸試驗系統(tǒng) 今天，幾乎所有新鋪設的無中繼傳輸系統(tǒng)都工作在今天，幾乎所有新鋪設的無中繼傳輸系統(tǒng)都工作在10 Gb/s速率。然而，為了滿足用戶對傳輸容量的需求，科學速率。然而，為了滿足用戶對傳輸容量的需求，科學家們對傳輸速率提升到家

12、們對傳輸速率提升到40 Gb/s或以上更感興趣。在這些或以上更感興趣。在這些高比特率傳輸技術中，偏振復用（高比特率傳輸技術中，偏振復用（PDM）相移鍵控調(diào)制）相移鍵控調(diào)制/相干接收看來是一種優(yōu)選的方案，因為數(shù)字信號處理技術相干接收看來是一種優(yōu)選的方案，因為數(shù)字信號處理技術可以補償色度色散（可以補償色度色散（CD）和偏振模色散（）和偏振模色散（PMD），于是），于是可以將已經(jīng)鋪設的系統(tǒng)升級。可以將已經(jīng)鋪設的系統(tǒng)升級。 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，一種是盡量擴大傳輸距離，即使只有幾個信道也行；另一種是盡量增擴大傳輸距離，即使只有幾個信道

13、也行；另一種是盡量增加信道數(shù)量，以便提供大于加信道數(shù)量，以便提供大于1 Tb/s的線路容量。的線路容量。 直到目前為止，已經(jīng)實驗演示了以下幾種直到目前為止，已經(jīng)實驗演示了以下幾種WDM系統(tǒng)：系統(tǒng)：64 40 Gb/s傳輸距離傳輸距離230 km，32 40 Gb/s距離距離402 km，26 100 Gb/s距離距離401 km，40 100 Gb/s距離距離365 km。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.3.3 偏振復用偏振復用+光頻間插復用光頻間插復用/相干接收相干接收WDM傳輸試驗系統(tǒng)原理圖傳輸試驗系統(tǒng)原理圖將將64個波長信道分成兩組，奇數(shù)信道為一組，偶數(shù)信道為另一組，分別個波長信道

14、分成兩組，奇數(shù)信道為一組，偶數(shù)信道為另一組，分別復用后的復用后的WDM光信號通過光信號通過MZ外調(diào)制器分別被外調(diào)制器分別被21.4 Gb/s的的RZ-BPSK偽偽隨機序列信號調(diào)制。隨機序列信號調(diào)制。奇奇/偶波長復用光分別分解成偶波長復用光分別分解成x偏振光和偏振光和y偏振光，其中偏振光，其中y偏振光在時間上偏振光在時間上比比x偏振光延遲幾百個符號（時延為偏振光延遲幾百個符號（時延為 ），然后通過偏振合波器（），然后通過偏振合波器（PBC）在時間上交替偏振復用在一起，如圖在時間上交替偏振復用在一起，如圖4.3.3（b）所示。）所示。然后，奇數(shù)波長然后，奇數(shù)波長BPSK偏振復用光和偶數(shù)波長偏振復用

15、光和偶數(shù)波長BPSK偏振復用光通過光頻偏振復用光通過光頻交錯器（交錯器（IL）又間插復用在一起，從而構成一個）又間插復用在一起，從而構成一個43 Gb/s的的PDM-RZ-BPSK信號，如圖信號，如圖4.3.3（c）所示，送入）所示，送入EYDFA光放大器。光放大器。光子學與光電子學 原榮 邱琪 （b）BPSK偏振復用以便提高線路速率原理說明偏振復用以便提高線路速率原理說明（c）WDM系統(tǒng)奇偶波長信道間插復用以便增加波長數(shù)系統(tǒng)奇偶波長信道間插復用以便增加波長數(shù)光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.4 偏振復用的應用偏振復用的應用 4.4.1 偏振復用正交頻分復用（偏振復用正交頻分復用（OFDM）光

16、）光纖傳輸系統(tǒng)纖傳輸系統(tǒng) 4.4.2 偏振復用將低速信號提升到高速信號偏振復用將低速信號提升到高速信號 4.4.3 偏振復用提高光信噪比偏振復用提高光信噪比 光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.4.1 偏振復用正交頻分復用偏振復用正交頻分復用（OFDM）光纖傳輸系統(tǒng)）光纖傳輸系統(tǒng)（a）偏振復用光纖信道）偏振復用光纖信道2 2 MIMO-OFDM系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖圖4.4.1 偏振復用偏振復用 MIMO-OFDM系統(tǒng)原系統(tǒng)原理構成及其有關點波形理構成及其有關點波形光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.4.1 偏振復用偏振復用 MIMO-OFDM系統(tǒng)原理構系統(tǒng)原理構成及其有關點波形成及其有關點波

17、形光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.4.2 偏振復用將低速信號提升到高速信號偏振復用將低速信號提升到高速信號常采用三種途徑提高線路速率和頻譜效率，一種是采用先進的復用技術，常采用三種途徑提高線路速率和頻譜效率，一種是采用先進的復用技術，如偏振復用和光正交頻分復用（如偏振復用和光正交頻分復用（O-OFDM）；）；第第2種是采用多電平調(diào)制技術，如正交幅度調(diào)制（種是采用多電平調(diào)制技術，如正交幅度調(diào)制（QAM）和差分相移鍵）和差分相移鍵控（控（DPSK）等調(diào)制；）等調(diào)制；第第3種是提高符號率，如圖種是提高符號率，如圖4.4.2（a）所示。比如對于采用偏振復用）所示。比如對于采用偏振復用QPSK調(diào)制（調(diào)

18、制（m = 4）的系統(tǒng)，只要傳輸符合率達到）的系統(tǒng)，只要傳輸符合率達到28 GS/s，就可以實現(xiàn)，就可以實現(xiàn)每個載波（每個載波（n = 1）112 Gb/s線路速率，如圖線路速率，如圖4.4.2（a）右上角所示。）右上角所示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖4.4.3 采用采用QPSK調(diào)制調(diào)制+2個副載波調(diào)制個副載波調(diào)制+偏振復用偏振復用CO-OFDM技術使技術使13.9 Gb/s數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)信號提升到提升到111 Gb/s線路信號線路信號 光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.4.3 偏振復用提高光信噪比偏振復用提高光信噪比 光子學與光電子學 原榮 邱琪 4.4.4 偏光式偏光式3D眼鏡眼鏡3D眼鏡也稱立體眼鏡，是一種用來觀看眼鏡也稱立體眼鏡，是一種用來觀看3D電視、電視、3D電影和電影和3D游戲影像游戲影像的特別眼鏡。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，大腦會眼鏡的工作原理是令兩只眼睛接收不同的影像，大腦會將兩邊的影像合并（復用）起來，造成立體的效果。將兩邊的影像合并（復用）起來，造成立體的效果。平時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平時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。情況。拍攝場景時，如人眼那樣，也用一左一右兩個鏡頭，從兩個不同的方向拍攝場景時，如人眼那樣，也用一左一右兩個鏡頭，從兩