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)。聲波是在它的行進方向上，以反復(fù)地強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)振動的橫波（見1.3.1節(jié)）。自然光在垂直于它行進方向（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，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，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），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垂直z方向的隨機方向都具有電場E，如圖4.1.4a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，電場幅度最大點隨時間順時針旋轉(zhuǎn)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)其軌跡是一個圓，此時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的瞬間圖像，此時場矢量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，并且還要保證匹配是持續(xù)保持的。否則，任何瞬時的失配都將導(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)送機中的偏振擾動。下面介紹：

4.3.1相干檢測偏振分集接收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系統(tǒng)光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪4.3.1相干檢測偏振分集接收圖4.3.1偏振分集相干接收機用一個偏振光束分配器（PBS）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。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(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，在標準單模光纖中，基模LP01是由兩個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，進行偏振分割復(fù)用（PM），簡稱偏振復(fù)用。然后再將調(diào)制后的奇偶波長信號頻譜間插（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

傳輸試驗系統(tǒng)原理圖（a）偏振復(fù)用+間插復(fù)用8040Gb/sWDM系統(tǒng)實驗原理圖光子學(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，為了滿足用戶對傳輸容量的需求，科學(xué)家們對傳輸速率提升到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，因為數(shù)字信號處理技術(shù)可以補償色度色散（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。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)實驗演示了以下幾種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傳輸試驗系統(tǒng)原理圖將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，分別復(fù)用后的WDM光信號通過MZ外調(diào)制器分別被21.4Gb/s的RZ-BPSK偽隨機序列信號調(diào)制。奇/偶波長復(fù)用光分別分解成x偏振光和y偏振光，其中y偏振光在時間上比x偏振光延遲幾百個符號（時延為），然后通過偏振合波器（PBC）在時間上交替偏振復(fù)用在一起，如圖4.3.3（b）所示。然后，奇數(shù)波長BPSK偏振復(fù)用光和偶數(shù)波長BPSK偏振復(fù)用光通過光頻交錯器（IL）又間插復(fù)用在一起，從而構(gòu)成一個43Gb/s的PDM-RZ-BPSK信號，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)奇偶波長信道間插復(fù)用以便增加波長數(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)用將低速信號提升到高速信號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(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種是提高符號率，如圖4.4.2（a）所示。比如對于采用偏振復(fù)用QPSK調(diào)制（m=4）的系統(tǒng)，只要傳輸符合率達到28GS/s，就可以實現(xiàn)每個載波（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

提升到111Gb/s線路信號光子學(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，大腦會將兩邊的影像合并（復(fù)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，從兩個不同的方向同時攝錄場景的影像。左邊鏡頭的影像光經(jīng)過一個橫向偏振片（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。放映場景時，通過兩個放映機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，戴上分別裝有