05/19/2005，通用光電
    偏振相關(guān)的損害成為阻礙光纖通信WDM（Wavelength Division Multiplexing 波分復(fù)用）系統(tǒng)傳輸速率升級的主要因素。這些損害主要包括光纖中的偏振模色散（PMD），無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），和光放大器中的偏振相關(guān)增益（PDG）。動態(tài)偏振控制器作為單一重要器件，可用于克服上述不同系統(tǒng)中的各種偏振相關(guān)損害。
    偏振相關(guān)損害主要是由光纖本身的缺陷造成的，在理想化的光纖中，傳輸光的偏振態(tài)（SOP）不會發(fā)生變化，這些由偏振效應(yīng)引起的PMD、PDL、PDM和PDG的損害也很容易消除掉。而在實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中，傳輸光的SOP會由于傳輸過程中光纖所受到溫度變化，機(jī)械壓力和纖芯非對稱性導(dǎo)致的隨機(jī)雙折射影響，使出纖光是橢圓偏振光，橢圓度不斷變化，且主軸同參考方向成任意角度。更糟糕的是，光纖中的雙折射效應(yīng)是隨溫度、壓力、應(yīng)力以及其它環(huán)境因素變化不斷變化的，這就大大增加了偏振相關(guān)損害的不可預(yù)知性。
偏振模色散（PMD）：
    在光通信系統(tǒng)成功克服光纖色散和非線性之后，偏振模色散成為又一阻礙高速通信傳輸（10Gb/s 及以上傳輸速率）的重要因素，如圖1所示，光纖鏈路可看做串連起來的許多無序?qū)�向的延遲片。因?yàn)楣饫w鏈路里不存在PDL、PDG，這些延遲片理論上可等同于單一延遲片，它對于給定入射光頻率有唯一DGD和一對有效正交主軸（可以為線形或圓形的）。當(dāng)光脈沖信號進(jìn)入這個延遲片后，分解為沿兩光軸方向的兩個偏振分量。因?yàn)檫@兩個分量在延遲片中的傳輸速度不同，所以他們出射后會形成的相應(yīng)時間延遲，這個延遲的時間就叫做差分群時延（DGD）。當(dāng)DGD接近于數(shù)據(jù)流的傳輸周期時，產(chǎn)生誤碼的幾率就會明顯增加。
    初級PMD通常指的是DGD 的 rms（均方根）值 。和著名的醉漢隨機(jī)步長問題相同（醉漢步長的rms和正常時步長之比一般正比于喝醉后的步數(shù)開平方），在將光纖等同于延遲片的情況下，光纖鏈路的PMD正比于延遲片層數(shù)的開方，等同正比于光纖長度的開方。

 
圖1 實(shí)際光纖可看成作許多不同方位角及雙折射的延遲片。等同于一個雙折射的具有快軸、慢軸的延遲片。光脈沖因兩偏振分量的傳輸速度不同而展寬。

    和真正的延遲片相比，光纖鏈路的DGD和主光軸都具有波長相關(guān)性，還會因?yàn)闇囟群屯饨缫蛩刈兓�發(fā)生隨機(jī)變化，光脈沖信號也會相應(yīng)隨機(jī)的展寬，它們都是在一定波長條件下時間的函數(shù)。最大DGD容忍度一般規(guī)定為一個信號周期的14%，以滿足在3-dB功率代價(jià)情況下每年少于5分鐘的傳輸損耗�？梢該Q算為，10Gb/s傳輸系統(tǒng)中14ps，40Gb/s傳輸系統(tǒng)中3.5ps的DGD。但當(dāng)光纖鏈路超過300km后由于傳輸損耗很大，20%的光纖設(shè)備將不再適用于10Gb/s傳輸，75%不能用于40Gb/s傳輸，所以此類鏈路就需要采用PMD補(bǔ)償器來補(bǔ)償PMD帶來的損害。
    PMD不像光纖的色散和非線性效應(yīng)具有確定性和穩(wěn)定性，它所引起的損害可能在某一時間突然消失但經(jīng)過一段時間后反而更大，從而導(dǎo)致無明顯征兆情況下不可接受的誤碼率。所以PMD補(bǔ)償必須是動態(tài)的，以保證傳輸損耗在可接受的范圍內(nèi)。圖2為幾種減輕PMD損害的方案圖
 

圖2 幾種減輕PMD損害的方案：a）主態(tài)傳輸法； b）多延遲片法； c）光延遲纖法；d）非均勻HiBi光纖光柵法；d）電延遲線法。在上述所有系統(tǒng)中都需用到高速、低PDL、低激活損耗的動態(tài)偏振控制器（DPC）

    這些方案大都包括三個關(guān)鍵組件：1）動態(tài)偏振控制器（DPC），2）PMD分析儀，和3）反饋電路。有些系統(tǒng)可能還需要用到動態(tài)可變延遲線。在下面我們還將看到，低PDL和激活損耗也是保證DPC在反饋回路中正常工作的重要參數(shù)。低插損的光纖擠壓型器件對消除多種偏振損害帶來的高階PMD效應(yīng)具有更大的優(yōu)勢。
偏相關(guān)損耗（PDL）：
    光器件的PDL定義為輸入光所有可能存在的SOP下，器件的最大與最小插損之差。光器件的PDL效應(yīng)可以得到起偏器的效果，使出射光為具有正交軸（線性或圓形）的部分偏振光，當(dāng)光信號的SOP耦合于一個光軸時，會有最大的損耗，耦合于另一光軸時得到最小損耗。
    幾乎所有光纖光器件都存在著PDL，但產(chǎn)生PDL的原因卻各不相同。我們知道，光信號通過折射率n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)時，在接觸面會發(fā)生反射。如果是非正常的垂直入射（許多光器件會采用帶傾角的輸入輸出光纖端面增加回?fù)p），兩偏振態(tài)的反射系數(shù)會因?yàn)楣饩�垂直和平行入射面分量強(qiáng)度的不同而不同。這種不同的反射系數(shù)會導(dǎo)致傳輸損耗的差異或稱PDL。例如，一個8。的斜面連接器（FC/AC或SC/APC）會產(chǎn)生0.022dB的PDL。在具有光纖光柵的光纖器件中，如果光柵同光纖縱軸沒有耦合好的話，同樣會體現(xiàn)出PDL。
    其次，對于許多光器件，例如隔離器、循環(huán)器，經(jīng)常都會用到雙折射體。由于雙折射晶體有兩個不同折射率no、ne的主軸，導(dǎo)致兩偏振態(tài)即使在正常垂直入射的情況下菲涅爾反射系數(shù)也會在垂直，平行于主軸的方向有不同值，結(jié)果產(chǎn)生不同傳輸損耗。相應(yīng)的PDL表示為：PDL=20*log|(ne-1))(no-1)/(no-1)(ne+1)|。增透膜可以大大減少反射，但是可能它不能完全消除PDL因?yàn)樽罴训腻兡ず穸仁怯慑兡に�用材料的折射率決定的：它要求對于no，ne都能得到最好的結(jié)果。
    因?yàn)閮善�振態(tài)的衍射效率對于平行、垂直于入射面方向有不同值。衍射光柵型光纖器件一般都有較高的PDL。
最后，任何光纖器件都包含雙折射材料，也都具有PDL。雙折射材料具有不同吸收或衰減系數(shù)的雙主軸。主軸為線性（線性雙折射）或圓形（圓形雙折色）。例如，利用質(zhì)子交換方法制作的LiNbO3波導(dǎo)體現(xiàn)出雙折射效應(yīng)并可當(dāng)作起偏器使用。
    在包含多個不同PDL光器件的光纖鏈路中，總PDL值取決于傳輸在光纖鏈路中光信號的SOP，而且PDL存在著最大和最小值。最大PDL等于鏈路中各個器件的PDL之和。它是通過兩次測量光纖鏈路插損之差得到的：第一次是在光的SOP耦合于對應(yīng)于各個光器件的得到最小損耗值的軸得到的損耗值，第二次是耦合于對于各個光器件最大損耗軸得到最大損耗值。兩值相減，可得整個鏈路的最大PDL。
    最小PDL值對應(yīng)于當(dāng)光信號的SOP與所有PDL器件得到最小損耗的相應(yīng)透光軸相重合時，PDL相抵消后整個傳輸網(wǎng)絡(luò)的剩余PDL值。
存在于光纖鏈路的PDL使PMD補(bǔ)償變的更為復(fù)雜。當(dāng)光纖鏈路中出現(xiàn)PDL后，鏈路不再等同于單一延遲片，而是兩個延遲片夾著一個部分起偏器的結(jié)構(gòu)。因此補(bǔ)償PMD的同時必須考慮到部分起偏器的帶來的PDL效應(yīng)，這就明顯增加了補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
    動態(tài)偏振控制器需要放置在光纖鏈路的適當(dāng)位置以解決隨時間變化的PDL問題，如圖3所示，各個偏振控制器用來保證光信號通過鏈路后能夠獲得最小PDL損耗。
 

圖3 動態(tài)偏振控制器（DPC）應(yīng)用于 a）保偏 b）PDL補(bǔ)償 c）PDG補(bǔ)償

偏振相關(guān)增益（PDG）：
    光纖通過光放大器后在偏振強(qiáng)分量方向得到的增益要小于偏振弱分量的增益（因?yàn)閺?qiáng)分量更加容易達(dá)到增益飽和）。兩分量經(jīng)過放大器后增益之差就叫做偏振相關(guān)增益（PDG）。產(chǎn)生PDG的一個原因是放大器橫截面的受激輻射對不同偏振態(tài)不同。這種偏振燒孔效應(yīng)總是提供給入射弱偏振分量更多的增益，這樣導(dǎo)致傳播過程中偏振態(tài)隨時間發(fā)生變化。另一個原因是，如果輸入光信號的SOP也發(fā)生改變，信號的增益可能出現(xiàn)會暫時增大并且一段時間后變小的現(xiàn)象。結(jié)果，偏振燒孔效應(yīng)總是會造成光纖激光系統(tǒng)中傳輸光的偏振態(tài)波動，從而導(dǎo)致鎖模激光器跳模情況和超模噪聲的增加。
    光放大器可能同時存在PDL效應(yīng)。例如，耦合器和隔離器大都是用到摻Er+光纖放大器（EDFA），這些器件中原來存在的PDL經(jīng)過放大器的放大作用，導(dǎo)致更明顯的PDL。即使是用到避免反饋斜切端面的半導(dǎo)體光放大器（SOA），經(jīng)放大過程，同樣會導(dǎo)致很大的PDL。
    在具有很多光發(fā)大器和PDL器件的光纖光鏈路中，PDG可能某一時刻很明顯，其他時刻可忽略。盡管每個放大器只有很小的PDG（~0.1dB），但在包含大量光放大器的光路中，PDG的累計(jì)效應(yīng)，會大大降低最終傳輸效果。當(dāng)PDG同PMD，PDL器件同時作用在光路時，這種傳輸效果的退化會更加明顯。我們可以利用提高入射光偏振態(tài)變化頻率使之高出放大器的響應(yīng)率（放大器高能級光子壽命的倒數(shù)，EDFA~500Hz）的方法來減輕PDG對長距離傳輸系統(tǒng)中的損害，圖3為包含181個EDFA的8100-km傳輸系統(tǒng)Q因子增加兩倍的方案。
偏振相關(guān)調(diào)制（PDM）：
    外調(diào)制器，如LiNbO3型的電光調(diào)制器和半導(dǎo)體電致吸收調(diào)制器除受PDL影響之外，由于調(diào)制深度對不同偏振態(tài)體現(xiàn)出不同偏光調(diào)制的特性，致使接收到的數(shù)據(jù)強(qiáng)度隨因溫度或外力壓迫光纖而導(dǎo)致的輸入偏振態(tài)不穩(wěn)定而導(dǎo)致誤碼率發(fā)生波動。
    大多Ti 非擴(kuò)散LiNbO3調(diào)制器會在它的輸入或輸出端掩埋偏光器以保證入射光的偏振態(tài)更好的耦合到調(diào)制器中，使PDM問題轉(zhuǎn)換為比較簡單的PDL問題。因?yàn)橛觅|(zhì)子交換工藝制作的LiNbO3 本身具有偏光效果，所以可將動態(tài)偏振控制器放置在調(diào)制器之前來使穿過調(diào)制器的光信號先得到最小損耗從而消除PDM效應(yīng)。如圖3所示。
“動態(tài)調(diào)節(jié)”偏振控制的新境界
    偏振相關(guān)損害的隨機(jī)性要求我們消除偏振損害也該是隨時間變化的。利用動態(tài)偏振控制器就可以很好的解決偏振的隨機(jī)變化問題。
高速，低PDL，低插損，和低激活損耗都是評估動態(tài)偏振控制器好壞的重要參數(shù)。激活損耗測量的是由激活儀器帶來的附加插損，定義為在所有可能激活條件下儀器的最大最小損耗之差。這是個極其重要的參數(shù)，因?yàn)樗�有偏振損害補(bǔ)償系統(tǒng)都要用到反饋信號來激活控制器。由激活過程帶來的損耗會導(dǎo)致反饋信號的錯誤且直接降低了儀器的準(zhǔn)確性。同樣，任何一臺包含了偏振控制器的PDL測量儀，都會因?yàn)榧せ顜�來的損耗限制了測量的解析度和準(zhǔn)確性。同樣的，偏振控制器產(chǎn)生的PDL也會增加反饋回路的出錯幾率，使補(bǔ)償儀器的硬件軟件設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。
    當(dāng)前市場上的偏振控制器主要包括基于空間延遲片和鈮酸鋰波導(dǎo)的器件。空間器件包括多個（有時候3個）不同方位角的延遲片。通過給各延遲片加電壓改變延遲效果從而改變出射光的偏振狀態(tài)。因?yàn)楣饩�要從光纖出射，校準(zhǔn)，穿過各個延遲片并最終耦合回到光纖中。在制作這種器件時，最終的勞力費(fèi)，材料費(fèi)，和插入損耗損很高。延遲片一般由液晶材料或固體光電材料制成。液晶材料型控制器也會受到低速（10到100ms），有限工作溫度，和高PDL的限制。
    鈮酸鋰材料的動態(tài)偏振控制器包含多個不同電極（或晶體）方向的波導(dǎo)。和液晶型器件相似，各波導(dǎo)通過加電起延遲片的作用。通過在調(diào)節(jié)各波導(dǎo)上的電壓，可產(chǎn)生任意偏振態(tài)。但是，標(biāo)準(zhǔn)鈮酸鋰波導(dǎo)型控制器具有高的插入損耗（~4dB），高PDL（~0.2dB）,低回?fù)p（45dB），價(jià)格昂貴且適用工作溫度范圍小（0到60。C）的多種缺點(diǎn)，而且由于其最大輸入光功率限制在50mW內(nèi)，致使它不能放在光放大器之后使用，所以具有很大的局限性。
光纖擠壓器型偏振控制器的優(yōu)點(diǎn)：
    近十年研究者們開發(fā)了基于光纖擠壓器型偏振控制器。但是，由于技術(shù)問題光纖擠壓器的可靠性和高激活損耗問題使它沒能實(shí)現(xiàn)商用。1996年，CA ，Chino的通用光電公司克服了這些缺點(diǎn)并成功的開發(fā)了商用光纖擠壓型偏振控制器（PolaRITE）。隨后該公司又成功開發(fā)了第一臺光纖擠壓型擾偏器。近年來，該公司更加完善和發(fā)展了光纖擠壓器的制造工藝和先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。
    通用光電運(yùn)用其長時間優(yōu)越的光線擠壓器生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，于近期開發(fā)了多軸光纖擠壓器型動態(tài)偏振控制器/擾偏器如圖4所示。和體波片和鈮酸鋰偏振控制器原理相似，光纖擠壓器可利用PZT激發(fā)器擠壓部分光纖而產(chǎn)生產(chǎn)生多個不同方位角的延遲片組。且延遲片的延遲性可以利用改變加載在PZT激發(fā)器上的電壓來輕易的調(diào)整。我們可以看到，這個儀器通過改變光纖上不同部分PZT激發(fā)器的電壓把任何入射偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為需要的輸出偏振態(tài)。
 

圖4 光纖擠壓型動態(tài)編排振控制器具有無插損、回反損耗、波長無關(guān)，極小PDL且高速低激活損耗的優(yōu)點(diǎn)

    因?yàn)閮?nèi)部全光纖環(huán)境，該產(chǎn)品沒有任何插入損耗，回反損耗，及PDL。同時，它的響應(yīng)時間小于35μs,明顯比液晶材料器件要快得多。由于火車經(jīng)過時的振動對沿鐵路鋪設(shè)的光纜、海浪拍擊對海底光纜產(chǎn)生的影響使光纜中傳輸光的偏振狀態(tài)發(fā)生快速變化，為了跟蹤這種快速偏振狀態(tài)變化，就需要用到此類響應(yīng)速度快的器件。
    值得稱道的是，通用光電成功地將光纖擠壓器的激活損耗控制在了0.003dB內(nèi)。光纖擠壓器低激活損耗的特點(diǎn)，使它能夠很好的運(yùn)用于高精度PDL測量儀器和補(bǔ)償偏振損害的反饋回路中。
    通用光電該類產(chǎn)品特有的引人注目的特性是它的工作性能與工作波長無關(guān)：此儀器在波長1280nm到1650nm輸入信號范圍內(nèi)都有良好的表現(xiàn)。這種一機(jī)多用的特性大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，降低了損耗成本，并且具有通信信道拓寬能力。
    光纖擠壓器的使用成本也不高。光纖擠壓器的工作半波電壓已降低到40VDC以內(nèi)。因其需要的工作電壓較低，現(xiàn)有的常規(guī)電子技術(shù)就能使光纖擠壓器正常工作。同時光纖擠壓器還很具有高的可靠性。測試表明，此儀器在半波電壓條件下工作100億個工作周期后無一失效。
光纖擠壓器還可用來制作有效的打亂光源偏振狀態(tài)的擾偏器。利用與擾頻工作頻率相同的嵌入式諧振增強(qiáng)電路輔助，可將儀器的半波電壓減少到幾伏。現(xiàn)有低成本電子技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)低此儀器的電壓需求。
應(yīng)用：
    由于其先進(jìn)的工作特性（低插損、低PDL、低激活損耗、低回反、高速、經(jīng)濟(jì)），光纖擠壓型動態(tài)偏振控制器是減少PMD，補(bǔ)償PDL，和降低PDG效應(yīng)的理想儀器，如圖2、3。

 
圖5 保偏器包括輸入輸出口各一個，兩個外部偏振敏感儀器的接口兩個，如LiNBO3調(diào)制器。保偏器能夠自動調(diào)節(jié)輸入調(diào)制器的光的SOP保證最大光傳輸。保偏器的核心器件為光纖擠壓偏振控制器。

    該產(chǎn)品還可用作穩(wěn)偏器，在電光、光吸收調(diào)制器，光學(xué)干涉儀，外差光吸收裝置中起重要作用。我公司利用用光纖擠壓型動態(tài)控制器設(shè)計(jì)并成功研制的保偏器（圖5）可得到非穩(wěn)態(tài)偏振輸入情況下輸出功率穩(wěn)定在0.05dB偏差范圍以內(nèi)的結(jié)果。
    光纖擠壓型擾偏器同樣可以用來消除光纖器件的偏振敏感性。一些光學(xué)儀器，如基于衍射光柵原理的光譜儀，對輸入光的偏振狀態(tài)很敏感。光纖擠壓型偏振控制器/擾偏器因其低工作電壓，及多諧振擾偏峰值的特性，是解決這些問題的理想儀器。此類擾偏器可成功的將敏感度控制在0.05dB以內(nèi)并且得到小于1%的偏振度。
    在制造業(yè)的環(huán)境中快速精確的測量光纖器件的PDL特性是至關(guān)重要的。動態(tài)偏振控制器能夠嵌入儀器并自動搜索最大最小插入損耗來測量和計(jì)算相應(yīng)的PDL。光纖擠壓型動態(tài)偏振控制器由于其自身的低激活損耗和低PDL的優(yōu)點(diǎn)尤其適用于快速高精度PDL測量。測試表明通用公司的動態(tài)偏振控制器能夠輕易的在零點(diǎn)幾秒的時間內(nèi)達(dá)到分辨率為0.01dB的PDL測量標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論：
    總之，在光纖光系統(tǒng)中偏振相關(guān)的損害，包括PMD、PDL、PDG和PDM都是不可預(yù)料的。必須使用快速動態(tài)偏振控制器來減輕相關(guān)的損害。光纖擠壓型偏振控制器因其在插損、PDL、回?fù)p、激活損耗，及反應(yīng)速度上優(yōu)于其他類控制器的出色表現(xiàn)，能有效快速的解決上述所有偏振相關(guān)問題。