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      光纖通信技術(shù)

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      擾偏器應用: 用擾偏器消除激光傳輸中的偏振相關(guān)損害

      時(shí)間:2020-01-18   訪(fǎng)問(wèn)量:3747

              一、偏振相關(guān)損害的種類(lèi)

            隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )的日益普及,以及光信息傳輸速度的不斷提高,由光的偏振所引起的偏振相關(guān)損害越來(lái)越不可忽視。由于不同偏振態(tài)的入射光、光纖及光器件的偏振特性的不同,在光纖中進(jìn)行信息傳輸時(shí)候都會(huì )受到不同的影響,都會(huì )給光信息傳輸造成各種影響。為此,消除偏振相關(guān)損害就成了眾多光電子產(chǎn)業(yè)人士的重要工作。 

            偏振相關(guān)損害主要包括以下幾個(gè)類(lèi)型: 

            1 、光纖中的偏振模色散(PMD)

            2 、無(wú)源光器件中的偏振相關(guān)損耗(PDL)

            3 、電光調制器中的偏振相關(guān)調制(PDM)

            4 、光放大器中的偏振相關(guān)增益(PDG)

            5 、 WDM 濾波器中的偏振相關(guān)波長(cháng)(PDW)

            6 、接收機中的偏振相關(guān)響應(PDR)

            7 、傳感器和相干通訊系統中的偏振相關(guān)響應度(PDS)

            消除偏振損害的一個(gè)非常有效的手段,就是使用擾偏器。 


               二、擾偏器的主要種類(lèi)及工作原理 

            擾偏器的工作原理,就是將通過(guò)擾偏器的偏振光,以較高的速度不斷改變其偏振態(tài)(SOP),從而在總體時(shí)間段里,其綜合效果失去了偏振特性。也就是說(shuō),在某一個(gè)瞬間它還是一個(gè)偏振度(DOP)為1的偏振光,但從平均時(shí)間上看,它就是一個(gè)DOP=0的非偏振光。這個(gè)過(guò)程就叫做“擾偏”,經(jīng)過(guò)“擾偏”的光叫做“擾偏光”。 

            目前常見(jiàn)的擾偏器有三種類(lèi)型,分別是:鈮酸鋰晶體擾偏器、柱型壓電陶瓷諧振擾偏器和光纖擠壓型擾偏器。下面分別介紹這三種擾偏器的工作原理和特性(圖 1 )。 

      圖 1 擾偏器有三種類(lèi)型:鈮酸鋰晶體擾偏器、柱型壓電陶瓷諧振擾偏器和光纖擠壓型擾偏器

          ?   鈮酸鋰晶體擾偏器: 

           這種擾偏器是利用了鈮酸鋰晶體的電光效應,在晶體外施加電場(chǎng),可以改變晶體的折射率。當光通過(guò)晶體的時(shí)候,在晶體外加入一個(gè)不斷改變的電場(chǎng),使得晶體的折射率不斷發(fā)生變化,從而使這束光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化(圖 1 A)。因為鈮酸鋰晶體的電光效應的響應速度很高,所以這種擾偏器的優(yōu)點(diǎn)是擾偏速度快。但也存在缺點(diǎn)。一個(gè)主要缺點(diǎn)是插入損耗大。這是因為光在通過(guò)擾偏器的時(shí)候,需要進(jìn)行多次的從光纖到晶體的界面出入。另一個(gè)主要缺點(diǎn)是造價(jià)高。這是因為這種擾偏器結構相對復雜,晶體器件成本也較高。 

        這種擾偏器還有一個(gè)缺點(diǎn)是對偏振的敏感度高(偏振敏感度是指由于入射光的偏振態(tài)不同,儀器的擾偏效果也會(huì )發(fā)生變化)。當入射光的偏振方向正好和晶體的電場(chǎng)方向成 45 度角的時(shí)候,這種擾偏器的擾偏效果最好。遺憾的是在實(shí)際應用中,這樣理想的情況是非常少的。為了解決這一矛盾,可以采用多級晶體器件,以不同的電場(chǎng)角度串聯(lián)起來(lái)。但是這樣一來(lái)插入損耗更大,制作成本也成倍增加。 


          ?   柱型壓電陶瓷諧振擾偏器 

           這種擾偏器的主要結構是將光纖纏繞在柱型的壓電陶瓷上,在壓電陶瓷上施加電壓,壓電陶瓷會(huì )發(fā)生形變,從而使得上面的光纖產(chǎn)生拉伸,由于光彈效應,進(jìn)而使得光纖內部的折射率發(fā)生變化(產(chǎn)生雙折射),造成光纖內傳輸的光的偏振態(tài)的變化(圖1 B)。電壓變化頻率與柱型壓電陶瓷產(chǎn)生諧振的情況下,這種擾偏器的工作效率最高。在實(shí)際應用中,通常是采用多個(gè)柱型串聯(lián)使用,從而降低這種擾偏器的偏振敏感度。這是因為單一柱型的擾偏效果,會(huì )受到入射光初始偏振態(tài)的影響。 

            與鈮酸鋰晶體擾偏器相比,這種擾偏器的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小、偏振損耗(PDL)低、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是體積大、擾偏速度低,另外,由于陶瓷柱膨脹時(shí)光纖產(chǎn)生大量的拉伸,導致殘余調制位相大。 


          ? 擠壓光纖型擾偏器 

           這種擾偏器的結構,是在光纖兩側加上兩塊壓電陶瓷,壓電陶瓷通電后對光纖進(jìn)行擠壓,使光纖產(chǎn)生雙折射,從而實(shí)現擾偏(圖1 C)。同樣,這種擾偏器通常將幾個(gè)擠壓器串聯(lián)使用,目的是排除對入射光的偏振敏感度。這種擾偏器的驅動(dòng)電壓頻率既可以是擠壓器的諧振頻率,也可以是較低頻率。與鈮酸鋰晶體擾偏器相比,它具有插入損耗和偏振相關(guān)損耗(PDL)小,同時(shí)制作成本低。與柱型壓電陶瓷諧振擾偏器相比,它還具有體積小、殘余調制位相低和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。另外,與上面所說(shuō)的兩種擾偏器中任何一個(gè)相比,它都具有低殘余相位調制和低殘余振幅調制(動(dòng)態(tài)損耗)的優(yōu)勢。低殘余相位調制在光學(xué)系統中對于避免干涉相關(guān)噪聲非常重要,而對于用在PDL和DOP測量?jì)x器方面的擾偏器,對低殘余振幅調制的要求是很?chē)栏竦摹?nbsp;

            圖2所示為通用光電公司生產(chǎn)的用于OEM應用的光纖擠壓器型擾偏器板卡。

      圖2 光纖擠壓器型擾偏器模塊PCD-003


              三、擾偏器的性能 

            在實(shí)際應用中,除了上面提到的體積、成本、插入損耗、偏振相關(guān)損耗、殘余相位等特性,用戶(hù)應當關(guān)心擾偏器的這些性能指標: 1 、擾偏均勻性; 2 、擾偏器的工作波長(cháng); 3 、擾偏器的溫度系數。

            擾偏均勻性一般是通過(guò)測量擾偏光經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后的偏振度和測量邦加球上偏振態(tài)覆蓋區的均勻性來(lái)體現。圖3A展示了用圖2所示擾偏器板卡實(shí)現的邦加球上完美的擾偏均勻性。圖3B表示的是探測器帶寬與 DOP 之間的的函數關(guān)系。圖3C展示了波長(cháng)靈敏度。由圖3C可知,多段光纖擠壓器型擾偏器對波長(cháng)變化的敏感度遠遠低于其它類(lèi)型的擾偏器。實(shí)驗結果還顯示,光纖擠壓器型擾偏器對溫度變化的敏感度也是較低的,如圖3D所示。

      圖3 光纖擠壓器型擾偏器性能


              擾偏器的工作壽命也是用戶(hù)關(guān)心的事情。對于光纖擠壓器型擾偏器,如果不做特殊工藝處理和保護,光纖會(huì )很快損壞。通用光電公司從 1996 年起花了很大力氣對在應力狀態(tài)下光纖受損失效的機理及保護技術(shù)進(jìn)行了研究。采用通用光電公司的專(zhuān)利光纖保護技術(shù),經(jīng)測算,擠壓器中的光纖在最大工作應力下的平均失靈年限(MTTF)可達到 20 億年。 

            通用光電公司(General Photonics)除了生產(chǎn)應用于 OEM 的電路板卡式的擾偏器(型號 PCD-003/004),有利于用戶(hù)設計到自己的儀器當中,還生產(chǎn)出一種可以直接獨立工作的擾偏儀PCD-104(圖 4),特別方便于光器件廠(chǎng)商和設備制造商用戶(hù)放在桌面上直接使用。

      圖 4 臺式擾偏儀


              四、擾偏器的用途

            擾偏器在光通信網(wǎng)絡(luò ),光纖傳感系統,測試測量系統中大有用途。如圖5A所示,對于 PDG 或超長(cháng)距離傳輸系統中摻鉺光纖放大器,擾偏器可接在接收端,用于減小偏振燒孔效應。對于這一應用,擾偏速率應大大高于光纖放大器的增益恢復時(shí)間常數的倒數(在 10Hz 數量級)。

      圖5  擾偏器的多種應用

              擾偏器還可用來(lái)輔助監控WDM系統的PMD,如圖5B所示。一般來(lái)講,可通過(guò)測量流經(jīng)光纖的光數據流的偏振度DOP監控PMD。 DOP值低通常代表PMD大。然而,這種測量也可能不準,因為如果注入傳輸光纖的光的偏振態(tài)與光纖的主偏振態(tài)對準,那么無(wú)論兩個(gè)偏振態(tài)之間的差分群延遲DGD有多大,測量的DOP值總會(huì )很大。避免這一測量誤差的一個(gè)有效方法,就是在發(fā)射端使用擾偏器。另外,它還可以使接收端的PMD補償器中的偏振態(tài)測量?jì)x對PSP進(jìn)行識別,這樣可加速對 PMD的補償。在光網(wǎng)絡(luò )方面的其它應用還有,在擾偏器后面放置起偏器來(lái)監控WDM信號的信噪比。 

            擾偏器還可用來(lái)消除光纖傳感器的偏振衰減,如圖5C所示。在這種系統中,響應曲線(xiàn)的包絡(luò )線(xiàn)是相對偏振波動(dòng)而獨立的。   

            在偏振敏感儀器(如衍射光柵光譜分析儀)前放置一臺擾偏器,如果擾偏速率遠遠超過(guò)儀器中探測器的速度,則可有效消除偏振影響,如圖5D所示。另外,借助于一臺數字示波器,擾偏器可以測量受測的儀器(DUT)的PDL值,如圖5E所示。儀器的PDL值可由下式計算: 

                                                                                               PDL = 10log (Vmax / Vmin) 

              式中,Vmax 和 Vmin 是數字示波器顯示的最大和最小信號值。 

             如果泵浦激光是高偏振的,那么Raman放大器通常顯示大PDG值。為了使PDG值最小化,必須使用消偏的泵浦光源。泵浦光源的DOP值與放大器的PDG值有直接的聯(lián)系,所以必須仔細校驗。 DOP可由昂貴的基于偏光計的偏振分析儀來(lái)檢測;然而,這種儀器對于低DOP值(<5%)的光源不夠精確。擾偏器加上一臺數字示波器,即可用來(lái)精確測量DOP值,原理如圖5F所示。假設用數字示波器測得的最大和最小電壓值分別為Vmax和Vmin,那么光源的DOP值可由下式計算: 

                                                                                               DOP= (Vmax - Vmin)/(Vmax + Vmin)

              五、總結 

            綜上所述,擾偏器是用于光纖通訊,光纖傳感和光纖測試測量的一種重要儀器。光纖擠壓器型擾偏器模塊,由于其低插入損耗,低背向反射,低殘余振幅調制和低殘余相位調制,低波長(cháng)和溫度敏感度,低成本以及小體積而尤其適于OEM應用,其OEM應用可方便地集成到各種不同的網(wǎng)絡(luò )設備,光纖傳感系統和測試測量?jì)x器中。而 可以直接獨立工作的擾偏儀,則特別方便于光器件廠(chǎng)商和設備制造商用戶(hù)放在桌面上直接使用。   


      注:本文參考 Steve Yao 等人的有關(guān)文章進(jìn)行編寫(xiě)。


      相關(guān)產(chǎn)品:臺式偏振擾偏儀 PCD-104


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