（光学工程专业论文）光纤偏振态的高速控制与偏振编码通信.pdf

中文摘要 偏振效应是当前光纤技术领域中的一个热点问题。一方面光纤系统中大量的 偏振问题如偏振相关损耗、偏振模色散、消偏振等在高速情况下变得非常严重， 导致系统性能的恶化，已成为高速光纤通信系统速率升级的瓶颈；另一面，偏振 效应在高速光信号处理中的优势，促使各种新技术如偏振光开关、偏振光编码、 偏振光逻辑等迅速发展起来。无论在偏振问题的解决还是偏振效应的应用中，偏 振控制都是一个核心技术。高速偏振控制能快速补偿光纤系统中各种偏振相关的 信号损伤，大幅度提升系统性能，保证高速偏振相关器件功能的实现，至关重要， 是目前光纤技术领域的关键课题之一。 编码格式是4 0 g b s 及以上速率的光纤通信系统中的一大难题。在现有编码格 式的通信系统中，向4 0 g b s 速率的升级加剧了非线性效应引起的信号损伤，造成 偏振模色散的功率代价成倍增长，信噪比严重恶化，谱效率低下，最终导致误码 率急剧上升。因此，寻找新的编码格式是当前光纤通信领域的迫切任务。偏振编 码是一种全新的编码格式，它具有天然的功率均衡性、偏振特性好、功率代价小 等优势，可大大降低系统中的非线性效应、抑制偏振模色散、降低误码率、提高 谱效率，因此偏振编码通信的实现将推动高速光纤通信更快地发展。 本文首先详细分析了光纤及通信系统中的各种偏振效应，包括偏振控制器与 半导体光放大器( s o a ) 的偏振特性，在国家“8 6 3 ”项目与国家自然基金项目的 支持下，对光纤偏振态的高速控制、高速偏振编码通信及高速信号源等问题展开 了系统深入的研究，提出了多项关键技术，实现了高速偏振控制与偏振编码通信。 本文取得的创新性成果主要有： 1 在m u e l l e r 矩阵极分解的基础上，对光纤与s o a 中的偏振效应进行了深入 研究，提出一种精确获得偏振旋转( 或双折射) 矢量的差分旋转法，适合于光纤 在扰动较大的复杂环境中的长期测量，大大提高了m u e l l e r 矩阵测量方法的精度与 抗干扰能力；建立了一种能够表征实际应用中s o a 的3 种效应( 偏振旋转、偏振 相关增益、偏振无关增益) 及其关系的参数模型，利用该模型得到了s o a 正交偏 振旋转的必要条件，解决了光纤通信系统中s o a 偏振旋转效应的应用问题。 2 提出一种计算圆单模光纤中压应力函数及其应力分布的方法，得到了光纤 与纤芯中应力分布的解析解，解决了光纤的弹性形变及极限压应力问题；应用矢 量微扰法获得了适用于圆单模光纤的压应力双折射，精密的实验测量验证了所得 理论结果的正确性；得到了压力大小及方向与双折射矢量的函数关系式，提供了 一种不仅能检测压力大小，而且能够获得压力方向的光纤传感方法。 中文摘要 3 首次将广义偏振主态概念引入对p z t 挤压光纤所致弹光效应的特性分析， 提出多元主态的概念，得到了双单元、三单元压电偏振控制器( p p c ) 输出偏振态 与驱动电压解析形式的主态模型；提出并实现了一种基于开坏控制的光纤偏振态 高速控制方法，将传统偏振控制速度提高2 3 个数量级，达微秒量级，成功地应 用三单元p p c 进行了高速偏振态发生器实验。其中，光纤偏振念的高速开环控制 方法被“o p t i c sl e t t e r s ”评论员评价为“g r e a tw o r k ( 杰出工作) 0 4 提出一种基于s o a 交叉偏振调制的光脉冲数字差分方法，实现了提取脉冲 前沿的单边差分和同时提取脉冲前后沿的双边差分技术，应用双边差分法实验成 功一种高速的全光差分器，所得差分信号的脉宽比基于s o a 交叉增益调制的差分 器获得的更窄：应用这种双边差分法，成功地将5 g b s 的低速信号倍速到4 0 g b s ， 获得了高速信号源。其中，基于s o a 交叉偏振调制的双边差分方法被“o p t i c s l e t t e r s ”评论员评价为“a n o v e lt e c h n o l o g y ( 一项创新技术) ”。 5 提出一种基于s o a 泵浦光控正交偏振旋转的数字偏振编码方法，实验成功 1 2 5 g b s 基于差分接收的偏振编码通信；观察到偏振编码过程中的偏振不稳现象， 找到了偏振旋转效率最高的泵浦波长，提供了一种克服交叉增益调制影响的功率 均衡方法；对4 0 g b s 的单波长与4 4 0 g b s 多波长偏振编码通信系统数值模拟结 果表明，偏振编码格式使用的传输功率更小，能较好克服光纤非线性效应的影响， 显著降低误码率。其中，基于s o a 正交偏振旋转的偏振编码方法被“o p t i c sl e t t e r s ” 评论员评价为“as i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n ( 一项重要贡献) ”。 关键词：高速光纤通信；偏振控制；偏振编码；半导体光放大器；m u e l l e r 矩阵； 分类号：t n 9 2 9 a b s t r a c t p o l a r i z a t i o ne f f e c ti san o r m e g l i g i b l ep r o b l e mi nt h ef i e l do ff i b e rt e c h n o l o g y o n t h eo n eh a n d ，al a r g en u m b e ro fp o l a r i z a t i o np r o b l e m si nf i b e r s y s t e m ，f o re x a m p l e ， p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ，p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) ，d e p o l a r i z a t i o n ，e c t ， b e c o m ev e r ys e r i o u s ，w h i c hr e s u l ti nt h ed e g r a d a t i o no fs y s t e m p e r f o r m a n c ea n d b e c o m eam a i nb o t t l e n e c kf o rr a t eu p g r a d eo f h i g h s p e e df i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o i lt h eo t h e rh a n d ，t h ea d v a n t a g e so fp o l a r i z a t i o ne f f e c t si nh i 班- s p e e do p t i c a l s i g n a l p r o c e s s i n gi m p e lv a r i o u sn o v l et e c h n o l o g i e sd e v e l o pr a p i d l ys u c ha sp o l a r i z a t i o n o p t i c a ls w i t c h ，p o l a r i z a t i o no p t i c a le n c o d i n g ，p o l a r i z a t i o no p t i c a ll o g i c ，e c t w h e t h e r f o rs o l v i n gt h ep o l a r i z a t i o np r o b l e m so ra p p l i c a t i o no f p o l a r i z a t i o ne f f e c t s ，p o l a r i z a t i o n c o n t r o li sa k e yt e c h n o l o g y h i 曲一s p e e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o lc a nq u i c k l yc o m p e n s a t et h e m a s s i v ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n td a m a g e si nf i b e rs y s t e m s ，a n dg r e a t l y i m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，w h i l ee n s u r et h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - s p e e dp o l a r i z a t i o nr e l a t e d d e v i c e s ，w h i c hi so n eo ft h ec o r er e s e a r c hi s s u e si nt h ef e l do ff i b e rt e c h n o l o g y e n c o d i n gf o r m a ti sad i f f i c u l tp r o b l e mf o r4 0 g b sa n da b o v eh i g h s p e e df i b e r c o m m u n i c a t i o n i nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hp r e s e n te n c o d i n gf o r m a t s ，t h eb i t r a t eu p g r a d et o4 0 g b sg i v e sr i s et oi n t e n s i v ed a m a g eo fs i g n a lb yn o n l i n e a re f f e c t s ， w h i l ec a u s e sd o u b l ei n c r e a s eo fp m d p e n a l t y , s e r i o u sd e t e r i o r a t i o no fs i g n a l t o n o i s e r a t i o ，a n dl o w e rs p e c t r u me f f i c i e n c y t h e r e f o r el o o k i n gf o rn e we n c o d i n gf o r m a t b e c o m e sa nu r g e n tt a s ki n p r e s e n th i g h - s p e e df i b e rc o m m u n i c a t i o n s p o l a r i z a t i o n e n c o d i n gi san o v e lf o r m a ta n dh a sm o r ea d v a n g e ss u c ha sn a t u r a lp o w e re q u a l i z a t i o n b e t t e rp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，l e s sp o w e rp e n a l i t y , a n ds oo n , w h i c hc a ng r e a t l y r e d u c et h en o n l i n e a re f f e c t s ，s u p p r e s st h ep m d ，a n d i m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y , s o i t sr e a l i z a t i o nw i l la c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e df i b e rc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nd e t a i l e di n v e s t i g a t i o no fv a r i o u sp o l a r i z a t i o ne f f e c t s i nt h ef i b e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n c l u d i n gp r o p e r t i e so fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r a n ds e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，u n d e rs u p p o r to f t h e “8 6 3 ”p m j e c ta n dt h e n a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o n ，h i g h s p e e df i b e rp o l a r i z a t i o nc o n t r o la n d p o l a r i z a t i o ne n c o d i n gc o m m u n i c a t i o nw i t ht h es i g n a ls o u r c ea r ed e e p l yr e s e a r c h e d ， w h i l eaf e wk e r n e lt e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e d ，t h e nt h eh i g h s p e e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o l a n dp o l a r i z a t i o ne n c o d i n gc o m m u n i c a t i o na r ed e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y t h em a i n i n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： v 中文摘要 1 b a s e do np o l a rd e c o m p o s i t i o no fm u e l l e rm a t r i x ，t h ep o l a r i z a t i o ne f f e c t si nt h e f i b e ra n ds o aa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，a n dap r e c i s ed i f f e r e n t i a lr o t a t i o nm e t h o di s p r o p o s e dt oo b t a i nt h ep ro rb i r e f r i n g e n c ev e c t o r s ，w h i c hi sa p p l i c a b l et ol o n gt i m e m e a s u r e m e n to ff i b e ri nc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n tw i t hg r e a tp e r t u r b a t i o n ，t h e r e f o r e g r e a t l yi m p r o v e st h ep r e c i s i o na n da n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yo fm u e l l e rm a t r i x m e t h o d f u r t h e r m o r eap r a c t i c a lp a r a m e t e rm o d e li se s t a b l i s h e dw h i c hc a nd e s c r i b e t l u c ck i n d so fe f f e c t si n c l u d i n gp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ( p r ) ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tg a i n ， a n dp o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n tg a i ni nt h es o a ，w h i l ei ti ss u c c e s s f u l l yu s e dt oo b t a i nt h e n e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rs o a b a s e do r t h o g o n a lp r ( o p r ) ，a n dt os o l v et h ep r o b l e m si n t h ea p p l i c a t i o n so fs o a b a s e d p o l a r i z a t i o nr o t a t i o n 2 at h e o r e t i c a la p p r o a c hi sp r o p o s e dt oc o m p u t et h es t r e s sf u n c t i o na n di t s d i s t r i b u t i o ni nt h ec i r c u l a rs i n g l em o d ef i b e r s ( s m f s ) u n d e rp r e s s ，a n dt h ea n a l y t i c a l s o l u t i o no fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni so b t a i n e df o rt h ef i b e ra n dc o r e ，w h i l et h ee l a s t i c d e f o r m a t i o na n dl i m i t a t i o no fp r e s s u r es t r e s sh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l t h e nt h e s t r e s sb i r e f r i n g e n c ei sg a i n e df o rc i r c u l a rs m f sb yv e c t o rp e r t u r b a t i o na p p r o a c h ，a n d t h et h e o r e t i c a lr e s u l ti s p r o v e db yp r e c i s ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t m o r e o v e rt h e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p r e s s v e c t o r ( m a g n i t u d e a n d d i r e c t i o n ) a n d b i r e f r i n g e n c ev e c t o ri ss t u d i e da n dd i s c l o s e d ，w h i l eaf i b e r - b a s e ds e n s i n gm e t h o di s p r e s e n t e dw h i c hc a no b t a i nn o to n l yt h em a g n i t u d eb u ta l s ot h ed i r e c t i o no fp r e s s 3 ag e n e r a t e dc o n c e p to fp r i n c i p a ls t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( p s p ) i si n t r o d u c e dt o a n a l y z et h ee l a s t i c o p t i ce f f e c ti nt h ef i b e rc a u s e db yp z ts q u e e z i n g ，a n dt h e nt h e c o n c e p to fm u l t i c o m p o n e n tp s pi sp r o p o s e d ，w h i l et h ep s pm o d e lw h i c hd e s c r i b e st h e o u t p u ts t a t eo fp o l a r i z a t i o nf u n c t i o nw i t hr e l a t i o nt od r i v i n gv o l t a g ei so b t a i n e df o rt h e p i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ( p p c s ) w i t ht w oa n dt h r e eu n i t s ，t h u sa no p e n l o o p h i g h s p e e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hi m p r o v e st h ec o n t r o ls p e e d o fp r e s e n tp c st o2 - 3o r d e ro fm a g n i t u d ea n dr e a c ht h em i c r o s e c o n dm a g n i t u d e f u r t h e r m o r eah i g h s p e e dp o l a r i z a t i o ns t a t eg e n e r a t o ri sd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y b a s e do n3 - u n i tp p c t h em e t h o do fo p e n - l o o ph i g h s p e e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o li s a p p r a i s e da s g r e a tw o r k b yc o m m e n t a t o r so f o p t i c sl e t t e r s 4 an e wm e t h o do fo p t i c a lp u l s ed i f f e r e n t i a li s p r o p o s e db a s e do nc r o s s p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o no ft h es o a ，a n dt h e ni ti sd e m o n s t r a t e df o re x t r a c t i n gt h ep u l s e f r on te d g eb ys i n g l e - s i d ed i f f e r e n t i a t i o na n db o t he d g e sb yd o u b l e - - s i d eo p t i c a l d i f l b r e n t i a t i o n t h u sah i g h s p e e da l l o p t i c a ld i f f e r e n t i a t o ri si m p l e m e n t e db a s e do n d o u b l e s i d ed i f f e r e n t i a t i o n w h e r et h ed i f f e r e n t i a ls i g n a li sm u c hs h o r t e rt h a nt h a t o b t a i n e db ys o a sc r o s s g a i nm o d u l a t i o n f u r t h e r m o r eb a s e do nd o u b l e s i d e d i f f e r e i l t i a t i o n ，t h el o w - r a t ec l o c ko f5g b si ss u c c e s s f u l l ym u l t i p l i e du pt o4 0 g b s ，a n d t h e nah i g h s p e e ds i g n a ls o u r c ei sa c h i e v e d t h es o a - b a s e dd o u b l e s i d ea 1 1 o p t i c a l d i f f e r e n t i a t o ri sa p p r a i s e da s an o v e lt e c h n o l o g y b yc o m m e n t a t o r so f “o p t i c sl e t t e r s ” 5 an o v e ls c h e m eo fd i g i t a lp o l a r i z a t i o ne n c o d i n gi sp r o p o s e db a s e do no r t h o g o n a l p o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ( o p r ) o f t h es o a b yo p t i c a lp u m pc o n t r o l ，a n dt h ee x p e r i m e n to f 12 5 一g b s p o l a r i z a t i o ne n c o d i n gc o m m u n i c a t i o ni ss u c c e s s f u l l yc a r r i e do u tw i t h d i f f e r e n t i a lp o l a r i z a t i o nd e c o d i n gr e c e i v e r t h ep o l a r i z a t i o ns h a k i n go fo u t p u ts i g n a l f r o mt h es o ai np o l a r i z a t i o ne n c o d i n gi so b s e r v e db ye x p e r i m e n t ，a n dt h ep u m p w a v e l e n g t hw i mt h eh i g h e s te f f i c i e n c yf o ro p ri so b t a i n e d ，w h i l eap o w e re q u a l i z a t i o n m e t h o di sp r e s e n t e dt oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fc r o s sg a i nm o d u l a t i o n b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o ne n c o d i n gt r a n s m i s s i o ni n4 0g b ss i n g l ec h a n n e la n d 4 x 4 0g b sm u l t i c h a n n e lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h e r ei ti sc o n v i n c e dt h a tt h e p o l a r i z a t i o ne n c o d i n gc o m m u n i c a t i o ne m p l o y sl e s st r a n s m i s s i o np o w e rt h e no v e r c o m e t h en o n l i n e a re f f e c t si nt h ef i b e ra n dg r e a t l yr e d u c et h eb i te r r o rr a t e t h em e t h o do f p o l a r i z a t i o ne n c o d i n gb a n s e do no p ro ft h es o ai sa p p r a i s e da s as i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o n b yc o m m e n t a t o r so f “o p t i c sl e t t e r s ” k e y w o r d s ：h i g h s p e e do p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n ；p o l a r i z a t i o nc o n t r o l ； p o l a r i z a t i o ne n c o d i n g ；s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ；m u e l l e rm a t r i x c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 v l l a s e b e r c s r z c w d c f d f b d g d d o p d p s k d q p s k d 、d m e d f a f b g f 、) i n 垤 删 m z m n b f o o k o p r o s c o s n r p a p c p d l p d g p m d p o l s k p o t d r p p c 缩写词索引 a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n b i te r r o rr a t e c a r d e r - s u p p r e s s e dr e t u r n - t o - z e r o c o n t i n u o u sw a v e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r d i s t r i b u t e df e e d b a c k d i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n d i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e - s h i f tk e y i n g d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r f i b e rb r a g gg r a t i n g f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g m u e l l e rm a t r i x m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r n a r r o wb a n a s sf i l t e r o n o f fk e y i n g o r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n o s c i l l o g r a p h o p t i c a ls i g n a l - - t o n o i s er a t i o p o l a r i z a t i o na n a l y z e r p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tl o s s p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tg a i n p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n p o l a r i z a t i o np h a s e s h i f tk e y i n g p o l a r i z a t i o no p t i c a lt i m e - d o m a i nr e f l e c t o m e t e r p i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 1 0 6 放大白发辐射 误码率 载波抑制门零 连续直流波 色散补偿光纤 分布反馈式 差分群时延 偏振度 差分相移键控 差分四相移键控 密集波分复用 掺铒光纤放大器 光纤布拉格光栅 四波混频 m u e l l e r 矩阵 马赫一曾德调制器 窄带滤波器 开关键控 止交偏振旋转 示波器 光信噪比 偏振分析仪 偏振控制器 偏振相关损耗 偏振相关增益 偏振模色散 偏振相移键控 偏振光时域反射计 压电偏振控制器 缩写词索引 p p g p s g p s p p v g p w p z t r x r z s s b s o a s p m s m f t e t m t x 嘲 、d m x g m x p m x p o l m p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r p o l a r i z a t i o ns t a t eg e n e r a t o r p r i n c i p a ls t a t eo fp o l a r i z a t i o n p r e s s u r ev e c t o rg e n e r a t o r p u l s e dw a v e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r r e c e i v e r r e t u r n - t o z e r o s i n g l e - s i d e - b a n d s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r s e l f - p h a s em o d u l a t i o n s i n g l em o d ef i b e r t r a n s v e r s e - e l e c t r i c t r a n s v e r s e - m a g n e t i c t r a n s m i t t e r v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i l ； l e x e r c r o s s - g a i nm o d u l a t i o n c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n c r o s s p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o n 1 0 7 码型发生器 偏振态发生器 偏振主态 压力矢量发生器 脉冲波 压电陶瓷 接收端 归零 单边带 半导体光放大器 自相位调制 普通单模光纤 横电的 横磁的 发送端 可调衰耗器 波分复用器 交叉增益调制 交叉相位调制 交义偏振调制 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 茗敬勇 签字日期：沙缉7 砂月膨日 引币链垆电力、 导师签名：哆 u 签字嗍彦辟阍户 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：者涨磅 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴重庆教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，导 师严谨的治学态度、睿智的思维、科学的工作方法以及远见卓识，使我受益匪浅， 这些崇高的品质潜移默化、和风细雨般促使我顺利完成了博士论文，而且还将对 我今后的学习与工作产生深远的影响。攻读博士学位期间，师母李老师在生活上 给了我极大的帮助与关心，使我能够顺利完成学业，在此谨向恩师与师母致以诚 挚的访 意! 在南洋理工大学半年的学习过程中，得到了沈平教授的大力支持和帮助，使 我进一步提高了科研工作能力，在此向沈教授表示衷心的谢意! 同时，要感谢董 辉博士的有益讨论，感谢傅松年博士、余霞博士、周俊强博士等为我提供了良好 的实验器材，感谢南洋理工大学网络研究中心所有给予我帮助的人! 在课题研究进行期间，盛新志教授、王智教授、刘岚岚副教授、王健副教授 等老师给予了大量的帮助，为我解决了许多实验条件上的困难，在此向他们表示 衷心的感谢! 此外，非常感谢我们这个温暖和睦的大集体。感谢实验室的王拥军、程木、 杨双收、田昌勇、高凯强、赵爽、王亚平、余贶碌、尚超、刘华、赵曦等同学， 也要感谢已毕业的李亚捷、魏斌、倪东、 营造了一个活泼向上、积极进取的氛围， 此一并致谢! 刘琦、刘衍飞等同学，是你们为实验室 并在实验与生活上给了我很多帮助，在 深深感谢我年近花甲的父母，是您们含辛茹苦的抚育、朴素无华的精神使我 能始终如一地求学至今。深情感谢我的爱妻，是你无微不至的关心、一如既往的 支持和鼓励使我能潜心于学术研究，还要特别感谢岳父、岳母对我学习与生活上 的大力支持。 感谢所有审阅论文的老师，您们的意见是极为宝贵的。此外，要感谢a g i l e n t 中国公司、l e c r o y 中国公司提供了高速通信测试仪器。 第一章绪论 随着高速光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，各种复杂的偏振现象逐渐凸 现出来，偏振效应开始成为当前的一个研究热点。一方面，偏振效应所引起的大 量偏振问题已成为高速光纤通信系统升级的重要瓶颈，另一面，偏振效应在高速 光信号处理方面的优势，促使各种偏振应用技术迅速发展起来。无论是在偏振问 题的解决还是偏振效应的应用中，偏振控制都是一个关键技术。高速偏振控制的 实现将极大地推动光纤技术与偏振效应应用的发展。 高速光纤通信单波长速率在向4 0 g b s 及以上发展的过程中，现有编码格式因 严重的非线性效应、偏振模色散等均出现了误码率增大、谱效率低下等问题，寻 找新的编码格式已成为当前光纤通信进一步发展的首要任务。偏振编码是一种全 新的编码格式，它的提出与实现将为高速光纤通信系统的速率升级带来新的希望。 1 1 偏振光学基础 1 1 1 光偏振现象 光的偏振现象最早于1 6 6 9 年由丹麦人e b a r t h o l i n u s 在方解石晶体中观察到， 此后在1 8 0 8 年，法国人e m a l u s 首次报道了双折射产生的双像随晶体旋转而交替 出现或消失的结烈。1 8 1 5 年，d b r e w s t e r 在研究玻璃的反射特性时发现反射光 的偏振特性，提出了著名的b r e w s t e r 起偏角及其定律【2 】。大约在1 8 1 8 年，f r e s n e l 和a r a g o 通过大量实验中得出均匀介质中的光场只有横向分量，而无纵向分量的 结论【1 1 。1 8 6 5 年m a x w e l l 确立了光的电磁理论，明确指出光是一种横波，即光场 ( 一般指电场) 具有矢量性或偏振特性。 从微观上看，对光源发出的任意波列，如果在一段特别短的时间( 接近光振 荡周期1 0 。1 4 秒) 内观测，可以发现光场矢量具有固定的振动方向，即偏振。一般 而言，光源由于原子随机发光，