（通信与信息系统专业论文）160g光时分复用器制作及扰偏器的应用.pdf

北京交通大学硕士学位论文 丫8 7 9 5 5 9 摘要 光时分复用器是光时分复用通信系统发送端非常关键的 器件，随着传输速率的不断提高，对复用器的制作工艺的要求 也随之提高。复用器的时延精度和性能稳定性，直接影响到复 用后信号的质量。本文结合实验，重点介绍了1 6 0 g 光时分复 用器的制作工序，涉及光纤耦合器结构和透镜结构两种不同复 用结构的介绍，以及不同时延调整方式，结构的比较，研制成 功了高稳定性，高精度的1 6 0 g 光时分复用器，并搭建了 1 6 0 g b 州s 光时分复用信号产生系统，评估复用后信号质量。 在高速光通信系统中，偏振效应对系统的影响不容忽视。 偏振模色散会导致光脉冲展宽，使脉冲间产生串扰，是系统传 输速率继续提高的主要障碍。1 6 0 g 复用器的成功制作，为高 速系统中偏振效应的分析，偏振模色散补偿等实验的进行打下 了基础。本文介绍了利用偏振仿真器，模拟偏振效应给高速系 统带来的不良影响，阐述了扰偏器的基本原理，比较了不同结 构的扰偏器，以及介绍了在实际系统中的应用。 关键词光纤通信时分复用器扰偏器 北京交通太学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lm u l t i p l e x e ri st h ek e vc o m p o n e mi n “g hs p e e d o p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e 妇n gc o m m u n j c a 缸o ns v s t e m d i l et o t h ei m p r o v i n g0 ft l l e t r a i l s i i l i 佑n gs p c e d ，t h em a n u f a c 砌n g t e c h n i q u es h o u l da l s ob ei m p i o v e d t h et i m e _ ： m z 支。 ： ： ( d ) 上片v 型槽主视图 图3 9 时延调整固定装置的加工机械图 试验结果也表明，两个自聚焦透镜光轴的对准是制约时延 调接的关键因素。虽然是同一型号的产品，但是自聚焦透镜的 1 7 th卞叫主 北京交通大学硕士学位论文 外部金属封装尺寸仍有微小的差异，以及螺丝调节量的限制， 使得在时延连续调整的过程中很难时刻保证光轴的对准。我们 在时延调整的时候，连接到示波器上实时观察，发现稍有偏差 该路光脉冲的幅度将会出现大幅降低，甚至降为o ，光路时断 时续。也就是说，不稳定性限制了这种装置的应用，解决办法 是采用更为精密的空间固定和调节装置，比如三维微调架等， 但这样会大大增加复用器的制作成本。在不考虑成本的情况 下，以上尝试的确是非常有效的时延调整方法。 另外我们也尝试了用光敏光纤，采用紫外光照射的方法来 调整时延，时延量调节的效果也并不明显。此外，还有平面波 导时延器，虽然可调节性好，但是插入损耗大且成本较高。经 过对多种时延调整方式的比较，我们最终采用最初在4 0 g 光时 分复用器制作时用到的，通过控制光纤长度来调整时延的方 法，能够很好的同时满足稳定性和精度的要求。 3 2 3 复用结构的调整 前期的4 0 g 光时分复用器在复用部分都采用的是光纤耦合 器，属于光纤结构的复用方式。接下来我们考虑使用空间结构 的复用方式。 我们选用一种镀膜的透镜来替代原来复用器中的光纤耦 合器部分。镀膜透镜的结构如图3 一l o 所示。从图中我们可以 看到，透镜外部为圆柱型封装，外层有金属保护层。在圆柱型 金属封装的内部中央，固定着一个镀有金属膜的透镜，两端都 北京交通大学硕士学位论文 是光纤尾纤。由于镀有金属膜，所以该透镜其实是一个半透半 反镜。光脉冲从入射端( 端口1 ) 的光纤射入到透镜上，一部分 光直接经过反射，从反射端( 端口2 ) 射出；另一部分光则穿过 透镜，从透射端( 端口3 ) 射出。调整镀膜透镜的工艺参数，可 以使得这两部分光功率接近，做到l ：l 的分光比。该器件由福 建k o n c e n t 通信公司按照我们的试验指标加工制作。工作带宽 在1 5 2 0 一1 6 0 0 n m ，尾纤类型为普通的c o r n i n gs m f 一2 82 5 0 u m 光纤，工作温度在o 一7 0 度。镀膜透镜的实际外观如图3 1 1 所示，为两个透镜并排放置，外面有覆有保护膜。 镀膜透镜 图3 1 0 镀膜透镜的内部结构图 图3 1 1 镀膜透镜外观 1 9 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 2 透镜结构实现一级复用示意图 我们通过图3 1 2 来说明如何利用这种透镜结构来实现复 用。图中表示的是利用两个相同的透镜实现一级复用。首先我 们看两个透镜之间的连接方式，透射端( 端口3 ) 之间的光纤直 接焊接，在图中用一段粗线表示；反射端之间相连，但是之问 会留有一定长度的光纤( 图中用光纤环来表示) ，通过控制光纤 长度来调节该路的时延量。光源出来的光脉冲用空白三角表 示，它从左侧的透镜入射端( 端口1 ) 射入，一部分由透射端( 端 口3 ) 射出，另一部分则到达反射端( 端口2 ) 。经过分光后，脉 冲幅度肯定有所降低，在图上通过空白三角的高度来体现。反 射端的光脉冲经过一定长度的调节光纤后与原始脉冲之间产 生了一定的时延，为了区别开，用黑色三角来表示。这一路脉 冲与透射端直接到达的脉冲在右侧的透镜处合并，形成复用后 的脉冲，从右侧透镜的入射端输出，完成一级复用。将这样的 2 个透镜结合的结构进行级联，就可以实现多级复用。比如我 们所要实现的将l o g b 甜s 的信号复用到1 6 0 g b i 讹，则需要4 2 0 北京交通大学硕士学位论文 级的级联，共需要8 个透镜。 3 2 4 复用器的制作工序 在确定了复用结构采用透镜的空间结构，时延调整采用光 纤结构之后，我们开始1 6 0 g 光时分复用器的制作。 在3 2 3 中我们已经提到了，实际上我们就是要构建一个 4 级级联的透镜组合的结构，完成从l o g b i t s 信号到1 6 0 g b i 讹 信号的复用。我们的步骤就是依次搭建每一级的结构，通过连 接到示波器上实时观测经过该级复用后信号或一定重复频率 光脉冲的波形，调整好该级的时延。制作时的测试系统示意图 如图3 1 3 所示。 图3 1 3 复用器制作时测试系统框图 在制作复用器的测试系统中，光源采用德国u 2 t 公司的 北京交通大学硕士学位论文 t m l l l 5 5 0 激光器，配有外围温度控制和电流控制。惠普公司 的8 3 7 1 1 b 频率合成器产生重复频率为1 0 g h z 的电信号通过一 个功分器，一路输入到激光器中，另一路输入到 a g “e n t 8 6 1 0 0 b 数字示波器的射频输入端作为时钟触发信号。 激光器工作在主动锁模的方式，产生重复频率为l o g h z 的光脉 冲，入射到待测的复用器中，从复用器出来的复用信号输入到 数字示波器中观测波形。图中光放大器置于虚线框中表示该器 件可选，当复用器制作过程中，随着复用级数的增加，单路光 功率随之降低，会需要用到光放大器提高功率，前期并不需要。 图中细线表示电信号通路，粗线箭头表示光路。 我们主要看待测复用器这个部分。上方的虚线框中给出了 实际结构，其实就是图3 一1 2 中给出的结构。我们首先实现第 一级复用，将重复频率l o g h z 的光脉冲复用到2 0 g h z ，就是只 需要一个图3 1 2 中的结构，也就是两个透镜的组合。右侧透 镜的入射端( 端口1 ) 在这里就作为第一级复用的输出端，接到 数字示波器的光口上，调节反射端之间的光纤长度，在示波器 上观测调整时延的那一路光脉冲准确插到原始脉冲中间，形成 重复频率为2 0 g h z 的光脉冲即可。 原始脉冲重复频率是= 1 0 g h z ，那么在反射端焊接之前， 示波器上显示的应该是已经焊接好的透射端过来的信号，重复 频率仍然是l o g h z ，每相邻两个脉冲之间距离是 岛= 1 五= 1 0 0 p s 。为了形成2 0 g h z 的重复频率，反射端过来的光 脉冲必须插在距离原始相邻脉冲中间，距每一个原始脉冲5 0 口s 的位置，时延调整时光纤长度的变化上与脉冲移动的位置r 北京交通大学硕士学位论文 之间的关系如式( 3 2 ) ， l = 旦， 胛 ( 3 2 ) 其中c 代表真空中光速，为3 1 0 8 s ：力代表光纤芯层的 折射率，我们使用的是普通的g 6 5 2 单模光纤，芯层折射率约 为1 4 8 ；这样计算下来脉冲在示波器上每移动l p s 需要调整 反射端光纤长度约o 2 肼b 我们采用巧妙的光纤切割和熔接技 术，能够精确调整时延。各路脉冲幅度方面，本身镀膜透镜的 反射率与透射率保证了分光功率的一致性，微小的差异可以通 过光纤自身的微弯应力来调节，每一级的幅度依次调整，以保 证以后各级幅度的一致。 图3 1 4 给出了两级复用后，在示波器上观测到的，重复 频率为4 0 g h z 的光脉冲的波形图。示波器横向坐标分别为每 格2 5 p s 和l o p s ；图3 1 5 给出了三级复用后，重复频率为 8 0 g h z 的光脉冲的波形图，示波器横向坐标分别为每格 1 2 5 p s 和5 p s 。 ( a ) 2 5 p s d i v ( b ) 1 0 p s d i v 图3 1 44 0 g h z 脉冲波形 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) 1 2 5 p s d j v( b ) 5 p s d i v 图3 1 58 0 g h z 脉冲波形 我们按同样的原理继续进行了第四级的复用，复用后信号 能够达到重复频率为1 6 0 g h z ，但是由于a g 订e n t 8 6 1 0 0 b 示波 器的限制，已经达不到此时的测量要求，观测的波形如图3 - 1 6 所示。 ： i 【i l + _ j l l i c 一 ： i 二 图3 1 61 6 0 g h z 脉冲波形( 1 2 5 p s d j v ) 虽然用a g il e n t 8 6 1 0 0 b 示波器不能直接观测重复频率为 1 6 0 g h z 的光脉冲，但是我们采用特殊的方法，比如在第四级 复用的部分，增大两路中某一路的衰减，使之转化为在示波器 北京变通大学硕士学位论文 上分别观测两路8 0 g h z 的光脉冲，则可以达到等效观测 1 6 0 g h z 光脉冲的目的。 当然，也可以借助于自相关仪来直接观测复用后重复频率 为1 6 0 g h z 光脉冲的结果，如图3 1 7 所示。低速示波器上的 自相关窗口宽度等效到实际宽度是2 0 0 p s ，这是一个固定值。 直接观测t m l l l 5 5 0 激光器的出射光脉冲时，由于重复频率是 l o g h z ，相邻脉冲问间隔是l o o p s ，所以在自相关窗口2 0 0 p s 的范围内可以只可以看到2 个脉冲，图3 7 就是给出了其中的 一个；图3 一1 6 中我们可以看到，在自相关窗口范围类能够观 测到3 2 个脉冲，与重复频率1 6 0 g h z 正好是吻合的。 图3 一1 7 自相关仪测得的1 6 0 g 复用脉冲 3 2 5 复用器的精度 复用器制作完成后，我们来判断复用器的制作精度，作为 北京变通大学硕士学位论文 一个制作好坏的评定标准。首先看看在3 级复用之后的精度， 此时输出的是重复频率为8 0 g h z 光脉冲。 如图3 一1 8 所示，我们通过示波器的m a r k 功能，在横向方 向调出两个黄线，测量出每两个复用后脉冲的距离，当然我们 也可以直接读取示波器自动测量的读数。根据示波器的读数， 我们看到脉冲间隔= x = 1 2 5 0 7 p s ，重复频率f = 1 x = 7 9 9 5 3 g h z ，相对误差6 = ( 8 07 9 9 5 3 ) 8 0 = o 0 5 9 。从脉冲 时间间隔上也可以看出，我们的采用的巧妙的光纤切割和焊接 技术能够保证时延绝对误差在o o l p s 以内。 图3 一1 8 三级复用后制作精度测量图( 5 p s d i v ) 接下来看4 级复用之后复用器的精度，如图3 1 9 所示。 测量时稍有不同，前面也提到过，受限于示波器，无法直接测 北京交通大学硕士学位论文 量两个脉冲之间的时间间隔，必须分两次分别在两路上加上衰 减，将黄线调至脉冲所在的位置，从而读出相邻两脉冲之间的 时间间隔。图中相邻脉冲间隔= x ：6 2 4 3 p s ，重复频率为 1 6 0 1 9 g h z ，相对误差6 = ( 1 6 0 1 9 一1 6 0 ) 1 6 0 = o 1 19 9 6 ，时延绝 对误差为o 0 0 7 p s ，仍然控制在o o l p s 以内。当然我们也可 以通过测量自相关仪上相邻脉冲距离，代入公式( 3 一1 ) 来计算 相邻脉冲的实际间隔。 图3 一1 9 四级复用后制作精度测量图( 5 p s d i v ) 制作完成后的复用器外观如图3 2 0 。前两级复用部分是固 定焊接的，用热缩管保护：在第三级和第4 级复用之间我们采 用活动连接器连接，方便拆卸，可以灵活得选择输出重复频率 为8 0 g h z 和1 6 0 g h z 的光脉冲。在8 0 g h z 的输出端，整个复用 北京交通大学硕士学位论文 器的损耗约为1 2 d b ，在1 6 0 g h z 的输出端，整个复用器的损耗 约1 6 d b 。 图3 2 0 复用器外观 3 2 6 与u 2 t 1 6 0 g 光复用器的比较 我们将自制的1 6 0 g 光时分复用器与德国u 2 t 公司的1 6 0 g 光时分复用器成品做了性能方面的比较。 u 1 的1 6 0 g 光时分复用器同样采用4 级级连的形式，优点 在于脉冲幅度以及时延间隔是可调的，通过面板上的三个偏振 调节装置控制里面的偏振控制器，来调节各路脉冲的幅度；单 级结构如图3 2 1 所示。另外，通过面板上的时延调整旋钮， 连动内部的微型电机，可以租调和微调各相邻脉冲间的时延距 离，时延调整情况用示波器观测结果如图3 2 3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 2 l 单级结构 ( a ) 时刻1( b ) 时刻2 图3 2 2 时延调整情况 比较结果表明，国外的1 6 0 g 光时分复用器成品的优点在 于脉冲幅度和时延可调性好，但是时延调整的精度并不高，且 插入损耗要大于我们制作的复用器。 3 31 6 0 g b m 光时分复用信号产生系统测试 在复用器制作完成后，我们搭建了1 6 0 g b i t s 光时分复用 北京交通大学硕士学位论文 信号产生系统，从而测试复用器的性能。 首先，光源重复频率设为9 9 5 3 g h z ，中心波长为1 5 4 6 2 n m ， 加上1 0 g b i t s 的调制，但先不通过复用器。原理框图如图3 2 3 所示。 图3 2 3 加调制未加复用器测试原理框图 与前面的图3 1 3 相比，光隔离器的使用，用来避免反射 造成的回波的影响，同时也配合使用带有a p c 接口的光纤跳线 来改善反射问题。其它部分与图3 1 3 中基本相同，h p 8 3 7 1 1 b 频率合成器输出的电信号一路通过射频放大器，加到激光器 上，一路作为示波器的外部触发信号。我们在示波器上观测到 的眼图如图3 2 4 所示。我们可以看到，这时的眼图质量并不 好，眼睛中间有很多点，长时间叠加后变成一片混浊。 北京交通大学硕士学位论文 图3 2 4 频率合成器触发示波器图3 2 5 误码仪触发示波器 图3 2 6 改善时基后加l o g b i t ，s 未加复用器测试原理框图 考虑到可能是时基不好造成的，我们对图3 2 3 原理框图 中的触发方式进行了改善。频率合成器出来的时钟信号输入到 n 4 9 0 1 a 误码仪的时钟输入端( c l ki n ) ，误码仪的时钟输出端 ( c l k0 u t ) 连接到示波器的触发输入端，作为示波器的外部触 北京交通大学硕士学位论文 发信号。误码仪另外有的一个触发输出( t r i g g e ro u t ) ，连接 到光调制器的射频输入端。这样调整过后，通过示波器观测到 的眼图如图3 2 4 。通过比较图3 2 3 和图3 2 4 可以发现，改 善触发方式后，眼图效果明显变好。在此基础上，可以进行下 面的试验，将复用器加入到系统中来。改善触发方式后的原理 框图如图3 2 6 所示。 接下来，将复用器加入到系统中去，搭建8 0 g b i t ，s 和 1 6 0 g b i “s 光时分复用信号产生系统，原理框图如图3 2 7 所示。 在示波器上观测到的8 0 g b i 讥信号背靠背眼图如图3 2 8 所示。 1 6 0 ( 南i t s 的信号不能直接在示波器上观测，我们通过自相关 仪测得的图像如图3 2 9 。 图3 2 78 0 g b i t s 时分复用信号产生系统原理框图 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) 1 0 p s d i v ( b ) 5 p s d i v 3 2 88 0 g b i “s 信号背靠背眼图 3 4 结论 图3 2 91 6 0 g b i t s 信号自相关仪图像 前期制作了4 0 g 光时分复用器，采用光纤耦合器结构的复 用方式，控制光纤长度的时延调整方式，复用器为全光纤结构。 同时为后续1 6 0 g 复用器的制作实验积累了实际经验。 北京交通大学硕士学位论文 在此基础上，我们改进复用结构，采用半透半反的镀膜透 镜结构的复用方式。前期光纤耦合器结构的复用器，由于耦合 器的耦合系数是一个与波长有关的参量，所以耦合器的功率耦 合比也就与波长相关，这样复用器就对波长敏感。而采用透镜 结构的复用方式，反射端或透射端输出光功率相对波长的曲线 是平坦的，因此复用器具有对波长不敏感的优点。 比较各种时延调整方式的优缺点后，仍然采用稳定性和精 度都较高的光纤长度调节时延方式，顺利制成了空间结构和光 纤结构相结合的1 6 0 g 光时分复用器。该复用器具有稳定性好， 时延精度高，插入损耗小，体积小，重量轻，受温度变化影响 小等特点，同时输出信号可以在8 0 g b i t ，s 和1 6 0 g b i 以间灵活选 择。 搭建了1 6 0 g b i 体光时分复用信号产生系统，经过实验测 试复用器的使用性能，结果表明该复用器能够满足后续高速通 信系统各个方面实验的要求。 北京交通大学硕士学位论文 第四章扰偏器的作用 本章介绍了借助于偏振仿真器，模拟偏振效应对系统带来 的影响。同时在制作光时分复用器的过程中，我们曾在系统中 引入扰偏器，来优化复用器在时分复用信号产生系统中的性 能，分析了扰偏器的作用。 4 1 偏振模色散对系统的影响 4 1 1 偏振效应 随着光通信系统和光器件技术的不断发展，各种影响系统 性能的因素，诸如色散，衰减等，不断被发现并被有效的克服， 与此同时，我们又得解决新的难题。偏振效应正是高速光通信 系统中必颓面对的问题。 偏振效应主要包括偏振模色散，偏振相关损耗，偏报相关 增益，偏振相关调制等。存某些情况下，偏振效应是可以用来 提丁卜系统和器件性能的，比如在光隔离器中，用偏振效应防止 反射光信号干扰前向传输。但是，多数情况下，偏振效应对系 统性能来说是一种不利因素，必须降到最低以防 h 系统性能的 劣化。 因为后续研究是关于1 6 0 ( 南i 如系统中偏振模色散的动态 自适应补偿，所以在这篇论文中我们先对偏振模色散在系统中 的影响有一个定性的了解。 的影响有一个定性的了解。 北京交通大学硕士学位论文 偏振模色散是一种模式内部的畸变机制，在传输时引起传 输信号的畸变。偏振模色散产生的原因是，在传输路径上，即 使是单模光纤，由于光纤的制作时的非对称性或铺设时的外部 应力，破坏了光纤中两偏振正交模式的简并性，引起双折射的 产生，导致两个偏振模式有不同的群速度，产生微分群时延 d g d ，从而造成脉冲展宽。 4 1 2 偏振仿真器的引入 在我们所搭建的光时分复用信号产生系统中，我们通过偏 振仿真器来模拟实际传输中偏振模色散带来的影响。使用的是 g e n e r a l p h o t o n i c s 公司的d ”a d e l a y 偏振仿真器，通过l 丑b v i e w 编程控制微分群时延d g d 的变化量，d g d 变化范围为一4 5 p s 到 + 4 5 p s ，控制界面如图4 1 所示。 图4 一l 偏振仿真器的控制界面 北京交通大学硕士学位论文 引入偏振仿真器后的系统框图如图4 2 所示。光信号从复 用器出来后，通过偏振仿真器，然后进入到数字示波器中观测 结果。 图4 2 偏振仿真器引入到系统中 复用器之所以用虚线框，表示我们可以先不通过复用器， 仅仅只观测1 0 g b i 讹信号在偏振仿真器变化时，相应眼图变化 情况。我们得到的结果如图4 3 所示。( a ) 图表示引入的d g d 值为o p s ，也就是等同于没有加偏振仿真器的情况下，原始信 号的眼图情况。图( b ) ，( c ) ，( d ) 分别对应为偏振仿真器输出 的d g d 值为2 2 p s ，7 9 p s 和4 5 4 p s 时候的眼图劣化情况。可 以看到，随着偏振仿真器输出d g d 值增加，信号眼图随之劣化 加剧，有明显的脉冲展宽和分裂现象。 北京交通大学硕士学位论文 ( c ) 7 9 p s 图4 31 0 g b i “s 信号劣化情况 接入复用器后，重复频率为8 0 g h z 的光脉冲在偏振仿真器 作用后，脉冲波形劣化如图4 4 所示；进入复用器前经过 1 0 g b i t s 光调制器调制后，8 0 g b i t s 信号眼图劣化情况如图 4 5 所示。图( a ) 都表示偏振仿真器输出d g d 值为o p s 的时候， 这时与第三章中的测试结果是一致的，波形及眼图质量都良 好。随着偏振仿真器输出d g d 值的增加，信号波形及眼图质量 随之恶化，在( b ) 图中表现出来。 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) o p s 图4 48 0 g h z 光脉冲波形劣化情况 ( a ) o p s 图4 58 0 g b i “s 信号眼图劣化情况 图4 61 6 0 g b it s 信号劣化情况 北京交通大学硕士学位论文 1 6 0 g b i 讹信号劣化情况用自相关仪来观测，偏振仿真器 输出d g d 值为o p s 时，测量图像在第三章中图3 2 9 中已经给 出了。偏振仿真器输出d g d 值为2 2 p s 时，劣化情况如图4 6 所示。 4 2 扰偏器的作用 4 2 1 理论分析 扰偏器的作用，简单来说就是将偏振光变成非偏振光。判 断光信号是否是偏振光的常用指标是光信号的偏振度( d o p ) 。 偏振度定义为光信号中偏振部分能量与总能量的比值，是个 值域在闭区间【o ，1 】的参数。当d o p = l ( 1 0 0 ) ，代表完全偏振 光；当d o p = o ( o ) ，代表完全非偏振光，这是两个极值状态。 多数情况下，0 t o o p 1 ，光信号为部分偏振光。我们要得到 非偏振光，就是要使输出光的偏振度尽量小，尽可能接近0 。 在建立扰偏器和光信号偏振度之间理论联系的时候，要借 助于斯托克斯参数硒j l 岛岛) 作为桥梁。斯托克斯参数用来描 述光信号的偏振态( s o p ) ，其中& 代表整个光信号的平均功率， s ，代表水平线性偏振分量与垂直线性偏振分量间的功率差， 代表士4 5 度线性偏振分量间功率差，岛代表右旋和左旋偏振分 量间功率差。与之相对应的归一化斯托克斯参数分别是 s 1 书1 糯，眈= 岛腕，s 3 = 岛慨。光信号偏振度与归一化斯托克斯 参数之间的关系如公式( 4 ，1 ) 所示： 北京交通大学硕士学位论文 d o p = 、i s ：+ s ：+ s 婚 、 而归一化斯托克斯参数与扰偏器之间的关系可以用公式 ( 4 2 ) 来表示： 铲菇鲁挚= 舢，冲c 一， p z ， 其中 s 户( 胪1 ，2 ，3 ) 是归一化斯托克斯参在时间，内的统 计平均值，r 是扰偏器的扰频周期，一般我们常见的扰偏器技 术指标是扰频频率，f _ 1 l 这时，公式( 4 1 ) 就变为公式( 4 。3 ) ： d d p = 2 + 2 + 2 ( 4 3 ) 从公式( 3 ) 可以看出，要使光信号偏振度d o p = o ，充要条 件是 ， s 户， 同时为o ；而结合公式( 2 ) 知道，扰偏器 所要做的就是选择合适的扰频周期丁，使得 ， ， 同 时为o ，从而达到偏振度为o 的目的。 4 2 2 实际应用 扰偏器在高速光通信系统，光纤传感系统，测量测试系统 中已经有着广泛的应用。 在高速长距离光通信系统中，为了增加传输距离，大量使 用了掺铒光纤放大器，在接收端引入扰偏器，用来减小掺铒光 纤放大器的偏振相关增益。另外在波分复用系统中，扰偏器可 以用来辅助监控系统的偏振模色散。 光纤传感系统中，扰偏器可以用来消除光纤传感其的偏振 4 l 北京交通大学硕士学位论文 衰减。 4 3 扰偏器的分类 4 3 1 按扰偏级数分类 扰偏器根据扰频速度，内部结构等可以有多种分类方式。 我们首先要提到的是按照扰偏级数来分类，分为单级扰偏和多 级扰偏。 对于具有固定偏振态的入射光来说，可以采用单级的扰偏 器来对其进行消偏。比如入射光是某个方向上的线偏振光，我 们就可以采用以某个角速度旋转q 的半波片作为简单的单级 扰偏器。 但是由于光纤线路受到温度，外界应力等影响，光纤中所 传输的光的偏振态是不断随机变化的，这也正是我们在实验中 遇到的问题。这时就必须采用两级或多级扰频，相当于两个或 多个单级扰偏器的串联。串联的每个扰偏器以不同的扰频周期 ，工作，就可以对具有任意偏振态的输入光进行消偏。实验中 我们采用的正是多级的扰频器。 4 3 2 按照内部结构分类 按照内部结构来分，扰偏器可以分为谐振光纤环扰偏器， l i n b 0 3 ( 铌酸锂晶体) 扰偏器，光纤挤压扰偏器等。 谐振光纤环扰偏器，基本结构是在可膨胀的压电陶瓷圆柱 北京交通大学硕士学位论文 上缠绕光纤，对圆柱加一个电场使其膨胀，光弹效应引起光纤 内的双折射，进而实现对光纤内偏振光的偏振调制。 铌酸锂晶体扰偏器是利用电光效应来调制偏振态。比如我 们所使用的e o s p a c e 公司的铌酸锂偏振控制器，加有合适的 电压时，这种器件可以将任意输入偏振态转化为任意输出偏振 态。它内部包括多个级连的偏振转换单元，每一级都可以以非 常高速的速度进行电光调制，从而就像一个厚度可变，方向可 调的波片的作用一样。因此，这类偏振控制器的一个典型的应 用就是用来扰偏。这类扰偏器的内部结构如图4 7 所示，它的 优点是扰偏速度快，缺点是插入损耗高，输入偏振态的不同对 扰偏效果的影响很大，也就是偏振灵敏度高。 v 3 图4 7 铌酸锂晶体扰偏器内部结构示意图 我们具体到其中的某一级来分析，比如图4 7 中标有三个 电压值v 1 ，v 2 ，v 3 的一级，如何通过合适的电压控制，用单 级来实现一个方向角为b 2 的f 波片。这一级的详细的结构如 北京交通大学硕士学位论文 图4 8 所示。 图4 8 单级电压控制示意图 控制电压的表达式为： k = 2 r s i n ( p ) 一f 。c o s ( 口) 一k m 。 ( 4 4 ) 心= o ( 接地) ( 4 5 ) k = 2 k f s i n ( ) + 屹r c o s ( 口) 一嵋b b( 4 - 6 ) 其中屹是单级时在t e 模式和刚模式间产生1 8 0 度相移 时需要的电压值，是单级时将t e 模式能量转移到t m 模式 ( 或t m 模式能量转换到t e 模式) 所需要的电压值。k 。和 。分别是加在电极1 和3 上的偏置电压，用于在t e 模式和 1 m 模式问获得零双折射，巧。兰k 。z 就是等效的波片值， 例如l ，4 波片，那么t = 1 4 。 北京交通大学硕士学位论文 挤压光纤扰偏器，正是我们实验中最终采用的一种扰偏 器。结构如图4 9 所示。 图4 9 挤压光纤扰偏器结构示意图 光纤在某一角度上受到挤压时，在被挤压段产生双折射现 象，通过光弹效应来产生相位延迟，就构成了挤压光纤扰偏器。 串联使用多个互成4 5 度的光纤挤压器，就成了一个对入射偏 振态不敏感的扰偏器，这也正是我们前面刚刚提到的多级扰偏 器。这种结构的扰偏器与铌酸锂晶体扰偏器相比，显著的优点 就是采用全光纤结构，因而插入损耗低、偏振相关损耗低；与 谐振光纤环扰偏器相比，优点是体积小，残余相位调制低以及 使用灵活。 在比较了各类不同结构扰偏器的性能和优缺点后，我们在 时延中最终采用的是g e n e m lp h o t o i l i c s 公司的p c d 一0 0 4 p o l a m 扰偏模块，属于挤压光纤类扰偏器，器件外观如图 4 1 0 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图4 1 0p c d - 0 0 4p o l a m d ( 扰偏模块外观 4 3 扰偏器的性能测试 在前面的理论分析中我们已经建立起了光信号的偏振度 与扰偏器之间的联系，所以我们用从扰偏器输出光的偏振度作 为衡量扰偏器工作性能的指标。测试框图如图4 1 1 所示。使 用a 舀l e m8 5 0 9 b 偏振分析仪测量从扰偏器输出光的偏振度。 图4 一儿扰偏器性能测试系统结构图 在扰偏器的电源开关没有打开之前，尽管扰偏器没有工 作，但是整个测试系统的光路仍然是导通的。激光器发出的光 没有被扰偏器消偏而直接进入到偏振分析仪。这时的测量结果 如图4 1 2 ( a ) 所示。测试界面的右部显示邦加球，邦加球球面 上的每一个点都和被测光信号的一个偏振态相对应。可以看 到，代表光信号偏振态的这些点集中在邦加球的左侧边缘，紧 北京交通大学硕士学位论文 靠赤道附近的很小的一个区域内。当光纤线路受到扰动的时 候，这些点将随机出现在球面上其它位置；光信号偏振度 d o p = 9 8 1 ，非常接近1 0 0 。可见激光器发出的光接近于完 全偏振光。 ( a ) 扰偏前( b ) 扰偏后 图4 1 2 扰偏器工作前后比较 打开扰偏器的供电电源后，电路板上的每个l e d 灯会依 次亮一下，然后电源l e d 和默认的1 5 5 0 彻f l l e d 会处于始终 亮的状态，工作波长是可调的，范围在1 2 6 0 。1 6 5 0 m 之间， 共有6 个波长可以选择( 改变波长时需要关闭扰偏器再进行操 作) ；然后在输入输出端分别接上光纤跳线，大概需要2 0 分钟 的预热时间。 在预热时间内，扰偏器并没有稳定工作，输出光的偏振度 的变化幅度较大。预热时间过了之后，输出光的偏振度稳定在 3 以下。测量结果如图4 1 2 ( b ) 所示。从邦加球上可以看到， 代表光偏振态的点比较均匀地分布在整个球面上。光信号偏振 4 7 北京交通大学硕士学位论文 度d o p - 2 7 ，接近于完全非偏振光。测量结果表明，扰偏器 起到了很好地对偏振光消偏的作用。同时由于采用的是全光纤 结构的扰偏器，给系统带来的功率损耗也很小。 4 4 扰偏器用于光时分复用信号产生系统 在测试完了扰偏器的工作性能后，我们便把它引入光时分 复用信号产生系统中。 图4 1 3 扰偏器引入后的系统框图 在前期实验中，我们在利用光纤耦合器制成的4 0 g b i t s 的光时分复用信号产生系统中引入了扰偏器，系统框图如图 4 1 3 所示。扰偏器紧接在激光器后面放置，由激光器发出的 偏振光经过扰偏后，变成非偏振光，进入到复用器中。扰偏器 工作前后复用后脉冲波形如图4 一1 4 所示。扰偏器工作前，脉 冲波形有较为明显的随机起伏的现象，而且激光器出来后的光 纤线路的抖动也会使脉冲出现突发抖动，图4 一1 4 ( a ) 给出了某 一个瞬时时刻的脉冲波形情况：扰偏器工作后，脉冲质量明显 改善，相邻脉冲间幅度稳定，线路的扰动也对整体幅度没有太 大影响。 4 9 北京交通大学硕士学位论文 ( a ) 扰偏器工作前( 某一个瞬时)( b ) 扰偏器工作后 图4 1 4 扰偏器工作前后脉冲形状对比 在1 6 0 g b i “s 光时分复用信号产生系统中，我们同样把扰 偏器紧接在光源后引入系统。同样，为了方便在示波器上观察， 我们只观察三级复用后的情况，也就是8 0 g b i t s 的复用系统。 由于已经改进了复用方式，采用的透镜的复用结构，本身复用 的稳定性大大增加，相邻脉冲间的随机抖动现象已经抑制，所 以在引入扰偏器前后，8 0 g b i 以信号变化并不明显，前后对比 如图4 1 5 所示，但是对线路扰动带来的突发抖动仍有抑制作 用。 ( a ) 扰偏前( b ) 扰偏后 图4 1 58 0 g b i t s 信号扰偏前后眼图比较 北京交通大学硕士学位论文 4 5 结论 本章首先介绍了高速光通信系统中偏振效应带来的影响， 通过偏振仿真器定性了解了偏振模色散对信号的劣化。 接下来介绍了扰偏器的概念，分类，和在实际中的应用， 同时通过实验现象，介绍了扰偏器在时分复用信号产生系统中 的作用。在前期4 0 g b 甜s 的系统中，扰偏器对改善复用后信号 质量有较明显的作用；后面的1 6 0 g b “s 或8 0 g b s 复用系统 中，复用结构的改进起了关键作用，扰偏器的改善作用不明显。 北京交通大学硕士学位论文 参考文献： 1 r t u c k e r ，g e i s e n s t e i n ， s k 。r o t k y ，“o p t i c a l t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gf o rv e r yh i g hb i t r a t e t r a n s m i s s i o n ”， j l j g h t w a v et e c h n o l o g y ，v 0 1 6 ，n o 1 l ， p p l 7 3 7 一1 7 4 9 ， 1 9 9 8 2 s h f ，“4 0 4 m u x 6 0 g b p sm u l t i p l e x e rm o d u l ed a t a s h e e ta n d a p p li c a t i o nn o t e ” 3 u 2 tp h o t o n i c s ，“1 5 5 0 n mt u n a b l ep i c o s e c o n dl a s e r s o u r c ed a t a s h e e t ”， p p l 6 4 u 2 tp h o t o n j c s ，“f o u rs t a g eo t d mm u l t i p l e x e r d a t a s h e e t ”，p p l 一4 5 a g i l e n tt e c h n 0 1 0 9 y ， “p 0 1 a r i z a t i o nm e a s u r e e n t so f s i g n a l sa n dc o p o n e n t s ”，p p 卜2 4 6 f h e i s m a n n ， “c o m p a c te l e c t r o o p t i cp o l a r i z a t i o n s c r 锄b l e r sf o r0 p t i c a l l ya m p l i f i e dl i g h t _ a v es y s t e m s ”， j l i g h t l r a v et e c h n o l o g y ，v o l 1 4 ，n o 8 ，p p l 8 0 l 1 8 1 4 ， 1 9 9 6 7 f b r u y e r e ，0 a u d o u i n ，v l e t e l l i e r ， e ta 1 ， “d e m o n s t r a t i o no fa no p t i 朋a 1p 0 1 a r i z a t i o ns c r 鲫b l e rf o r l o n g h a u lo p t i c a la m p l i f i e rs y s t e m s ”， i e e ep h o t o n i c s t e c h n o l o g yl e t t e r s ，v o l 6 ，n o 9 ，p p l1 5 3 1 1 5 5 ， 1 9 9 4 8 f h e is m a n n ，r s it h ， “h i g h s p e e dp o l a r i z a t i o n s c r a l b l e rw it ha d j u s t a b l ep h a s ec h i r p ”，i e e ej 5 1 北京交通大学硕士学位论文 s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me l e c t r o n i c s ， v o l 2 ，n o 2 ， p p 3 11 3 1 8 ， 1 9 9 6 9 m s a n t o r o ，c p o o l e ， “p o l a r i z a t i o ns c r a m b l i n gu s i n g as h o r tp j e c eo fh i g h b i r e f r i n g e n c eo p t i c a lf i b e ra n da m u l t i f r e q u e n c yl a s e rd i o d e ”，j l i 曲t 百a v et e c h n 0 1 0 9 y ， v o l 1 2 ，n o 2 ，p p 2 8 8 2 9 3 ， 1 9 9 4 + 1 0 a k e r s e y ，m m a r r o n e ，a d a n d r i d g e ，“a n a l y s i so n i n p u c p o l a r i z a t i o n i n d u c e dp h a s en o i s ei n i n t e r f e r o