用扰偏器消除偏振相关损害

在高速光通讯网络系统的设计中，光波的偏振是不容忽视的一个重要因素。随着速率的提高，光纤通讯系统对偏振

相关损害越来越敏感。这类损害包括：光纤中的偏振模色散（pmd），无源光器件中的偏振相关损耗（pdl），电光调制器中的偏振相关调制（pdm），光放大器中的偏振相关增益（pdg），wdm滤波器中的偏振相关波长（pdw），接收机中的偏振相关响应（pdr），传感器和相干通讯系统中的偏振相关灵敏度（pds）。

扰偏技术可用来减轻偏振相关损害。一束完全偏振光，如果它的偏振态（sop）受到外来因素的控制，以某一个速率发生随机变化，那么这束光就被称为“扰偏光”。扰偏光在任何瞬时的偏振态的偏振度（dop）都接近1。然而，从平均时间上看，它的dop接近0。所以，扰偏光的dop取决于平均时间取值的长度或探测器的检测带宽。

扰偏器的原理和特点

扰偏器使用偏振调制方法动态改变sop。目前，已有一些采用不同技术的扰偏器，主要有linbo3（铌酸锂晶体）扰偏器、谐振光纤环扰偏器和光纤挤压扰偏器。

铌酸锂晶体扰偏器：利用电光效应调制偏振态。如linbo3相位调制器，当一束线偏振光与扰偏器调制电场成45度角入射的时候，它就是一个扰偏器。这种扰偏器的优点是速度高，缺点是插入损耗高、pdl高、残余振幅调制（动态损耗）高、输入偏振态的不同对扰偏效果的影响大（偏振灵敏度高）、成本高。

虽然采用多个带有不同电场方向的调制器件（图1a）可以减小入射偏振态变化对扰偏效果产生的影响，但代价是增加了这种扰偏器的复杂性和成本。

谐振光纤环扰偏器：这种扰偏器的基本结构是在可膨胀的压电陶瓷圆柱上缠绕光纤。对圆柱加一个电场使其膨胀，进而由于光弹效应引起光纤内的双折射，从而实现对光纤内的偏振光的偏振调制。如果电场频率与压电圆柱体的谐振频率一致，则这种偏振调制效率最高。在实际应用中，同时串联使用多个具有不同定位的光纤圆柱体可以减小扰偏器的偏振灵敏度（图1b）。与linbo3扰偏器相比，膨胀光纤环扰偏器具有插入损耗低、pdl低和成本低的优点。缺点是体积大、扰偏速度低和光纤拉伸导致的残余相位调制大。

挤压光纤扰偏器：挤压光纤引起的光弹效应可在光纤内引起大的双折射，如果入射光的偏振态与挤压方向成45度角，则可产生大的偏振调制，这就构成了挤压光纤扰偏器。串联使用多个互成45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（图1c）。该仪器既可工作在高频谐振扰偏模式下，也可工作在低频非谐振扰偏模式下。与linbo3扰偏器相比，这种仪器具有插入损耗低、pdl低和成本低的优点。与谐振光纤环扰偏器相比，它具有体积小、残余相位调制低和使用灵活的优点。另外，与linbo3扰偏器和光纤环扰偏器两者中任何一个相比，它都具有残余相位调制低和残余振幅调制（动态损耗）低的优势。低残余相位调制在光学系统中对于避免干涉相关噪声非常重要，而对于pdl和dop测量仪器，扰偏器的残余振幅调制要求很低。图2所示为用于oem的挤压光纤扰偏器电路板。

扰偏器的性能

对扰偏器性能的测试，一般是通过测量扰偏光经过一段时间后的偏振度和测量邦加球上偏振态覆盖区的均匀性来实现的。在实际应用中，扰偏器的波长和温度灵敏性也非常重要。

图3a展示了用图2所示扰偏器电路板在邦加球上实现的完美的扰偏均匀性。图3b表示的是作为探测器带宽函数的dop。图3b展示了波长灵敏度。由图3c可知，多段光纤挤压扰偏器对波长变化的灵敏度远远低于其它类型的扰偏器。实验结果还显示，光纤挤压扰偏器对温度变化的敏感度也是较低的，如图3d所示。

工作寿命也是系统和工业应用中需要考虑的一个重要参数。有些用户会对光纤挤压器中光纤在应力下的使用寿命提出疑问。事实上，如果不正确使用和保护，光纤会在很短的时间内损坏。通用光电公司从1996年起花了很大力气对在应力状态下光纤受损失效的机理及保护技术进行了研究。采用通用光电公司的光纤保护专利技术，经测算，挤压器中的光纤在最大工作应力下的平均失灵时间（mttf）可达到20亿年。这一结果并不值得惊讶，因为光纤挤压器将应力作用于光纤时，其应力的大小，和保偏光纤中由两根应力杆引起的应力是一个数量级。在耐久性测试中，光纤通过了一万亿次挤压后仍保持性能不变。

扰偏器还可依据对驱动频率的要求不同来分类。对于光纤挤压扰偏器，其内部的各个挤压器所要求的驱动频率是不一样的。为了获得最佳结果，它们之间的频率关系不应是谐振或次谐振关系。有一种类型的扰偏器，其驱动频率是在出厂前设定好的，不能更改。这类扰偏器通常是利用压电转换器的谐振特性获得最佳扰偏效率的。除此之外，通用光电公司还设计了一款适于手提和现场测试的微型扰偏器。这种微型扰偏器的扰偏速率可通过按键或计算机指令步进式改变，范围从几hz到几万hz。

扰偏器的用途

扰偏器广泛用于光通信网络、光纤传感系统、测试测量系统中。如图4a所示，对于pdg或超长距离传输系统中的掺铒光纤放大器，扰偏器可接在接收端，用于减小偏振相关增益。对于这一应用，扰偏速率应大大高于光纤放大器的增益恢复时间常数的倒数（在10hz数量级）。

扰偏器还可用来辅助监控wdm系统的pmd，如图4b所示。一般来讲，可通过测量流经光纤的光数据流的偏振度监控pmd。dop值低通常代表pmd大。然而，这种测量也可能不准，因为如果注入光纤的光的偏振态与光纤的主偏振态对准，那么无论两个偏振态之间的差分群延迟（dgd）有多大，测量的dop值总会很大。避免这一测量误差的一个有效方法，就是在发射端使用扰偏器。另外，它还可以使接收端的pmd补偿器中的偏振态测量仪对psp进行识别，这样可加速对pmd的补偿。在光网络方面的其它应用还有，在扰偏器后面放置起偏器来监控wdm信号的信噪比。

扰偏器还可用来消除光纤传感器的偏振衰减，如图4c所示。在这种系统中，响应曲线的包络线独立于相对偏振波动。

在偏振敏感仪器（如衍射光栅光谱分析仪）前放置一台扰偏器，如果扰偏速率远远超过仪器中探测器的速度，则可有效消除偏振影响，如图4d所示。另外，借助于一台数字示波器，扰偏器可以测量被测器件的pdl值。器件的pdl值可由下式计算：

pdl=10log（vmax/vmin）

式中，vmax和vmin是数字示波器显示的最大和最小信号值。

如果泵浦激光是高偏振的，那么拉曼放大器pdg通常较大。为了使pdg值最小，必须使用消偏的泵浦光源。泵浦光源的dop值与放大器的pdg值有直接的联系，所以必须仔细校验。dop可由昂贵的基于偏光计的偏振分析仪来检测。然而，这种仪器对于低dop值（<5%）的光源不够精确。扰偏器加上一台数字示波器，即可精确测量dop值，原理如图4f所示。假设用数字示波器测得的最大和最小电压值分别为vmax和vmin，那么光源的dop值可由下式计算：

dop=（vmax-vmin）/（vmax+vmin）

目前，有一些公司在生产不同类型的扰偏器，例如：ilx光波公司制造的独立的桌面型仪器（型号为psc8420）、exfo公司生产的测试仪器的插入模块（型号为iqs-5100b）、通用光电公司（generalphotonics）生产的桌面型扰偏仪（型号pcd-104）和用于oem的电路板式扰偏器（型号pcd-003/004）。这些扰偏器都有各自固定的市场和优势。对于一个特定的用户来讲，哪种型号最佳，取决于其应用领域、使用者的喜好以及对价格的要求等。

不同类型的扰偏器。a)、铌酸锂晶体扰偏器。b）、谐振光纤环扰偏器。c)、挤压光纤扰偏器。




光纤挤压扰偏器板卡



挤压光纤扰偏器的技术参数。