光子学与光电子学教学课件作者原荣第4章节光的偏振及应用课件

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1、第4章光的偏振及应用4.1偏振的基本概念4.2光纤的偏振特性和偏振模色散4.3偏振复用相干接收技术和系统4.4偏振复用的应用光子学与光电子学原荣邱琪光波和声波同样都是波，但它们具有不同的性质。声波是在它的行进方向上，以反复地强弱变化来传播的疏密纵波；而光波却是在与传播方向垂直的平面内振动的横波（见1.3.1节）。自然光在垂直于它行进方向（z轴）的平面内（由y轴和x轴构成的平面）的所有方向上都有振动，如图4.1.4（a）所示，我们把这种光称为非偏振光。自然光在晶体中振动方向要受到限制，它只允许在某一特定方向上振动的光通过

2、，如图4.1.1（a）～图4.1.1（c）和图4.1.4（b）～图4.1.4d所示。我们把这种只在特定方向上振动的光称为偏振光。4.1偏振的基本概念光子学与光电子学原荣邱琪线性偏振光光的偏振（也称极化）描述当它通过晶体介质传输时其电场的特性。线性偏振光是它的电场振荡方向和传播方向总在一个平面内（振荡平面），如图4.1.1a所示，因此线性偏振光是平面偏振波。与此相反，非偏振光是一束光在每个垂直z方向的随机方向都具有电场E，如图4.1.4a所示。如果把一束非偏振光波通过一个偏振片就可以使它变成线性偏振光，因为偏振片把电场振

3、荡仅局限在与传输方向垂直的一个平面内，这个偏振片就叫做起偏器，如图5.2.3所示。光子学与光电子学原荣邱琪图4.1.2右圆偏振光传播距离时的瞬间图像电场除简单的线性偏振外，还有许多偏振特性。例如，场矢量E的幅度保持恒定不变，总是垂直于z轴，但是在z方向给定位置上，电场幅度最大点随时间顺时针旋转的轨迹，如光波的观察者所见到的那样，在一个波长的传输距离内其轨迹是一个圆，此时的电磁波称为右圆偏振光，如图4.1.2所示。图4.1.2表示圆偏振光传播距离时的瞬间图像，此时场矢量E的旋转角是光子学与光电子学原荣邱琪图4.1.3线性

4、偏振光与圆偏振光比较光子学与光电子学原荣邱琪图4.1.4非偏振光、线偏振光和椭圆偏振光的区别矢量E在z轴给定空间位置上随时间传播时，其幅度最大点的轨迹是椭圆，所以称这种光是椭圆偏振光，或椭圆光，它也有右椭圆偏振光和左椭圆偏振光之分。光子学与光电子学原荣邱琪4.2光纤的偏振特性和偏振模色散光子学与光电子学原荣邱琪4.3偏振复用相干接收技术和系统在直接检测接收机中，信号光的极化（偏振）态不起作用，这是因为这种接收机产生的光电流只与入射光子数有关，而与它们的偏振态无关。但是，在相干接收机中，要求接收机信号光的偏振态要与本振光

5、的偏振态匹配，并且还要保证匹配是持续保持的。否则，任何瞬时的失配都将导致数据的丢失。目前主要有下述三种方法来完成偏振匹配任务，即偏振控制、偏振分集接收和发送机中的偏振扰动。下面介绍：4.3.1相干检测偏振分集接收4.3.2偏振复用相干接收传输系统4.3.3偏振复用相干接收无中继传输试验系统光子学与光电子学原荣邱琪4.3.1相干检测偏振分集接收图4.3.1偏振分集相干接收机用一个偏振光束分配器（PBS）获得两个正交偏振成分输出信号，然后分别送到完全相同的两个接收支路进行处理。当在两个支路产生的光电流平方相加后，其输出信号

6、就与偏振无关。光子学与光电子学原荣邱琪4.3.2偏振复用相干接收传输系统从4.2节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光纤中，基模LP01是由两个相互正交的线性偏振模TE模和TM模组成的。我们可以把QPSK调制的数据分别去调制x偏振光（TE模）和y偏振光（TM模），如图4.3.2（a）所示。调制后的x偏振光和y偏振光首先经偏振合波器合波，进行偏振分割复用（PM），简称偏振复用。然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（SI）复用，如图4.3.2（b）所示，最后送入光纤传输。在接收端，进行相反的变换，解调出原来的数据。光子学与

7、光电子学原荣邱琪图4.3.2偏振复用+间插复用/相干接收传输试验系统原理图（a）偏振复用+间插复用8040Gb/sWDM系统实验原理图光子学与光电子学原荣邱琪（b）WDM系统偏振复用+奇偶波长信道间插复用图解原理说明光子学与光电子学原荣邱琪4.3.3偏振复用相干接收无中继传输试验系统今天，几乎所有新铺设的无中继传输系统都工作在10Gb/s速率。然而，为了满足用户对传输容量的需求，科学家们对传输速率提升到40Gb/s或以上更感兴趣。在这些高比特率传输技术中，偏振复用（PDM）相移键控调制/相干接收看来是一种优选的方

8、案，因为数字信号处理技术可以补偿色度色散（CD）和偏振模色散（PMD），于是可以将已经铺设的系统升级。海底无中继传输系统有两种不同的发展倾向，一种是尽量扩大传输距离，即使只有几个信道也行；另一种是尽量增加信道数量，以便提供大于1Tb/s的线路容量。直到目前为止，已经实验演示了以下几种WDM系统：6440Gb/s传输距离230km