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随着通信技术的飞速发展，电信运营商不断提高波分复用系统中单信道的传输速率，以满足人们对通信带宽的需求。 目前，单波长传输速率为10Gb/s的WDM系统正在建设和使用，传输速率为40Gb/s的WDM系统也进入了人们的视野。

在传输速率不断提高的同时，通信系统产生了一系列偏振诱导效应，如光纤中的偏振模色散（PMD）、电光调制器中的偏振相关调制（PDM）、偏振相关调制等。光放大器中的增益（PDG）。 损害也越来越敏感。 这些损伤主要是由于纤维本身的缺陷造成的。 在理想化的光纤中，传输光的偏振态（SOP）不会发生变化，这些由偏振效应引起的损害很容易被消除。 然而，在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿着光纤不断变化的。 一般来说，普通光纤的输出光是椭圆偏振光，椭圆率不断变化，主轴相对于参考方向成任意角度。 造成这种变化的原因是由于热应力、机械应力、纤芯不规则等因素引起的光纤中不规则的双折射。 更糟糕的是，光纤中的双折射随温度、压力、应力和其他环境因素不断变化，这大大增加了偏振相关损坏的不可预测性。 由于与偏振相关的损伤是随时间变化的，因此消除它们的方法必须是动态的并且能够适应随机变化。

动态偏振控制

克服这些损害的最重要的装置是用于 PMD 补偿的动态偏振控制器，它可以将任何给定的偏振态转换为任何所需的偏振态。 理想的动态偏振控制器除了具有低插入损耗和高回波损耗等优点外，还应具备以下重要性能参数：

1. 高响应速度是跟踪快速变化的偏振态的基本要素。 外部环境会对铺设的光缆产生不同程度的影响，如列车驶过对沿线铺设的光缆产生的震动，海面的拍打会对海底光缆产生很大的影响，使光缆中传输光的偏振态发生快速变化。 种类。 目前，使用PMD记录仪进行现场测量，已经可以观测到几毫秒量级的快速波动。 因此，用于PMD补偿的动态偏振控制器的响应时间必须小于1 ms。 在实际应用中，要求动态偏振控制器的响应时间小于100μs。

2.启动损耗，衡量偏振控制器启动时引入的插入损耗，定义为所有可能启动条件下的最大插入损耗与最小插入损耗之差。 由于所有偏振相关损伤的补偿机制都是利用反馈信号激活偏振控制器进行动态偏振控制，控制器启动时产生的损耗和波动可能会导致反馈信号出现误差，直接导致仪器故障. 性能下降。 此外，在使用偏振控制器进行 PDL 测量的仪器中，启动损耗会限制仪器测量的分辨率和精度。 同样，偏振控制器本身的PDL也会造成反馈信号的误差，使得补偿软硬件设计非常复杂。

3. 宽工作带宽对于密集波分复用（DWDM）系统非常重要。 足够宽的工作带宽可以使偏振控制器在不同通道具有相同的工作性能，不仅简化了系统的设计，降低了系统成本，而且为扩展系统带宽提供了可能。

4、偏振控制器的不间断调整也是一个很重要的特点。 因为，在光网络中，任何偏振状态的复位都可能导致不可预测的信号中断。

目前，商用的偏振控制器按其技术原理可分为三类：一类是由固定延迟、可变方位角的多个波片组成； 另一种是由延迟可调、方位角可变的波片组成。 还有由多个固定方位角和可调延迟组成的波片。

其中，基于固定延迟波片的偏振控制器对波长敏感，依靠机械转动调整波片的偏振控制器调整速度很慢。 除了这些固有的局限性，以上三种方法原则上都是可行的。 但具体的实现方式将直接决定产品的性能、成本和可靠性。

图1是一个典型的偏振控制器的结构图，它由三个可旋转的波片组成，一个λ/2（HWP）波片在两个λ/4（QWP）波片的中间，每个波片都可以自由旋转相对于其他波片沿光轴旋转。 第一个 λ/4 波片的作用是将任何输入的偏振光转换成线偏振光，然后 λ/2 波片将这种线偏振光旋转到任何需要的偏振方向，所以第二个 λ/4 A 波片可以将这种偏振光转换成任何所需的输出偏振态。 在这个实现中，波片的延迟是固定的，但是波片的相对角度是可变的。

图 1. 由具有固定延迟和可变方向角的多个波片组成的偏振控制器

a) 自由空间波片结构 b) 光纤线圈结构 c) 电光晶体结构

虽然这种方法在商业产品中的应用已经相当有效，但是这项技术还存在很多不足。 首先，光的准直、对准和聚焦不仅费时，而且费力。 其次，波片、微透镜等元器件价格昂贵，需要镀增透膜并倒角以减少背反射。 同样，由于不可避免地需要将光从一根光纤中耦合出来，然后将其聚焦到另一根光纤中，因此插入损耗很高。 而且，波片本身对波长敏感（任何分数波片的测定都是针对某一固定波长的），因此这个偏振控制器对波长也很敏感。 最后，使用电机或其他机械装置旋转波片会限制偏振控制器的控制速度。

其他选项

基于相同原理的全光纤偏振控制器（如图 1b 所示）可以降低插入损耗和成本。 在这个装置中，三个光纤线圈取代了自由空间延迟波片，线圈弯曲产生的应力可以产生与线圈直径的平方成反比的双折射效应。 通过调整光纤线圈的直径和匝数，可以得到任何需要的全光纤波片。

虽然降低了插入损耗和生产成本，但这种偏振控制器仍然未能消除波长敏感和控制速度慢的缺点。 此外，为了减小光纤弯曲引入的插入损耗，光纤线圈必须具有较大的直径，因此这种偏振控制器的体积通常较大。 因此，这种“米老鼠耳朵”形的偏振控制器主要局限于实验室使用。

速度是网络技术发展的关键因素，机械旋转波片在速度调节方面难以满足要求。 因此，人们开始研制基于LiNbO3材料的快速偏振控制器（如图1c所示）。 该偏振控制器由三个波导组成，其中两个作为 λ/4 波片，一个作为 λ/2 波片。 两个控制电压和光电效应决定了每个波片的相对方向（等效光轴的方向），而不是旋转波片。 通过选择合适的电压可以实现每个波片方向的无限旋转。 下面举例说明这三种波片的控制电压：

其中，α、β、γ是三个不断调整的参数，用来确定相应波片的方向光谱仪光纤线，V a 到V i 是九个预设电压参数。 不幸的是，以这种方式提高速度的成本对于 Web 应用程序来说是无法接受的。 它的主要缺点是：高插入损耗（~3dB）、高偏振相关损耗（~0.2dB）、高启动损耗（~0.15dB）和昂贵的价格。 此外，该装置至少有九个参数需要优化，不仅使用复杂，而且制造成本高。 另一种选择是 Babinet-Soleil 补偿器，它将任何输入偏振态转换为任何所需的输出偏振态。 该装置的核心器件是由两个楔形双折射晶体组成的复合波片（如图2a所示）。 波片的厚度（对应于总延迟）可以通过两个晶体的相对滑动来改变； 同时，复合波片的取向可以绕光轴旋转。

图 2. 由具有可变延迟和可调方向的波片组成的偏振控制器

(a) 自由空间结构 (b) 基于可旋转纤维挤压器的全纤维结构

与前面提到的装置（图1a）相比，该装置具有对波长不敏感的优点，因为它可以在任何波长下实现精确的延迟。 但该装置存在成本高、插入损耗大、调节速度慢等缺点。

为了降低成本和减少损耗，1996年开发了商标为PolaRITE的全光纤偏振控制器（如图2b所示）。这种偏振控制器基于与Babinet-Soleil补偿器相同的原理，由一个围绕光纤旋转的光纤挤压器。 对光纤施加压力会产生线性双折射，相当于产生延迟随压力变化的全光纤波片。 这样光谱仪光纤线，可以通过简单的挤压和旋转操作从任何输入偏振态生成任何所需的输出偏振态。

该器件不仅插入损耗低、成本低，而且与米老鼠耳形偏振控制器相比，还具有体积小、波长不敏感等优点。 这些优势使该偏振控制器有利于集成到 WDM 模块中。 但是，与依靠机械旋转的偏振控制器一样，该装置的调节速度很慢，无法应用于光纤网络中的PMD补偿。

偏振控制器也可以使用几个以 45° 角定向的自由空间波片来实现（如图 3a 所示）。 每个波片的延迟随施加的电压而变化； 波片的方向是固定的。 这种可变延迟波片可以由液晶、电光晶体或电光陶瓷等材料制成。 使用液晶材料的缺点是调节速度慢，电光晶体一般需要极高的工作电压。 由于抗反射涂层和微透镜，这种类型的偏振控制器通常存在高插入损耗、高成本和窄工作带宽的问题。

所有光纤解决方案

图 3. 由具有固定方向和可变延迟的多个波片组成的动态偏振控制器

(a) 自由空间波片结构 (b) 基于光纤挤压器的全光纤结构

工作原理与图 3a 所示装置相同的全光纤偏振控制器（如图 3b 所示）可以解决高插入损耗和高成本的问题。 波片的延迟随光纤挤压器施加的压力而变化。 该装置的关键是如何提高装置的可靠性、紧凑性和性价比。

图 4. 基于光纤挤压器的动态偏振控制器

在市售的 PolaRITE II 动态极化控制器中，压电致动器驱动挤压器快速变化。 由于采用全光纤结构，该器件不仅没有背向反射，而且具有极低的插入损耗和偏振相关损耗。 其响应速度为30μs，足以跟踪现场铺设的光纤链路中最快的偏振态波动。 使用适当的控制程序，可以在不中断的情况下进行无限制（无重置）的偏振控制。

该偏振控制器的启动损耗小于 0.003dB，适用于高精度 PDL 测试仪器和用于偏振相关损坏补偿的反馈回路。 而且它对波长不敏感，对1280nm-1650nm波长范围内的信号都具有一致的良好工作性能。

系统应用

基于光纤挤压器的动态偏振控制器(DPC)具有低插入损耗、低偏振相关损耗、低启动损耗、小背向反射、高速度和低成本等优点。 如图 5a–e 所示，它是克服光通信系统应用中偏振相关损伤的理想选择。 DPC 在多种应用中发挥着重要作用：

• PMD 补偿：如图5a 所示，典型的一阶PMD 补偿器由动态偏振控制器和固定或可变差分群延迟(DGD)3 组成。 链路的 PMD2 可以通过在线偏振计测量 DOP 参数来监测。 然后反馈DOP信号来控制DPC和DGD。 典型的 PMD 检测和 DPC 响应时间为 100μs。

图 5 动态偏振控制器在通信系统中的主要应用

(a) PMD 补偿 (b) 偏振优化 (c) 减少偏振相关串扰 (d) PDG 消除 (e) PDL 补偿

• 偏振优化：传输链中的许多设备或模块都对偏振敏感，例如光电 (EO) 和电吸收 (EA) 调制器、光干涉仪、外差光接收器等。在此类链路中使用 DPC（图 5b）可最大限度地减少通过优化设备或模块的输出功率来提高偏振灵敏度。 这种方法也可用于降低许多无源器件的 PDL 效应。

• 降低偏振相关串扰：为了提高DWDM系统的频谱效率，采用了两种偏振相关传输技术：偏振复用(PDM)技术，即同一波长下两个正交偏振态的复用； 技术，即两个具有正交偏振态的相邻 WDM 信道的复用。 图 5c 显示了偏振交错技术，其中使用 DPC（后跟偏振器）来减少两个相邻通道之间的偏振相关串扰。

• 偏振扰动：基于光纤挤压器的动态偏振控制器也可用作偏振扰频器以获得高度随机的偏振状态。 扰偏器内置谐振增强电路，扰偏频率下的半波电压只有几伏。 通过正确选择驱动参数，已成功获得极化敏感性小于0.05dB，极化程度少于1％。 偏光片的主要应用包括：

• 降低偏振相关增益：在传输系统中（如图5d 所示），可以通过加扰来抑制由偏振相关增益(PDG) 引起的光放大器性能下降。 偏振相关增益与偏振度成正比，低偏振度可以降低偏振烧孔效应（PHB）并降低偏振相关增益。 当SOP的扰动频率大于光放大器响应时间（ms级）的倒数时，偏振度可以达到最小。

• 消除偏振敏感性：偏振扰频器可用于消除仪器的偏振敏感性。 一些光学仪器，例如基于衍射光栅原理的光谱仪，对输入光的偏振状态很敏感。 扰动输入光的偏振状态可以消除偏振灵敏度引起的测量不确定性。

• 简化PMD 补偿：扰码器可用于简化通信系统6 中的PMD 补偿。 低残余相位调制对于简化 PMD 补偿至关重要。 基于光纤挤压器的偏振扰频器因其极低的残余相位调制而特别适用于此应用。

• PDL 监控和补偿：在光学器件的制造过程中，快速准确地监控PDL 非常重要。 基于光纤挤压器的动态偏振控制器在这些应用中非常有吸引力，因为它们具有低 PDL、低启动损耗和大大提高的 PDL 测量精度。 在系统应用中，为了监测和补偿链路沿线的PDL，需要在光发射模块之后放置快速偏振扰偏器，通过监测器件或光模块的PDL引起的功率波动来监测系统（如EDFA等）PDL。 通过使用反馈信号控制动态偏振控制器和 PDL 生成设备，可以使功率波动最小化（如图 5e 所示）。

总而言之，基于光纤挤压器的动态偏振控制器是克服光传输系统中偏振相关损伤和监测仪器偏振特性的关键元件。