PolaRITE使光的偏振控制变得如此轻松

什么是光的偏振态？

偏振是矢量波具有的普遍性质。光波是一种横波，即：它的光矢量始终与传播方向垂直。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量存在不同的振动状态。我们称在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动状态叫做光的偏振态。

光波按偏振态可分为三大类：自然光（非偏振光）、完全偏振光和部分偏振光。

在垂直于光传播方向的平面内，如果光振动在各个方向的概率相同，没有哪个方向占更大优势，那么将这种光称为自然光或非偏振光。例如：太阳光、火光等。

在垂直于光传播方向的平面内，如果光振动在各个方向上不具有对称性，那么这种光称为完全偏振光。完全偏振光可分为三类：线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。光矢量振动总是在与光传播方向垂直的平面内，光振动只改变振幅大小，不改变方向，其末端的轨迹是一条直线。这种偏振光称为线偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的大小不变，但随时间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的方向和大小都在随时间变化，光矢量的末端轨迹是一个椭圆，这样的偏振光称为椭圆偏振光。

由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏振光。

光纤中偏振态的危害

在光纤系统中，光纤或光器件对偏振模式的作用不一样，会产生各种各样的偏振效应：偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL）、偏振相关增益（Polarization Dependent Gain，PDG）、偏振相关相移或双折射（Birefringence）、消偏振（Depolarization）以及偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）等等。

在包含一系列光器件的光纤通信系统中，由于偏振效应的发生无论在时间上，还是在空间上都是随机的，因而光偏振态将呈现极大的不确定性，具体表现为：①偏振态的随机抖动，形成偏振相关的幅度噪声；②偏振相关的相位波动，引起光信号的波形失真、频率啁啾和干涉噪声；③偏振度的降低，光纤通信系统中的各种消偏振效应导致光信号的偏振度下降，信噪比降低等等。在高速光纤通信系统中这些现象将使系统性能进一步恶化，严重影响通信信号的质量。

克服光纤系统中光偏振影响的重要途径是对偏振态进行控制。此外，在偏振相关应用快速发展的前提下，控制偏振态也是当前光纤技术领域诸多问题解决的关键。

PolaRITE帮您轻松实现偏振控制

美国通用光电公司（General Photonics）研制的专利产品——PolaRITETM手动偏振控制器和PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器，可方便地嵌入系统中，实时在线控制光的偏振态，补偿光纤系统中各种偏振相关的信号损耗，大幅度提升系统的性能；或在偏振相关应用中，将任意的输入偏振态转换成用户所期望的输出偏振态等等。这样，控制光的偏振态是一件非常简单容易的事情了。

1. PolaRITETM手动偏振控制器

A. 特点：

PolaRITETM手动偏振控制器为全光纤结构，无固有损耗，无固有背向反射，结构简单，价格低廉；边缘结构紧凑，对波长的变化不敏感，对光纤变化不敏感，对振动不敏感；此外，它只用两个旋钮来控制，更容易操作，减小了调节器件的时间。

B. 控制规律：

如图1所示，它由一根单模光纤，一个位于中部的可旋转光纤挤压器，位于左右两端的两个光纤固定块组成。光纤中部夹在光纤挤压器中。调节光纤挤压器上的旋钮，顺时针旋转将会给光纤施加压力，产生线性双折射。在有压力的情况下，光纤中部可视为双折射波片，其慢轴在压力的方向上，如图2a所示。通过改变压力，慢轴与快轴间的延迟量可在0 ~ 2π间变化。旋转光纤挤压器，光纤也随着发生旋转，改变了相对于光纤慢轴的偏振角度。另一方面，旋转也会使光纤挤压器的左、右两侧光纤向相反方向扭曲。这种由扭曲引起的旋光性将使入射光的偏振态在扭曲方向上旋转一个角度，如图2b所示。

如果用户想旋转光纤挤压器，而不使挤压器左、右两侧光纤发生相对扭曲，可先释放光纤挤压器上的压力，然后旋转挤压器，最后再给光纤挤压器施加压力。采用这种方法，旋转角度，光纤慢轴与输入偏振光之间的夹角变化同样也是角度。这种无扭曲的旋转用于粗调。当输出偏振态接近期望的偏振态时，可用带有扭曲的旋转来精细调节输出偏振态。

C.　应用：

    PolaRITETM手动偏振控制器可用来增加基于马赫增德尔干涉仪的传感系统的探测灵敏度。调节参考臂的偏振态，就能通过信号分析仪探测到最大干涉可见度。如图3所示。

    通过PolaRITETM手动偏振控制器调节偏振态，就可使偏振态对准调制器或半导体光放大器（SOA）的工作轴。当调节到合适的偏振态时，功率计就可探测到最大光功率。如图4所示。

PolaRITETM手动偏振控制器可用来连接两根保偏光纤，可通过调节压力和旋转光纤挤压器来使线偏振光对准保偏光的快（慢）轴，如图5所示。

使用PolaRITETM手动偏振控制器作为保偏光纤适配器时，只需将两个连接头接入适配器两端的接头上，无需注意它们之间的轴方向，旋转适配器的中部，直到获得所期望的偏振态为止，如图6所示。

如果连接起偏器，或具有很强的偏振相关传输的器件（例如：通过质子交换过程形成的LiNbO3波导），PolaRITETM手动偏振控制器同样也可作为一个可调衰减器，如图7所示。通过旋转光纤挤压器来实现可调衰减器的功能。

2. PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器

A.　特点:

PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器由多个相互成45°角的光纤挤压器组成。PCS-3X及MPC-3X有三个光纤挤压器，而PCS-4X及MPC-4X有四个光纤挤压器。每个光纤挤压器都由外加电压信号驱动。挤压光纤在光纤中产生了线性双折射，改变了光偏振态。通用光电公司（General Photonics）采用专利技术在外加压力的情况下增加了光纤的可靠性。在测试中，超过100亿次激活周期的半波电压无一次失败。

由于全光纤的性质，PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器几乎无插入损耗，无背向反射，无偏振相关损耗。另外，它的响应时间小于35 μs，光纤挤压器激活诱发的损耗小于0.002 dB。

另一个具有吸引力的特性是通用光电公司（General Photonics）的产品性能与波长无关。器件的工作波长范围为1260 ~ 1650 nm。这种器件简化了系统设计，降低了成本，增加了系统工作通道。

B.　控制规律：

单色光的任意偏振态可通过邦加球上的单个点来表示，如图8所示。有效地增加光纤挤压器（X1或X3）的电压（即增加压力）会使偏振态围绕OQ轴顺时针旋转，而减小电压则逆时针旋转。另一方面，增加与第一个光纤挤压器成45°角的第二个光纤挤压器（X2）的电压，会使偏振态围绕与OQ轴垂直的OH轴顺时针旋转，而减小电压则逆时针旋转。因此，只要输入偏振主态不与第一个或第二个光纤挤压轴平行，使用两个光纤挤压器即可将输入的任意偏振态变为所期望的任意输出偏振态。

C.　功能:

PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器具有四个工作模式：简易偏振控制、无需复位的偏振控制、慢速扰偏、以及快速扰偏。

a.　简易偏振控制说明

在这种工作模式下，使用三个DC电压来驱动偏振控制器。操作步骤如下所示：

步骤一：给通道X1，X2，X3加载电压，范围：0 ~ 150V。

步骤二：测量通道1的半波电压（即：X1 ）：通过光电探测器监测光功率来得到DC半波电压。当管脚4和GND之间的电压增加时，输出的光功率（光电探测器的光电流或电压）将会周期性地变化。对应于一个周期的电压变化是X1的DC半波电压的两倍。

步骤三：通道2和通道3（X2和X3）的半波电压可通过重复步骤二的过程来测量。X2的电压为管脚5和GND之间的电压，X3的电压为管脚6和GND之间的电压。

b.　无需复位的偏振控制

    具有4个挤压器的偏振控制器（PCS-4X或MPC-4X）适用于无需复位的操作，带有3个挤压器的偏振控制器（PCS-3X或MPC-3X）可将变化的输入偏振态转化为固定的输出偏振态。

c.　慢速扰偏（0 ~ 20 kHz）

慢速扰偏用于PDL测量，因为高精度的功率计具有较慢的响应时间。PolaRITETMⅡ/Ⅲ每个挤压器的半波电压（DC）典型值约为30 V。X2的半波电压要求在邦加球上绘出完整闭合的圆。慢速扰偏频率典型值低于20 kHz，不同频率的半波电压与DC的半波电压相同。

d.　快速扰偏

    快速扰偏可消除EDFA的偏振相关增益。PolaRITETMⅡ具有多个较低的驱动电压及扰偏频率（~ 60 kHz，100 kHz，130 kHz）。而扰偏频率的半波电压减小到只有几伏特。光纤挤压器的小信号频率响应在峰值频率处最高。因此，在峰值处的扰偏频率具有较高的工作效率和成本效益。

D.　应用:

PolaRITETMⅡ/Ⅲ电动偏振控制器的响应时间小于35 μs。这种高速的工作方式适用于跟踪偏振态的快速变化，诸如：列车通过时，沿着铁路敷设的光纤中光偏振态的变化；或海浪引起敷设在跨海大桥上光纤中光偏振态的变化。

它的激活诱发损耗低于0.002 dB，适用于高精度的PDL测量，及在反馈回路中补偿偏振引起的损耗。对于标准产品来说，激活诱发损耗小于0.01 dB就已满足了大多数的应用。