用扰偏器消除光信息传输中的偏振相关损害

一、偏振相关损害的种类：
      随着光网络的日益普及，以及光信息传输速度的不断提高，由光的偏振所引起的偏振相关损害越来越不可忽视。由于不同偏振态的入射光、光纤及光器件的偏振特性的不同，在光纤中进行信息传输时候都会受到不同的影响，都会给光信息传输造成各种影响。为此，消除偏振相关损害就成了众多光电子产业人士的重要工作。
      偏振相关损害主要包括以下几个类型：
      1 、光纤中的偏振模色散（ PMD ）
      2 、无源光器件中的偏振相关损耗（ PDL ）
      3 、电光调制器中的偏振相关调制（ PDM ）
      4 、光放大器中的偏振相关增益（ PDG ）
      5 、 WDM 滤波器中的偏振相关波长（ PDW ）
      6 、接收机中的偏振相关响应（ PDR ）
      7 、传感器和相干通讯系统中的偏振相关响应度（ PDS ）
      消除偏振损害的一个非常有效的手段，就是使用扰偏器。
二、扰偏器的主要种类及工作原理
      扰偏器的工作原理，就是将通过扰偏器的偏振光，以较高的速度不断改变其偏振态（ SOP ），从而在总体时间段里，其综合效果失去了偏振特性。也就是说，在某一个瞬间它还是一个偏振度（ DOP ）为 1 的偏振光，但从平均时间上看，它就是一个 DOP ＝ 0 的非偏振光。这个过程就叫做“扰偏”，经过“扰偏”的光叫做“扰偏光”。
      目前常见的扰偏器有三种类型，分别是：铌酸锂晶体扰偏器、柱型压电陶瓷谐振扰偏器和光纤挤压型扰偏器。下面分别介绍这三种扰偏器的工作原理和特性。
•   铌酸锂晶体扰偏器：
     这种扰偏器是利用了铌酸锂晶体的电光效应，在晶体外施加电场，可以改变晶体的折射率。当光通过晶体的时候，在晶体外加入一个不断改变的电场，使得晶体的折射率不断发生变化，从而使这束光的偏振状态发生变化（图 1 ）。

因为铌酸锂晶体的电光效应的响应速度很高，所以这种扰偏器的优点是扰偏速度快。但也存在缺点。一个主要缺点是插入损耗大。这是因为光在通过扰偏器的时候，需要进行多次的从光纤到晶体的界面出入。另一个主要缺点是造价高。这是因为这种扰偏器结构相对复杂，晶体器件成本也较高。
　　这种扰偏器还有一个缺点是对偏振的敏感度高（偏振敏感度是指由于入射光的偏振态不同，仪器的扰偏效果也会发生变化）。当入射光的偏振方向正好和晶体的电场方向成 45 度角的时候，这种扰偏器的扰偏效果最好。遗憾的是在实际应用中，这样理想的情况是非常少的。为了解决这一矛盾，可以采用多级晶体器件，以不同的电场角度串联起来。但是这样一来插入损耗更大，制作成本也成倍增加。
•   柱型压电陶瓷谐振扰偏器
     这种扰偏器的主要结构是将光纤缠绕在柱型的压电陶瓷上，在压电陶瓷上施加电压，压电陶瓷会发生形变，从而使得上面的光纤产生拉伸，由于光弹效应，进而使得光纤内部的折射率发生变化（产生双折射），造成光纤内传输的光的偏振态的变化（图 2 ）。

电压变化频率与柱型压电陶瓷产生谐振的情况下，这种扰偏器的工作效率最高。在实际应用中，通常是采用多个柱型串联使用，从而降低这种扰偏器的偏振敏感度。这是因为单一柱型的扰偏效果，会受到入射光初始偏振态的影响。
      与铌酸锂晶体扰偏器相比，这种扰偏器的优点是插入损耗小、偏振损耗（ PDL ）低、制作成本低等优点。缺点是体积大、扰偏速度低，另外，由于陶瓷柱膨胀时光纤产生大量的拉伸，导致残余调制位相大。
• 挤压光纤型扰偏器
     这种扰偏器的结构，是在光纤两侧加上两块压电陶瓷，压电陶瓷通电后对光纤进行挤压，使光纤产生双折射，从而实现扰偏（图三）。

同样，这种扰偏器通常将几个挤压器串联使用，目的是排除对入射光的偏振敏感度。

这种扰偏器的驱动电压频率既可以是挤压器的谐振频率，也可以是较低频率。与铌酸锂晶体扰偏器相比，它具有插入损耗和偏振相关损耗（ PDL ）小，同时制作成本低。与柱型压电陶瓷谐振扰偏器相比，它还具有体积小、残余调制位相低和使用方便的优点。另外，与上面所说的两种扰偏器中任何一个相比，它都具有低残余相位调制和低残余振幅调制（动态损耗）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，而对于用在 PDL 和 DOP 测量仪器方面的扰偏器，对低残余振幅调制的要求是很严格的。
      图四所示为通用光电公司生产的用于 OEM 应用的光纤挤压器型扰偏器板卡。

三、扰偏器的性能
      在实际应用中，除了上面提到的体积、成本、插入损耗、偏振相关损耗、残余相位等特性，用户应当关心扰偏器的这些性能指标： 1 、扰偏均匀性； 2 、扰偏器的工作波长； 3 、扰偏器的温度系数；
      扰偏均匀性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体现。图 5A 展示了用图 4 所示扰偏器板卡实现的邦加球上完美的扰偏均匀性。图 5B 表示的是探测器带宽与 DOP 之间的的函数关系。图 5C 展示了波长灵敏度。由图 5C 可知，多段光纤挤压器型扰偏器对波长变化的敏感度远远低于其它类型的扰偏器。实验结果还显示，光纤挤压器型扰偏器对温度变化的敏感度也是较低的，如图 5D 所示。

扰偏器的工作寿命也是用户关心的事情。对于光纤挤压器型扰偏器，如果不做特殊工艺处理和保护，光纤会很快损坏。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专利光纤保护技术，经测算，挤压器中的光纤在最大工作应力下的平均失灵年限（ MTTF ）可达到 20 亿年。
      通用光电公司（ General Photonics ）除了生产应用于 OEM 的电路板卡式的扰偏器（型号 PCD-003/004 ），有利于用户设计到自己的仪器当中，还生产出一种可以直接独立工作的扰偏仪PCD-104（图 6 ），特别方便于光器件厂商和设备制造商用户放在桌面上直接使用。

四、扰偏器的用途：
      扰偏器在光通信网络，光纤传感系统，测试测量系统中大有用途。如图 7A 所示，对于 PDG 或超长距离传输系统中掺铒光纤放大器，扰偏器可接在接收端，用于减小偏振烧孔效应。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 7B 所示。一般来讲，可通过测量流经光纤的光数据流的偏振度（ DOP ）监控 PMD 。 DOP 值低通常代表 PMD 大。然而，这种测量也可能不准，因为如果注入传输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 7C 所示。在这种系统中，响应曲线的包络线是相对偏振波动而独立的。   
      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 7D 所示。另外，借助于一台数字示波器，扰偏器可以测量受测的仪器（ DUT ）的 PDL 值，如图 7E 所示。仪器的 PDL 值可由下式计算：
PDL=10log （ V max /V min ）
式中，V max 和 V min 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 Raman 放大器通常显示大 PDG 值。为了使 PDG 值最小化，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，即可用来精确测量 DOP 值，原理如图 7F 所示。假设用数字示波器测得的最大和最小电压值分别为 V max 和 V min ，那么光源的 DOP 值可由下式计算：

DOP= （ V max -V min ）（ V max +V min ）

五、总结
      综上所述，扰偏器是用于光纤通讯，光纤传感和光纤测试测量的一种重要仪器。光纤挤压器型扰偏器模块，由于其低插入损耗，低背向反射，低残余振幅调制和低残余相位调制，低波长和温度敏感度，低成本以及小体积而尤其适于 OEM 应用，其 OEM 应用可方便地集成到各种不同的网络设备，光纤传感系统和测试测量仪器中。而 可以直接独立工作的扰偏仪，则特别方便于光器件厂商和设备制造商用户放在桌面上直接使用。   
注：本文参考 Steve Yao 等人的有关文章进行编写。