光纤传输系统

1 引言 1.1.光纤传输系统及偏振问题 通信和军事技术的发展对雷达和天线系统提出越来越高的要求，传统的金属波导和同轴电缆由于在体积、重量、抗电磁干扰能力，串扰及损耗等方面有许多不足，已经无法满足实际应用的需要。而一些特殊用途，机载，空载雷达要求较宽的频带宽度，体积小，重量轻，抗电磁干扰能力，隐身能力强等，需要引入新的技术加以实现，而光波技术因其特殊的技术而备受青睐。 微波光纤传输技术是把微波信号调制在光频上，通过光纤进行传输，这种技术与目前光纤通信有许多相似之处，在国外已经成熟并得到应用。利用光纤来传输微波信号具有明显的优点： 1．与传统的电缆相比，光纤损耗极小，适合于信号的长距离传输，非常有利于雷达系统的远程控制和雷达信号的传输分配。 2．光纤具有体积小、重量轻、柔软灵活等优点，特别适合在飞机、舰船等有空间限制的应用场合。 3．光纤具有极宽的带宽，有利于宽带雷达信号的传输。 4．光纤及大量光波器件均为介质材料，无电磁辐射，因而隐身性能好，抗电磁干扰能力强。 随着高速光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，各种复杂的偏振现象逐渐凸现出来，偏振效应开始成为当前的一个研究热点。一方面，偏振效应所引起的大量偏振问题已经成为高速光纤通信系统升级的重要瓶颈；另一方面，偏振效应在高速光信号处理方面的优势，促使各种偏振应用技术迅速发展起来。 在弱导单模光纤中，光信号以两个垂直的线偏振模的形态存在，由于光线或光器件对两种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、偏振相关增益、偏振相关相移或双折射、消偏振以及偏振模色散等等。 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，因而光信号的偏振态将呈现极大的不确定性，具体表现为：偏振态随机抖动，形成偏振相关的幅度噪声；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；偏振度降低，光纤通信系统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。 为了保证通信质量，应尽量避免这些效应的发生，或者采用补偿措施减少他们造成的信号损伤。最常用的方法就是将光纤制作为高折射率比的保偏光纤，以保证信号光在一种偏振态不变。本文就是利用保偏光纤构成的双向光波传输系统，从利用琼斯矩阵分析各个器件的偏振传输矩阵出发，分析偏振光在传输系统中的偏振态变化及外界环境因素对输出光特性和光强度的影响。 1.2.光纤双向传输系统的重要应用 光纤是通信网络的优良传输介质，在现代通信系统中得到了广泛的应用。与传统的电缆相比，光纤具有信息传输容量大、中继距离长、不受电磁场干扰、保密性能好和使用轻便等优点。　光是一种电磁波，因此有关光纤传输理论的严格分析，需要借助于光的波动理论来进行，即从麦克斯韦方程出发，在满足纤芯和包层圆柱形边界条件下求解光在光纤中的波动方程，得到光在光纤中的传输波形（模式）、色散特性、截止条件、传输功率等。由于光的波长很短，特别是在光纤的纤芯直径相对于光的波长比较大的时候，可以将光在光纤中的传输看成是光线的传输，用射线理论来处理有关光纤的传输问题。 2琼斯矩阵在偏振分析中的应用 在光学中运用矩阵方法，可以使某些繁复的光学问题（例如几何光学计算、薄膜干涉和偏振态）变得简洁方便，并便于利用电子计算机来进计算，因此这种方法的运用日益得到重视。 2.1琼斯矢量 偏振光最一般的形态是椭圆偏振光，因为平面偏振光和圆偏振光都可看作是椭圆偏振光的特例，因此，我们讨论椭圆偏振光的矩阵表示法着手，设沿z轴传播的椭圆偏振光的光矢量在 坐标轴上的投影分别为： (2.1) 略去公因子 ，用复振幅表示为： (2.2) 正如普通二维矢量可用由它的两直角分量构成一列矩阵表示一样，任一偏振光可以由它的光矢量的两个分量构成的一列矩阵不来表示，这个列矩阵称为琼斯矢量，它是美国物理学家琼斯在1941年首次提出的，并记作： (2.3) 这束偏振光的强度为： 因为通常我们关心的是相对强度，所以可以将（2-3）式除以 ，得到琼斯矢量的归一化形式，即： (2.4) 我们感兴趣的是位相差和振幅比，因而通常还可将式（2-4）中所有公共因子提出来得到更简洁的表示。 (2.5) 式中 。 2.2琼斯矢量的应用 光矢量沿 轴、振幅为 的平面偏振光： 归一化的琼斯矢量形式（2-5）式变为： (2.6) 略去公因子 ，得： 光矢量与 轴成 角、振幅为E的平面偏振光为 在椭圆偏振光蜕化为平面偏振光时，两垂直的光振动的位相差为零，即 ， 归一化的琼斯矢量为： (2.7) 略去公因子 ，得 当 时， 椭圆偏振光： (2.8) 归一化的琼斯矢量为： 略去 因子，得： 类似的方法可以求出其它偏振态的琼斯矢量，其结果可见上表并可与表中： 图2.1 其它偏振态的琼斯矢量 正交偏振： 设两列偏振波的光矢量 和 满足下列关系式： 则称这两列波是正交偏振的，式中星号“*”表示共轭复量。 对于平面偏振光，正交性意味着光矢量互相垂直，显而易见，在圆偏振的情况下，右旋圆偏振光 与左旋圆偏振光 互为正交；在椭圆偏振情况下，右旋椭圆偏振光与左旋椭圆振光也是互为正交的，例如 与 表示一对特定正交态的椭圆偏振光。 图2.2 正交态的椭圆偏振光 应该指出，任何偏振光都可以分解成两个正交的偏振光，例如，分解成为两个正交的平面偏振光时可写成： 分解成为正交的圆偏振光时可写成： 2.3偏振器件的琼斯矩阵表示 偏振器是最长用电光学器件之一，它将入射光束分解为两个正交形式的光束，并使这两束光以不同强度透过的一种光学元器件。其中常用的是线偏振器[10]。理想线偏振器只允许沿某一方向振动的线偏振光完全透过，这个方向被称为透射轴，而振动方向与此相垂直的另一线偏振光则被全部截住，称这个与透光轴正交的方向为消光轴。 偏振光通过偏振元件后，它的偏振态会发生变化。入射光的偏振态用： 表示，透射光的偏振光用 表示。偏振器件G起着 和 之间的变换作用。假定这种变换是线性的（在线性光学范围内均可满足），也就是说透射光的两个分量 、 是入射光的两个分量 和 的线性组合 (2.9) 其中 、 、 、 是复常数。写成矩阵形式 (2.10) 也可以写成： 称矩阵： (2.11) 为该偏振器件的琼斯矩阵。 （1）线偏振器的琼斯矩阵 设偏振器透光轴与x轴成 角。如图2-4所示，建立xy坐标系，入射光在x、y轴上的两个分量分别为 和 ，将它们在线偏振器透光方向上投影。入射光通过线偏振器后， 和 沿透光轴方向的分量分别为 和 ，将这两个分量的组合在x、y轴上再一次投影，得到出射光的两个分量 和 ,。 图2.3 线偏振器琼斯矩阵的推导 即 (2.12) 比较式（2.9）由上可得，由上式可得透光轴与x轴成 的理想线偏振器的琼斯矩阵： 令上式中 得透光轴为X轴的理想线偏振器的琼斯矩阵为： 透光轴为X轴的非理想偏振器的琼斯矩阵为： 其中 是偏振器的特性参数， 为起偏器消光比，定义为 。 起偏器的消光比对光纤电流互感器的测量准确度会产生一定的影响，尤其当起偏器的消光比不稳定时，会造成互感器测量灵敏度的降低。 （2）波片的琼斯矩阵 设波片的快轴和x轴成 角，产生的相位差为 ，如图建立坐标系。取入射偏振光为 ,则两分量在波片快、慢轴上的分量为 图2.4 波片琼斯矩阵的推导 (2.13) 或表示成： 从波片出射时，必须考虑快、慢轴上分量的相对相位延迟，于是 、 分量变为： 或表示为： 这两个分量再分别在x、y轴上投影，得到出射光琼斯矢量在x、y轴上的两分量分别为： 或表示成： 代入各量，得： 整理后，得到波片的琼斯矩阵为： (2.14) 即λ/4波片快轴与x轴成 角的琼斯矩阵为： 2.4旋转矩阵 偏振器件的传输矩阵不仅与器件固有特性，如透过系数有关，而且也与器件的的放置位置有关[12]。前面讨论的情况是偏振器件两正交方向与空间坐标重合，如偏振器与两正交方向之间有一个旋转角度 ，则旋转矩阵 则偏振器的琼斯矩阵变换成： 透光轴与x轴成 角的非理想线偏振器的琼斯矩阵为： = (2.15) 当 = 时，旋转矩阵为： 当不是以45°拼接时，拼接不准确时旋转矩阵为： 2.5光学系统的琼斯矩阵表示 考虑一个琼斯矩阵矢量为 的光束依次进入琼斯矩阵 , ,… 的一系列的装置，式中矩阵相乘的次序不能颠倒，那么从这一系列装置出射的光束之琼斯矩阵矢量为 (2.16) 这样知道了一个光学装置的琼斯矩阵后，从该装置出射的光束的琼斯矩阵矢量，就可以简单地通过入射光束的琼斯矢量乘以该装置的琼斯矩阵而求得，或用入射光矢量依次构成光学系统的元件矩阵相乘而求得。 因此琼斯矩阵表征了器件对偏振光的变化特征，如果琼斯矩阵中的元素受到某信息的调制，则该器件出射偏振光的偏振态相应受到调制，由此可以检测出信息的特征，这就是利用偏振光进行检测的基本原理。 3 建立光纤双向传输系统 3.1纤双向传输系统原理图 本文要研究的保偏光纤双向传输系统原理图如下。10GHz的射频正弦信号调制1310nm的红外光波，通过单模保偏光纤双向传输，系统原理图如图所示。； 图3.1保偏光纤双向传输系统原理图 如图所示，微波链路系统由光发射机（包括光源和调制器），起偏器和检偏器，保偏三端环行器，保偏光纤，法拉第旋转镜和接收机组成。 1、射频信号经过光发送机完成电光变化，经过起偏器后变为水平线偏振光，经保偏三端环行器耦合入PMF，经约100mPMF光纤传输后进行电光变换，从而在远端副天线得到射频信号。 2、经过保偏光纤传输到光纤尾端的水平线偏振光被半透半反镜反射回来50%，且正反两次通过45°法拉第旋转镜后，变为垂直线偏振光，反向耦合入光纤并通过环行器输出；经过检偏器检偏后，由光接收机进行光电转换，以便利用鉴相器进行相位检测。 由于本系统要求线偏振光作为输入光源，且在传输过程中保持偏振态不变，所以系统中各个器件均为偏振保持器件。但由于偏振器件受外界条件如温度的敏感性，需对系统进行理论分析。比如保偏光纤，当温度变化时会引起折射率变化，从而改变光波的偏振态。为了分析系统性能，本文采用保偏器件常用的琼斯矢量分析法。 3.2系统中各器件的工作原理 3.2.1铌酸锂调制器的工作原理 利用电光效应实现电信号对光的调制，使电信号转变为光信号，实现长距离传输。主要用于光发射机的信号调制，应用于光纤通信的高速、宽带、长距离主干网中。10Gb/s强度调制器的波导结构为M-Z干涉仪型，在电光晶体LiNbO3基片上制作一个M-Z干涉仪条形波导，在M-Z干涉仪两臂波导附近制作上表面电极，供施加调制电压。其工作原理为：当施加电压在电极上时，光波导折射率随施加电压改变而改变，因而光通过波导后相位发生改变。在Y合束处两波相叠加，若同相则光强增加，若反相则光强相消，从而实现强度调制的功能。10Gb/s强度调制器的主要技术指标包括工作波长、插入损耗 、背向光反射、消光比、 电极半波电压、电极带宽（-3dB）、电极电反射、偏置电极半波电压。 该器件解决了以下技术问题，低插入损耗，提供最大的传输光功率；独立的直流偏置可提高长期稳定性和可靠性；高调制消光比低驱动电压适应于广泛的商用驱动源性；能价格比高符合；Telcordia GR-468-CORE要求。 该器件用于10Gbit/s的SDH系统、光纤通信干线。随着通信系统和internet的高速发展，10Gbit/s铌酸锂调制器作为光发射机的必要器件，必将具有良好的应用前景。 3.2.2保偏光纤 保偏光纤(Polarization Maintaining Fiber , PMF) 能保持输入光波的偏振态。保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通纤系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤一直被西方发达国家列入对我禁运的清单。 保偏光纤可以解决偏振态变化的问题，但它并不能消除光纤中的双折射现象，反而是在通过光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈地双折射效应，来消除应力对入射光偏振态的影响。保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。 保偏光纤一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，或是激光器。常接触到的保偏光纤是用在光源与外调制器之间的连接中。

光纤传输系统相关范文