光纖傳輸系統

1 引言1.1.光纖傳輸系統及偏振問題通訊和軍事技術的發展對雷達和天線系統提出越來越高的要求，傳統的金屬波導和同軸電纜由於在體積、重量、抗電磁干擾能力，串擾及損耗等方面有許多不足，已經無法滿足實際應用的需要。而一些特殊用途，機載，空載雷達要求較寬的頻頻寬度，體積小，重量輕，抗電磁干擾能力，隱身能力強等，需要引入新的技術加以實現，而光波技術因其特殊的技術而備受青睞。微波光纖傳輸技術是把微波訊號調製在光頻上，通過光纖進行傳輸，這種技術與目前光纖通訊有許多相似之處，在國外已經成熟並得到應用。利用光纖來傳輸微波訊號具有明顯的優點：1．與傳統的電纜相比，光纖損耗極小，適合於訊號的長距離傳輸，非常有利於雷達系統的遠端控制和雷達訊號的傳輸分配。2．光纖具有體積小、重量輕、柔軟靈活等優點，特別適合在飛機、艦船等有空間限制的應用場合。3．光纖具有極寬的頻寬，有利於寬頻雷達訊號的傳輸。4．光纖及大量光波器件均為介質材料，無電磁輻射，因而隱身效能好，抗電磁干擾能力強。隨著高速光纖通訊與光纖感測技術的飛速發展，各種複雜的偏振現象逐漸凸現出來，偏振效應開始成為當前的一個研究熱點。一方面，偏振效應所引起的大量偏振問題已經成為高速光纖通訊系統升級的重要瓶頸；另一方面，偏振效應在高速光訊號處理方面的優勢，促使各種偏振應用技術迅速發展起來。在弱導單模光纖中，光訊號以兩個垂直的線偏振模的形態存在，由於光線或光器件對兩種偏振模式的作用不一樣，會產生各種各樣的偏振效應：偏振相關損耗、偏振相關增益、偏振相關相移或雙折射、消偏振以及偏振模色散等等。在包含一系列光器件的光纖通訊系統中，由於偏振效應的發生無論在時間上還是在空間上都是隨機的，因而光訊號的偏振態將呈現極大的不確定性，具體表現為：偏振態隨機抖動，形成偏振相關的幅度噪聲；偏振相關的相位波動，引起光訊號的波形失真、頻率啁啾和干涉噪聲；偏振度降低，光纖通訊系統的各種消偏振效應導致光訊號的偏振度下降，信噪比降低，等等。在高速光纖通訊系統中這些現象將使系統性能進一步惡化，嚴重影響通訊訊號的質量。為了保證通訊質量，應儘量避免這些效應的發生，或者採用補償措施減少他們造成的訊號損傷。最常用的方法就是將光纖製作為高折射率比的保偏光纖，以保證訊號光在一種偏振態不變。本文就是利用保偏光纖構成的雙向光波傳輸系統，從利用瓊斯矩陣分析各個器件的偏振傳輸矩陣出發，分析偏振光在傳輸系統中的偏振態變化及外界環境因素對輸出光特性和光強度的影響。1.2.光纖雙向傳輸系統的重要應用光纖是通訊網路的優良傳輸介質，在現代通訊系統中得到了廣泛的應用。與傳統的電纜相比，光纖具有資訊傳輸容量大、中繼距離長、不受電磁場干擾、保密效能好和使用輕便等優點。　光是一種電磁波，因此有關光纖傳輸理論的嚴格分析，需要藉助於光的波動理論來進行，即從麥克斯韋方程出發，在滿足纖芯和包層圓柱形邊界條件下求解光在光纖中的波動方程，得到光在光纖中的傳輸波形（模式）、色散特性、截止條件、傳輸功率等。由於光的波長很短，特別是在光纖的纖芯直徑相對於光的波長比較大的時候，可以將光在光纖中的傳輸看成是光線的傳輸，用射線理論來處理有關光纖的傳輸問題。2瓊斯矩陣在偏振分析中的應用在光學中運用矩陣方法，可以使某些繁複的光學問題（例如幾何光學計算、薄膜干涉和偏振態）變得簡潔方便，並便於利用電子計算機來進計算，因此這種方法的運用日益得到重視。2.1瓊斯向量偏振光最一般的形態是橢圓偏振光，因為平面偏振光和圓偏振光都可看作是橢圓偏振光的特例，因此，我們討論橢圓偏振光的矩陣表示法著手，設沿z軸傳播的橢圓偏振光的光向量在 座標軸上的`投影分別為：(2.1)略去公因子 ，用復振幅表示為：(2.2)正如普通二維向量可用由它的兩直角分量構成一列矩陣表示一樣，任一偏振光可以由它的光向量的兩個分量構成的一列矩陣不來表示，這個列矩陣稱為瓊斯向量，它是美國物理學家瓊斯在1941年首次提出的，並記作：(2.3)這束偏振光的強度為：因為通常我們關心的是相對強度，所以可以將（2-3）式除以 ，得到瓊斯向量的歸一化形式，即：(2.4)我們感興趣的是位相差和振幅比，因而通常還可將式（2-4）中所有公共因子提出來得到更簡潔的表示。(2.5)式中 。2.2瓊斯向量的應用光向量沿 軸、振幅為 的平面偏振光：歸一化的瓊斯向量形式（2-5）式變為：(2.6)略去公因子 ，得：光向量與 軸成 角、振幅為E的平面偏振光為在橢圓偏振光蛻化為平面偏振光時，兩垂直的光振動的位相差為零，即 ，歸一化的瓊斯向量為：(2.7)略去公因子 ，得當 時，橢圓偏振光：(2.8)歸一化的瓊斯向量為：略去 因子，得：類似的方法可以求出其它偏振態的瓊斯向量，其結果可見上表並可與表中：圖2.1 其它偏振態的瓊斯向量正交偏振：設兩列偏振波的光向量 和 滿足下列關係式：則稱這兩列波是正交偏振的，式中星號“*”表示共軛復量。對於平面偏振光，正交性意味著光向量互相垂直，顯而易見，在圓偏振的情況下，右旋圓偏振光 與左旋圓偏振光 互為正交；在橢圓偏振情況下，右旋橢圓偏振光與左旋橢圓振光也是互為正交的，例如 與 表示一對特定正交態的橢圓偏振光。圖2.2 正交態的橢圓偏振光應該指出，任何偏振光都可以分解成兩個正交的偏振光，例如，分解成為兩個正交的平面偏振光時可寫成：分解成為正交的圓偏振光時可寫成：2.3偏振器件的瓊斯矩陣表示偏振器是最長用電光學器件之一，它將入射光束分解為兩個正交形式的光束，並使這兩束光以不同強度透過的一種光學元器件。其中常用的是線偏振器[10]。理想線偏振器只允許沿某一方向振動的線偏振光完全透過，這個方向被稱為透射軸，而振動方向與此相垂直的另一線偏振光則被全部截住，稱這個與透光軸正交的方向為消光軸。偏振光通過偏振元件後，它的偏振態會發生變化。入射光的偏振態用：表示，透射光的偏振光用 表示。偏振器件G起著 和 之間的變換作用。假定這種變換是線性的（線上性光學範圍內均可滿足），也就是說透射光的兩個分量 、 是入射光的兩個分量 和 的線性組合(2.9)其中 、 、 、 是復常數。寫成矩陣形式(2.10)也可以寫成：稱矩陣：(2.11)為該偏振器件的瓊斯矩陣。（1）線偏振器的瓊斯矩陣設偏振器透光軸與x軸成 角。如圖2-4所示，建立xy座標系，入射光在x、y軸上的兩個分量分別為 和 ，將它們線上偏振器透光方向上投影。入射光通過線偏振器後， 和 沿透光軸方向的分量分別為 和 ，將這兩個分量的組合在x、y軸上再一次投影，得到出射光的兩個分量 和 ,。圖2.3 線偏振器瓊斯矩陣的推導即(2.12)比較式（2.9）由上可得，由上式可得透光軸與x軸成 的理想線偏振器的瓊斯矩陣：令上式中 得透光軸為X軸的理想線偏振器的瓊斯矩陣為：透光軸為X軸的非理想偏振器的瓊斯矩陣為：其中 是偏振器的特性引數， 為起偏器消光比，定義為 。起偏器的消光比對光纖電流互感器的測量準確度會產生一定的影響，尤其當起偏器的消光比不穩定時，會造成互感器測量靈敏度的降低。（2）波片的瓊斯矩陣設波片的快軸和x軸成 角，產生的相位差為 ，如圖建立座標系。取入射偏振光為 ,則兩分量在波片快、慢軸上的分量為圖2.4 波片瓊斯矩陣的推導(2.13)或表示成：從波片出射時，必須考慮快、慢軸上分量的相對相位延遲，於是 、 分量變為：或表示為：這兩個分量再分別在x、y軸上投影，得到出射光瓊斯向量在x、y軸上的兩分量分別為：或表示成：代入各量，得：整理後，得到波片的瓊斯矩陣為：(2.14)即λ/4波片快軸與x軸成 角的瓊斯矩陣為：2.4旋轉矩陣偏振器件的傳輸矩陣不僅與器件固有特性，如透過係數有關，而且也與器件的的放置位置有關[12]。前面討論的情況是偏振器件兩正交方向與空間座標重合，如偏振器與兩正交方向之間有一個旋轉角度 ，則旋轉矩陣則偏振器的瓊斯矩陣變換成：透光軸與x軸成 角的非理想線偏振器的瓊斯矩陣為：=(2.15)當 = 時，旋轉矩陣為：當不是以45°拼接時，拼接不準確時旋轉矩陣為：2.5光學系統的瓊斯矩陣表示考慮一個瓊斯矩陣向量為 的光束依次進入瓊斯矩陣 , ,… 的一系列的裝置，式中矩陣相乘的次序不能顛倒，那麼從這一系列裝置出射的光束之瓊斯矩陣向量為(2.16)這樣知道了一個光學裝置的瓊斯矩陣後，從該裝置出射的光束的瓊斯矩陣向量，就可以簡單地通過入射光束的瓊斯向量乘以該裝置的瓊斯矩陣而求得，或用入射光向量依次構成光學系統的元件矩陣相乘而求得。因此瓊斯矩陣表徵了器件對偏振光的變化特徵，如果瓊斯矩陣中的元素受到某資訊的調製，則該器件出射偏振光的偏振態相應受到調製，由此可以檢測出資訊的特徵，這就是利用偏振光進行檢測的基本原理。3 建立光纖雙向傳輸系統3.1纖雙向傳輸系統原理圖本文要研究的保偏光纖雙向傳輸系統原理圖如下。10GHz的射頻正弦訊號調製1310nm的紅外光波，通過單模保偏光纖雙向傳輸，系統原理圖如圖所示。；圖3.1保偏光纖雙向傳輸系統原理圖如圖所示，微波鏈路系統由光發射機（包括光源和調製器），起偏器和檢偏器，保偏三端環行器，保偏光纖，法拉第旋轉鏡和接收機組成。1、射頻訊號經過光傳送機完成電光變化，經過起偏器後變為水平線偏振光，經保偏三端環行器耦合入PMF，經約100mPMF光纖傳輸後進行電光變換，從而在遠端副天線得到射頻訊號。2、經過保偏光纖傳輸到光纖尾端的水平線偏振光被半透半反鏡反射回來50%，且正反兩次通過45°法拉第旋轉鏡後，變為垂直線偏振光，反向耦合入光纖並通過環行器輸出；經過檢偏器檢偏後，由光接收機進行光電轉換，以便利用鑑相器進行相位檢測。由於本系統要求線偏振光作為輸入光源，且在傳輸過程中保持偏振態不變，所以系統中各個器件均為偏振保持器件。但由於偏振器件受外界條件如溫度的敏感性，需對系統進行理論分析。比如保偏光纖，當溫度變化時會引起折射率變化，從而改變光波的偏振態。為了分析系統性能，本文采用保偏器件常用的瓊斯向量分析法。3.2系統中各器件的工作原理3.2.1鈮酸鋰調製器的工作原理利用電光效應實現電訊號對光的調製，使電訊號轉變為光訊號，實現長距離傳輸。主要用於光發射機的訊號調製，應用於光纖通訊的高速、寬頻、長距離主幹網中。10Gb/s強度調製器的波導結構為M-Z干涉儀型，在電光晶體LiNbO3基片上製作一個M-Z干涉儀條形波導，在M-Z干涉儀兩臂波導附近製作上表面電極，供施加調製電壓。其工作原理為：當施加電壓在電極上時，光波導折射率隨施加電壓改變而改變，因而光通過波導後相位發生改變。在Y合束處兩波相疊加，若同相則光強增加，若反相則光強相消，從而實現強度調製的功能。10Gb/s強度調製器的主要技術指標包括工作波長、插入損耗 、背向光反射、消光比、 電極半波電壓、電極頻寬（-3dB）、電極電反射、偏置電極半波電壓。 該器件解決了以下技術問題，低插入損耗，提供最大的傳輸光功率；獨立的直流偏置可提高長期穩定性和可靠性；高調製消光比低驅動電壓適應於廣泛的商用驅動源性；能價格比高符合；Telcordia GR-468-CORE要求。 該器件用於10Gbit/s的SDH系統、光纖通訊幹線。隨著通訊系統和internet的高速發展，10Gbit/s鈮酸鋰調製器作為光發射機的必要器件，必將具有良好的應用前景。3.2.2保偏光纖保偏光纖(Polarization Maintaining Fiber , PMF) 能保持輸入光波的偏振態。保偏光纖傳輸線偏振光，廣泛用於航天、航空、航海、工業製造技術及通訊等國民經濟的各個領域。在以光學相干檢測為基礎的干涉型光纖感測器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信躁比，以實現對物理量的高精度測量。保偏光纖作為一種特種光纖，主要應用於光纖陀螺，光纖水聽器等感測器和DWDM、EDFA等光纖通纖系統。由於光纖陀螺及光纖水聽器等可用於軍用慣導和聲吶，屬於高新科技產品，而保偏光纖又是其核心部件，因而保偏光纖一直被西方已開發國家列入對我禁運的清單。保偏光纖可以解決偏振態變化的問題，但它並不能消除光纖中的雙折射現象，反而是在通過光纖幾何尺寸上的設計，產生更強烈地雙折射效應，來消除應力對入射光偏振態的影響。保偏光纖中，雙折射效應越強，波長越短，保持傳輸光偏振態越好。保偏光纖一般是應用在對偏振態比較敏感的應用中，如干涉儀，或是鐳射器。常接觸到的保偏光纖是用在光源與外調變器之間的連線中。