光纤偏振态的高速控制与偏振编码通信

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作者姓名：李政勇

论文题目：光纤偏振态的高速控制与偏振编码通信

作者简介：李政勇，男，1974年12月出生，2005年9月师从于北京交通大学吴重庆教授，于2009年1月获博士学位。

中文摘要

高偏振度的激光出现以后，激光与物质相互作用所产生的偏振效应越来越普遍。偏振效应是一把双刃剑，它既可能对系统性能造成严重影响，也可以被利用起来开发新的技术。譬如，随着遍布全球的全光网络的迅速发展，偏振效应的负面影响呈现出作用面广、随机性大、效应复杂等特点，所导致的偏振问题越来越尖锐，成为高速光纤通信发展的主要障碍，势必影响社会信息化的进程。另一面，偏振效应的应用出现了多学科交叉发展的迅猛态势，新技术层出不穷，如光测弹性学、偏振光时域反射计（POTDR）、偏振散射光谱术、荧光偏振免疫分析法等等，而且，随着量子光学对光子自旋研究的深入，偏振的微观机理渐成热门话题。总之，无论在理论还是在应用方面，偏振效应都极富研究价值。

近年来，随着高速光纤通信、全光信号处理与光纤传感技术的飞速发展，各种复杂偏振现象愈加凸现出来，偏振效应已成为当前光信息科学技术领域中的一个亟待深入研究的课题。一方面，光纤系统中大量的偏振问题如偏振相关损耗、偏振模色散、消偏振等在高速情况下变得非常严重，导致系统性能的恶化，已成为光纤通信系统速率升级的瓶颈；另一面，偏振效应在高速全光信号处理中的独特优势，促使各种新技术如偏振光开关、偏振光编码、偏振光逻辑等迅速发展起来。不论是偏振问题的解决还是偏振效应的应用，偏振控制都是一个核心技术。高速偏振控制能快速补偿光纤系统中各种偏振相关的信号损伤，大幅度提升系统性能，保证高速偏振相关器件功能的实现，至关重要，是目前光纤技术领域的关键课题之一。

编码格式是40Gb/s及以上速率的光纤通信系统中的一大难题。在现有编码格式的通信系统中，向40Gb/s速率的升级加剧了非线性效应引起的信号损伤，造成偏振模色散的功率代价成倍增长，信噪比严重恶化，谱效率低下，最终导致误码率急剧上升。因此，寻找新的编码格式是当前光纤通信领域的迫切任务。偏振编码是一种全新的编码格式，它具有天然的功率均衡性、偏振特性好、功率代价小等优势，可大大降低系统中的非线性效应、抑制偏振模色散、降低误码率、提高谱效率，偏振编码通信的实现必将推动高速光纤通信更快地发展。

基于以上认识，本文在总结前人科研工作的基础上，通过国家“863”项目与国家自然基金项目的支持，对光纤偏振态的高速控制、高速偏振编码通信及高速信号源等问题展开了系统深入的研究，提出多项关键技术，解决了高速偏振控制与偏振编码通信的若干基础性问题。本文主要研究内容和取得的创新性成果主要有：

1. 在分析高速光纤通信系统中各种基本偏振效应的基础上，着重讨论了如何从实际测量

的包含着多种偏振效应的复杂Mueller矩阵中，分解出反映不同基本偏振效应的子矩阵，即Mueller矩阵的极分解，在此基础上对光纤、偏振控制器与半导体光放大器（SOA）中的偏振效应进行全面深入的研究，首先，得到了一种精确获得偏振旋转（或双折射）矢量的差分旋转法，该方法适合于光纤或其他偏振器件在扰动较大的复杂环境中的长时间测量，大大提高了Mueller矩阵测量方法的精度与抗干扰能力，为深入研究各种偏振现象提供了一种重要手段；其次，基于Mueller矩阵极分解与差分旋转法，发现并通过实验验证了SOA的消偏振现象与光电互补偏振旋转特性，严格证明了SOA的偏振旋转与其双折射相关的增益之间的线性关系，进而将SOA在实际应用中的一些经验抽象出来，上升到理论的高度，建立了一种能够表征SOA的3种效应（偏振旋转、偏振相关增益、偏振无关增益）及其关系的参数模型，用于指导更为广泛的实践。利用该模型，本文得到了SOA正交偏振旋转的必要条件，有效解决了SOA偏振旋转效应在通信系统中的应用问题。以上主要成果发表在Optics Letters 2008, 33 (18): 2032-2034、Chinese Physics Letters 2008, 25(11): 3964-3967。

2. 从应力双折射的理论源头——弹性力学原理出发，给出一种计算圆单模光纤中压应力函数及其应力分布的方法，得到了光纤与纤芯中应力分布的解析解，将光纤中的应力与外加压力直接联系起来，由此解决了光纤的极限压应力问题，为制定光纤、光缆使用标准提供了一个重要依据，此外利用互等功原理解决了光纤的弹性形变问题，为矢量微扰法的应用提供了充分根据。随后，通过光纤侧压应力分布的二阶近似，采用矢量微扰法获得了适用于圆单模光纤形式统一的应力双折射，精密的Mueller矩阵实验测量验证了所得理论结果的正确性；通过理论与实验的比较，本文进一步得到了压力大小及方向与双折射矢量的函数关系式，提供了一种不仅能检测压力大小，而且能够同时获得压力方向的光纤传感方法。与此相关的主要成果发表在Optics Express 2008, 16 (6): 3955-3960。其中，光纤应力矢量与双折射矢量的函数关系及矢量传感方法被“Optics Express”评论员评价为“a new breakthrough（一项新突破）”，值得指出的是，目前，双折射与应力的函数关系式已被精密测量与计量领域的同行认可并上升为理论依据，对实践起到了一定的指导作用，参见Y. Jin,et al, Measurement Science and Technology, 2010, 21(6): 065204。

3. 在光纤应力双折射的理论分析基础上，对压电陶瓷（PZT）挤压光纤的特性进行了系统深入的研究，针对PZT挤压光纤的弹光效应，首次引入广义偏振主态（PSP）概念，理论分析与实验研究表明，PSP的方向矢量就是输出偏振态的旋转轴，其大小则是偏振态旋转的角速度。随后，将广义PSP概念推广至多组元或多变量的普遍情形，提出多元主态的概念，得到了双单元、三单元压电偏振控制器（PPC）输出偏振态与驱动电压解析形式的主态模型；在此基础上进一步提出并实现了一种基于开环控制的光纤偏振态高速控制方法，其特点在于：施加相应的电压即可得到所需偏振态，不需任何反馈，也不需要任何复杂算法，控制速度大大提高。本文应用该方法将传统偏振控制速度提高了2～3个数量级，达微秒量级。接着，利用开环控制的三单元PPC本文成功进行了高速偏振态的发生与控制实验，实验结果表明PPC 是一种良好的线性偏振旋转器件，重复性好，便于开环控制，而且偏振响应时间快，是实现高速偏振控制的一种理想器件。与此相关的主要成果发表在Optics Letters 2007, 32(19): 2900-2902、Chinese Physics Letters 2008, 25(4): 1325-1328。其中，光纤偏振态的高速开环控制方法被“Optics Letters”评论员评价为“great work （杰出工作）”。基于该方法的偏振控制系统在北京交通大学建成一套，并正在进一步推广转化。

4. 在应用Mueller矩阵极分解与差分旋转法深入分析SOA复杂偏振特性的过程中，发现一种基于SOA交叉偏振调制的光脉冲数字差分方法，其优势在于：不需要额外的泵浦光，能量效率高，而且处理速度不再受限于SOA的增益恢复时间。应用该方法，本文得到了提取脉冲前沿的单边差分和同时提取脉冲前后沿的双边差分技术，利用双边差分法实验成功一种高