• 当在两个支路产生的光电流平方相加后，其输出信号就与 偏振无关。
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4.3.2 偏振复用相干接收传输系统
• 从4.2节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光 纤中，基模 LP01是由两个相互正交的线性偏振模 TE模和TM模组成的。
• 我们可以把QPSK调制的数据分别去调制x偏振光 （TE模）和y偏振光（TM模），如图4.3.2（a）所 示。
延迟
IL C EYDFA
掺铒镱
B
光纤放大器
43 Gb/s
x 偏振
y 偏振
PBC
EDF 33 dBm
440.7 km
EDFA
3级拉曼 泵浦源
本地 振荡器
滤 波
相干 接收
取样 示波
器
个人 计算机
• 将64个波长信道分成两组，奇数信道为一组，偶数信道为另一组，分别 复用后的WDM光信号通过MZ外调制器分别被21.4 Gb/s的RZ-BPSK伪 随机序列信号调制。
图4.1.4 非偏振光、线偏振光和 椭圆偏振光的区别
y
E x
y
2 x
z1
y
2
E
x
z1
y
2 E x
z1
Exo =1 Eyo =1
（a）无偏振光
Exo =1 E yo =2 0
（b）线偏振光
E xo =1
Eyo =2 4
E xo =1
Eyo =2 2
（c）一种右椭圆偏振光 （d）另一种右椭圆偏振光
3
5
A点奇数波长偏振复用后波形
幅度
幅度
…

2
4
6
B点偶数波长偏振复用后波形
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…
1 2 3 4 5 6
C点奇偶波长间插复用后的波形
4.4 偏振复用的应用
• 4.4.1 偏振复用正交频分复用（OFDM）光 纤传输系统
• 4.4.2 偏振复用将低速信号提升到高速信号 • 4.4.3 偏振复用提高光信噪比
图4.2.1 光椭 子学与圆光电纤 子学芯原荣光邱琪纤偏振模色散
4.3 偏振复用相干接收技术和系统
• 在直接检测接收机中，信号光的极化（偏振）态 不起作用，这是因为这种接收机产生的光电流只 与入射光子数有关，而与它们的偏振态无关。但 是，在相干接收机中，要求接收机信号光的偏振 态要与本振光的偏振态匹配，并且还要保证匹配 是持续保持的。否则，任何瞬时的失配都将导致 数据的丢失。目前主要有下述三种方法来完成偏 振匹配任务，即偏振控制、偏振分集接收和发送 机中的偏振扰动。下面介绍：
• 矢量E在z轴给定空间位置上随时间传播时，其幅度最大点的轨迹 是椭圆，所以称这种光是椭圆偏振光，或椭圆光，它也有右椭圆 偏振光和左椭圆偏振光之分。
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4.2 光纤的偏振特性和偏振模色散
LP0x1
LP0y1 a）
LP0x1
LP0y1 b）
y z
nx < ny c/nx > c/ny
cikx ciky

光OFDM
Ciky 接收机 2
（a）偏振复用光纤信道22 MIMO-OFDM系统原理图
图4.4.1 偏振复用 MIMO-OFDM系统原 理构成及其有关点波形
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图4.4.1 偏振复用 MIMO-OFDM系统原理构 成及其有关点波形
x
x
x

X
• 第2种是采用多电平调制技术，如正交幅度调制（QAM）和差分相移键 控（DPSK）等调制；
• 第3种是提高符号率，如图4.4.2（a）所示。比如对于采用偏振复用 QPSK调制（m = 4）的系统，只要传输符合率达到28 GS/s，就可以实现 每个载波（n = 1）112 Gb/s线路速率，如图4.4.2（a）右上角所示。
4.1.4（b）～图4.1.4d所示。我们把这种只在特定方向上振动
的光称为偏振光。
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线性偏振光
由 E和 z 确定的 y 偏振平面 E x
z 观察者
y Ey
45o Ex E
x
xˆEx
ˆyEy
E
• 光的偏振（也称极化）描述当它通过晶体介质传输时其电场的特性。
• 线性偏振光是它的电场振荡方向和传播方向总在一个平面内（振荡平面）， 如图4.1.1a所示，因此线性偏振光是平面偏振波。
（c）右圆偏振光
E xo =1 E yo =1 2
（d）左圆偏振光
右圆偏振光的 Exo Eyo A ， 2 ，此时
Ex Acost kz E y Asint kz
（4.1.5a） （4.1.5b）
E x2

E
2 y

A2
（4.1.6）
场矢量 E 的旋转角是 kz (2 ) z ，当z =时， = 2，即在一个波长 的传输距离内其轨迹是一个光圆子。学与光电子学 原荣 邱琪
y 相干接收 偏振
取
样 DSP
示
和
波 误码
器 计数
I
Q
Re{Ex}
（a）偏振复用+间插复用8040 Gb/s WDM系统实验原理图
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（b） WDM系 统偏振 复用+奇 偶波长 信道间 插复用 图解原 理说明
偏振态
幅值
x
x
…
…
y A点偏振复用后波形
y B点偏振复用后波形
x 1 3
第4章 光的偏振及应用
• 4.1 偏振的基本概念 • 4.2 光纤的偏振特性和偏振模色散 • 4.3 偏振复用相干接收技术和系统 • 4.4 偏振复用的应用
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4.1 偏振的基本概念
• 光波和声波同样都是波，但它们具有不同的性质。 • 声波是在它的行进方向上，以反复地强弱变化来传播的疏
• 调制后的x偏振光和y偏振光首先经偏振合波器合波， 进行偏振分割复用（PM），简称偏振复用。
• 然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（SI） 复用，如图4.3.2（b）所示，最后送入光纤传输。
• 在接收端，进行相反的变换，解调出原来的数据。
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图4.3.2 偏振复用+间插复用/相干接收 传输试验系统原理图
• 4.3.1 相干检测偏振分集接收 • 4.3.2 偏振复用相干接收传输系统 • 4.3.3 偏振复用相干接收无中继传输试验系统
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4.3.1 相干检测偏振分集接收
图4.3.1 偏振分集相干接收机
• 用一个偏振光束分配器（PBS）获得两个正交偏振成分输 出信号，然后分别送到完全相同的两个接收支路进行处理。
• 电场除简单的线性偏振外，还有许多偏振特性。例如，场矢 量E的幅度保持恒定不变，总是垂直于z轴，但是在z方向给定 位置上，电场幅度最大点随时间顺时针旋转的轨迹，如光波 的观察者所见到的那样，在一个波长的传输距离内其轨迹是 一个圆，此时的电磁波称为右圆偏振光，如图4.1.2所示。
• 图4.1.2表示圆偏振光传播距离时的瞬间图像，此时场矢量E
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图4.3.3 偏振复用+光频间插复用/相干接收 WDM传输试验系统原理图
…
…
奇数波长
1 LD1
LD63 63
偶数波长
LD2 2
LD64 64
延迟
RZ-
y 偏振
BPSK x 偏振
A 43 Gb/s
PBC
294.5 146.2
km
km
21.4 Gb/s
RZBPSK
• 奇/偶波长复用光分别分解成x偏振光和y偏振光，其中y偏振光在时间上
比x偏振光延迟几百个符号（时延为），然后通过偏振合波器（PBC）
在时间上交替偏振复用在一起，如图4.3.3（b）所示。 • 然后，奇数波长BPSK偏振复用光和偶数波长BPSK偏振复用光通过光频
交错器（IL）又间插复用在一起，从而构成一个43 Gb/s的PDM-RZBPSK信号，如图4.3.3（光c）子学所与示光电，子送学 入原E荣Y邱D琪FA光放大器。
光载波数 n 多载波/OFDM （频率或波长）
R = 28 GS/s的PDM-QPSK 单波长系统速率：
n x R x log2(m) x 2(偏振态) = 1 x 28 x 2 x 2 = 112 Gb/s
GS/s 符合率 R
多电平阶数 m
高阶多电平调制 （m-PSK或m-QAM）
接收机相对灵敏度/dB
• 海底无中继传输系统有两种不同的发展倾向，一种是尽量 扩大传输距离，即使只有几个信道也行；另一种是尽量增 加信道数量，以便提供大于1 Tb/s的线路容量。
• 直到目前为止，已经实验演示了以下几种WDM系统： 6440 Gb/s传输距离230 km，3240 Gb/s距离402 km， 26100 Gb/s距离401 km，40100 Gb/s距离365 km。
（b）BPSK偏振复用以便提高线路速率原理说明
x
线路速率21.4 Gb/s
x 线路速率21.4 Gb/s
x
偏振态
t

t
y
时间
y
时间
y
线路速率43 Gb/s
t 时间
(b) x偏振波形
(c) y偏振波形
(d) A或B点x、y偏振复用后的波形
（c）WDM系统奇偶波长信道间插复用以便增加波长数
幅度
…

1
3 0 3 6
9 12 15 18
0.1
PDM
m-PSK
2 4 OFDM
2