【假一罚四】光纤通信系统中的偏振光学张晓光 ... [等] 著

光的偏振是光波的自然属性，是证明光为横波的必然结果。光纤通信利用光纤承载光信号进行远程传递信息，光纤通信系统已成为当今通信传送网的重要组成部分，承担着城市间的远程骨干网通信、城市内城域网通信以及数据中心光互连的重要任务。光的偏振在光纤通信系统中起着重要作用。偏分复用技术就是利用两个正交的偏振信号理论上没有相互串扰的机制，用正交的双偏振信号在一根光纤中传输，使通信容量加倍。光纤通信系统还采用两个偏振组合进行编码，即偏振编码。这些是偏振在光纤通信系统中的正面作用。同时，偏振在光纤通信系统中也有其负面作用，比如快速的偏振旋转会造成偏分解复用的困难； 偏振旋转与偏振模色散联合效应不仅造成偏分解复用的难题，还会引起偏振信号的符号间串扰； 偏振相关损耗会造成双偏的两路信号之间的信噪比不同。不论光的偏振给光纤通信系统带来正面作用，还是负面作用，作为光纤通信的从业者，都要系统地了解和学习光纤通信系统中的偏振光学。这也是笔者撰写本书的目的。

然而笔者发现，光纤通信的从业者往往疏忽对于光偏振的掌握。这是由于： 第一，理解光偏振效应往往需要比较复杂的数学与物理知识，让人望而却步； 第二，2000年以前的光纤通信系统传输的码率较低，且是单偏振的强度调制直接检测系统，偏振效应引起的信号偏振损伤对于光纤通信系统影响不大。因此人们都倾向于回避和忽略光纤中的偏振效应。但是2000年以后，光纤通信系统的单波信道码率达到10Gbit/s，并很快提升到40Gbit/s乃至100Gbit/s，2010年以后的相干光纤通信系统普遍采用了偏振复用技术，且信号的波特率高达200Gbaud，偏振效应的影响非常显著，人们再也无法回避偏振效应。近年来人们发现，雷雨天气会造成光纤通信系统频繁中断业务，深入分析得知是雷电造成光纤中的光信号快速变化，超出了系统中偏分解复用算法的能力，造成通信中断。因此目前光纤偏振效应原理和均衡方法已经成为光纤通信从业人员必须掌握的技术。

笔者自2001年承接国家“863”高技术发展计划重点项目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”开始投身于光纤偏振领域的研究，一直坚持研究到今天，可谓“二十年磨一剑”，取得了许多相关科研成果。笔者主持的2项“863”计划项目、2项国家自然科学基金项目、5项华为委托研发项目都与光纤偏振相关。2008年在华为委托研发项目的资助下带领研究组研制成功国内第一台光纤偏振模色散自适应补偿样机，性能表现优异。另外研究组还于2017年帮助天津市德力电子仪器有限公司研制了偏振模色散测量样机。笔者与研究组成员分别于2005年和2015年获得中国通信学会科学技术三等奖和教育科学技术进步二等奖。本书作者都多年在光纤偏振领域辛勤耕耘，掌握了扎实的偏振系统知识，积累了丰富的研究经验，撰写本书可谓水到渠成。

本书除绪论之外，以三篇的形式组织全书内容。

第一篇是偏振光学的基础知识，包含第2~4章。第2章介绍了偏振态的基本形态，描述偏振态的琼斯矢量和斯托克斯矢量描述方法，以及这两种偏振态描述方法之间的转换； 其中借用量子力学的表象理论，提出了描写偏振态的偏振表象概念以及表象变换方法。第3章作为光信号在偏振器件以及双折射光纤中传输的基本理论，介绍了光在各向异性介质中传输的双折射现象，分类介绍了线双折射和圆双折射，最后讨论了本征偏振模式的物理意义。第4章介绍了偏振器件的矩阵描述，包括琼斯矩阵和米勒矩阵描述，以及这两种描述的转换。

第二篇讲述光纤通信中出现的偏振现象以及它们的应用，包括第5~9章。第5章介绍偏振分束器、光隔离器、光环形器、偏振控制器等偏振器件的工作机理。第6章介绍光纤中的双折射现象以及保偏光纤，介绍如何用数学描述光信号在双折射光纤中的传播，实际上就是光纤偏振旋转的产生机理。第7章是本书的重点章节，介绍光纤偏振模色散的物理机理和数学描述。为了更深入理解光纤偏振效应，第8章介绍近几年来发展起来的基于自旋矢量的偏振数学运算方法。第9章介绍偏振相关损耗的物理机理和数学描述。

第三篇为光纤中偏振效应的测量方法、建模方法以及光纤通信系统中偏振效应的均衡技术，包括第10~12章。第10章介绍偏振模色散和偏振相关损耗的典型测量方法。第11章给出了光纤通信系统中偏振效应的建模方法，用以考察偏振效应对光纤通信系统的影响。第12章描述了光纤通信直接检测系统和相干检测系统中偏振效应的相应均衡技术，特别是详细讲述了研究组研制的偏振模色散补偿样机的工作机理，以及相干检测系统中基于卡尔曼滤波器的偏振解复用方法。

本书在撰写过程中，研究组的研究生张斌、张奇、刘梦溶、陆庆敏、吉晨曦等同学阅读了初稿，找出文字、公式和图表中的错误。在此表示感谢！

感谢清华大学出版社将本书列入其策划的“变革性光科学与技术丛书”！感谢国家出版基金对本书的资助！感谢“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划将本书列入重大出版工程规划！

受作者学识水平所限，书中肯定存在一些不妥和错误，恳请各位读者批评指正。

张晓光2022年7月于北京

偏振复用技术(也称为偏分复用技术)是光纤通信系统中的一项重要复用技术，应用偏振复用技术能够使光纤通信容量加倍。光纤通信系统中应用到许多偏振器件。另外，光信号在光纤和光器件中传输时会因偏振效应引起偏振损伤，这些偏振效应主要包括光纤偏振模色散、偏振相关损耗和偏振旋转等。