CN1322690C - 一种偏振模色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种偏振模色散补偿方法，可用在传输速率10Gb/s及以上的高速、长距离DWDM光纤通信系统中，快速准确补偿传输光信号的PMD，特别适用于多通道，其特征在于采用一个高速退偏器将调制光信号在时域退偏为自然光，随后光信号进入长距离传输光纤，被沿着光纤的两正交偏振主轴分解为能量均等、但仍存在差分群延迟的两个分量；最后，加一个检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。可用同一套装置同时补偿多个通道的偏振模色散PMD，极大地降低了补偿成本。

Description

一种偏振模色散补偿方法

技术领域

本发明涉及一种实现偏振模色散动态补偿的方法，可用于传输速率10Gb/s及以上的高速、长距离密集波分复用(DWDM)光纤通信系统中，特别适合于实现对多通道光信号的偏振模色散的准确补偿。

背景技术

对于传输速率10Gb/s及以上的高速、长距离的密集波分复用(DWDM)系统，出现的一个关键问题是各通道的偏振模色散。由于制造过程和外界环境的影响，实际单模光纤的横截面不再为理想的圆，导致光纤内两个正交偏振模的传播常数也随之不同，由此引起的脉冲展宽就称为偏振模色散(PMD)。与光纤非线性和色散一样，PMD能损害系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离，并被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。

参考文献

【1】Iannone，E.F.Matera，A.Mecozzi，and M.Settembre，Nonlinear Optical CommunicationNetworks，New York：John Wiley&Sons，Inc.，pp.30-35，1998.

【2】Christopher Allen，Pradeep Kumar Kondamuri，Douglas L.Richards，Douglas C.Hague，“Measured Temporal and Spectral PMD Characteristics and Their Implications forNetwork-Level Mitigation Approaches”.Journal of Lightwave Technology，21(1)，pp.79-86，2003.

【3】Betti，S.F.Curti，B.Daino，G De Marchis，E.Iannone，and F.Matera，“Evaluation of thebandwidth of the principle states of polarization in single-mode fibers”，Optics Letters，16(7)，pp.467-469，1991.

【4】R.Khosravani，S.A.Havstad，Y.W.Song，P.Ebrahimi，and A.E.Willner.“Polarization-mode dispersion compensation in WDM systems”，IEEE Photonics TechnologyLetters，13(12)，pp.1370-1372，2001.

可以认为在实际长距离光纤中存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏振、并与输出偏振态有最小频率相关性的光脉冲，这两个偏振光脉冲即为偏振主态(PSP)。实际系统中PSP总是有一定的带宽，在此带宽内PSP可视为常数【1】，【2】。对标准单模光纤，其PSP带宽要在100GHZ的数量级。

在光纤输出端，两个PSP的到达时间是不同的，第一个脉冲信号以优先偏振状态传播并首先到达；第二个脉冲信号以延迟偏振状态传播并延迟一个时延值到达，两者间的时间差就是PMD的差分群时延(DGD)。在实际高速光传输系统中，DGD的变化基本上就是PMD的瞬时变化，且DGD平均值与PSP带宽近似成反比关系【1】～【3】。例如，对3.2ps的平均DGD值，其PSP带宽要在300GHZ左右；对10ps的平均DGD值，其PSP带宽在100GHZ左右。对实际40Gb/s系统，在进行PMD补偿前系统的平均DGD值最大一般在5～6个ps【2】，所以40Gb/s系统的PSP带宽一般总有约200GHZ。因此，只要在补偿处能使得PSP带宽范围内的多通道光信号的PMD矢量相同，且DWDM系统的通道间隔相对较窄(如50GHZ或100GHZ的DWDM系统)，就可实现用同一套装置同时补偿这多个通道的PMD的梦想。

但是，由于实际DWDM系统中每个通道光信号输入偏振态的不同，使得各通道在经过长距离光纤传输后的PMD矢量大不相同，即这些通道中DGD均值的大小和光信号在两PSP上的能量分布大不相同。所以在基于PMD矢量叠加原理的现有PMD补偿方案中，实质上只能进行单通道的PMD补偿。而且由于在实际光传输系统中，温度、应力等不确定因素导致光纤线路中的PMD随时间随机变化，还必须选择实时动态的单通道补偿方式。对于United States Patents 6,603,890中所述的多通道PMD补偿方案，其实质也是在现有单通道PMD补偿结构的基础上，对有限个数(≤4个)的通道分别监测PMD，而且只是从中选择PMD最坏的通道进行补偿。这种方案不但要求各通道同时经历最坏PMD的概率极低，而且要求系统的DGD均值必须足够大(20ps以上)【4】。所以这种多通道方案不仅在实际10Gb/s系统的应用中存在诸多限制，而且几乎不能用于40Gb/s系统。

图1示出了光纤通信系统中采用现有单通道补偿方案进行PMD动态补偿的原理。现有的单通道PMD补偿方案总的来说有电域和光域补偿两种方案，两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对PMD造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。但电域补偿方式受电子瓶颈的限制，在10Gb/s以上的系统中使用有很大难度，而光域补偿则不存在该问题，所以现在所指的高速系统中PMD补偿方案普遍为光域方案。光域方案的典型系统组成可概括为图2所示的United States Patents 6,748,126中提出的方法，即根据反馈信号通过控制单元实时调节偏振控制器和偏振补偿时延器件来进行单通道的PMD补偿。采用这种补偿方案不仅需要制定繁难的反馈控制算法、选择品质优良的高速偏振控制器和偏振补偿时延器件，而且对于实际的WDM系统来说，由于这种单通道PMD补偿器商用产品的售价在1～2万美元之间，该方案未免会因成本过高而无法推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振模色散补偿方法，特别适合应用在传输速率10Gb/s及以上的高速、长距离DWDM光纤通信系统中，快速准确补偿传输光信号的偏振模色散PMD。本发明进一步的目的是用同一套装置同时补偿多个通道的偏振模色散PMD。

本发明的技术方案是：一种偏振模色散补偿方法，其特征在于采用一个高速退偏器将调制光信号在时域退偏为自然光，随后光信号进入长距离传输光纤，被沿着光纤的两正交偏振主轴分解为能量均等、但仍存在差分群延迟的两个分量；最后，加一个检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

如上所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的检偏器的偏振轴在垂直于光信号传输方向的平面内根据光纤偏振主轴的变化以毫秒量级的速率进行动态调节。

如上所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的调制光信号为波分复用后的多通道调制光信号，用所述的高速退偏器将多通道调制光信号在时域全部退偏为自然光；波分解复用后，在每一通道中分别加一个检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

如上所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的调制光信号为波分复用后的多通道调制光信号，用所述的高速退偏器将多通道调制光信号在时域全部退偏为自然光；波分解复用后，根据实际系统中偏振主态的带宽，选择可同时进行PMD补偿的通道数，在每组通道中分别加一个公共的检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

使用本方法的优点在于：

1.光能量恒定的控制极为简单。具有任意偏振态的调制光信号在通过高速退偏器后在光纤两正交偏振主轴上能量均分；虽然光信号再经长距离传输光纤后仍然会沿两正交偏振主轴产生相对时延差，但因其在两偏振主轴上能量均分，所以能保证其经过动态检偏器并去掉沿光纤一个偏振主轴的光分量后，不会产生光能量的波动；采用去除的方法，控制变得十分简单。可同时去除偏振相关损耗(PDL)、偏振相关增益(PDG)等偏振效应的影响。

2.可用同一套装置同时补偿多个通道的PMD。虽然各通道调制光信号输入偏振态不同，但各通道调制光信号在时域业已全部退偏成自然光，使之经过长距离光纤传输后的PMD矢量相同，因而可用同一套装置同时补偿多个通道的PMD。因为采用去除的方法，使传输光信号能量衰减较大(考虑器件引入的插损等因素，总损耗共约7dB左右)，但这完全可以通过在光纤链路中多加几个光放大器来解决，而光放大器的成本远低于传统单通道PMD补偿器的成本。相比之下，此方案就极大地降低了补偿成本。

3.此方法与速率无关。

附图说明

图1是光纤通信系统中PMD引起的信号畸变及采用现有单通道动态PMD补偿方案后的效果示意图。

图2是传统的单通道PMD动态补偿的结构图。

图3(a)和图3(b)是本发明涉及的多通道PMD补偿的两种具体实施例。其中，Txi和Rxi分别为第i个光发送机和接收机(i＝1，2，……，n)。

图4是光纤通信系统中任一通道的传输光信号通过本发明涉及的多通道PMD补偿装置后的变化示意图。

图5是本发明涉及的PMD补偿装置中各通道检偏器的两种具体实现方式。其中图5(a)是采用磁光晶体和静止偏振片组合时的检偏器结构图；图5(b)是采用机械方式转动偏振片方式时的检偏器结构图。

图6(a)和图6(b)分别是本发明涉及的PMD补偿装置中各通道检偏器的控制原理图及算法流程图。

图7是传统的高速退偏器结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的工作原理：

设DWDM系统中某通道输入偏振光的Stokes形式为：

$S_{\mathrm{in}}(\mathrm{\β},\mathrm{\θ})=\left(\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}1\\ \cos \left(2\mathrm{\β}\right)\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ \cos \left(2\mathrm{\β}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(2\mathrm{\β}\right)\end{array}\right)$

其中，θ为椭圆偏振光的方位角，即椭圆偏振光在Poincere球上与S₁S₂平面的夹角，且-π/2≤θ≤π/2；β为椭圆率角，-π/4≤β≤π/4。则光信号的偏振度 $\mathrm{DOP}=\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2+{S_3}^2}/S_0.$ 如果使每个通道的单波长光信号的三个Stokes分量在一个比特周期T内积分为0，即 ${\∫}_0^T{S}_1\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^T{S}_2\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^T{S}_3\left(t\right)\mathrm{dt}=0,$ 则会有DOP＝0，同时有光信号在两个PSP上的能量均分。基于此，如图3(a)所示，采用一个光时域高速退偏器将波分复用后的多通道调制光信号在时域退偏为自然光，使其在传输长距离光纤后沿光纤两正交偏振主轴能量均分；然后在解复用后的各通道上加一个检偏器，使信号在进入接收机前被去掉沿任一偏振主轴的光分量，就可以实现对多通道PMD的补偿(若不加退偏器而只是在接收机前加一个检偏器，就会因传输光信号在两正交偏振轴上能量分布随机变化而导致从检偏器出来的光强度随机变化)。

对于实际的光纤通信系统，由于光纤的两偏振主轴受外界环境的影响随时间随机变化，且其变化时间为毫秒量级。所以，检偏器的偏振轴要在垂直于光信号传输方向的平面内根据光纤偏振主轴的变化以毫秒量级的速率进行动态调节。检偏器可采用传统的机械转动偏振片或晶轴可转的磁光晶体等加静止偏振片等方式实现，如图5(a)和图5(b)所示。同时，由于光时域高速退偏器的速度要求达到能使光信号的三个Stokes变化分量在一个比特周期内积分为0，所以此方法的另一个关键为高速退偏器的实现，这可采用传统的的LiNbO3波导或电光晶体等实现，如Fred Heismann在文章“Compact Electro-Optic PolarizationScramblers for Optically Amplified Lightwave Systems”(J.Lightwave Technol.，vol.14，pp.1801-1813，1996)中介绍的高速退偏器。如图7所示。反馈信号可采用电射频谱(RF)等等。

由于标准单模光纤的PSP带宽要在100GHZ的数量级【1】【2】，且实际40Gb/s系统中，在进行PMD补偿前平均DGD值一般在5～6个ps【2】，所以40Gb/s系统的PSP带宽总有200GHZ。因此，考虑系统的运营成本和实际系统中偏振主态的带宽，如图3(a)所示的本发明实施方式还有一种变通方案可供选择，具体如图3(b)所示。这种方案与图3(a)所示方案的不同之处在于：在多通道调制光信号时域退偏后，首先依据可同时进行PMD补偿的通道数目i，采用较低频率(例如50GHZ)的波分解复用将多通道复用信号分成若干通道(每个通道都包含i个频率更高的通道)，分别对各通道进行检偏；然后再对各通道信号进行更高频率(例如100GHZ或200GHz)的波分解复用；最后对解复用后的各个通道分别进行检测接收。

图4是光纤通信系统中的任一通道中具有任意偏振态的传输光信号通过本发明涉及的多通道PMD补偿装置后的变化示意图。如图4，相邻波长的任一通道中具有任意偏振态的调制光信号在通过高速退偏器后在光纤两正交偏振主轴上能量均分；虽然光信号再经长距离传输光纤后仍然会沿两正交偏振主轴产生相对时延差，但因其在两偏振主轴上能量均分，所以能保证其经过检偏器并去掉沿光纤一个偏振主轴的光分量后，不会产生光能量的波动。

图6给出了反馈控制的原理图和算法流程图。如图6(a)所示，首先，采集系统中反映PMD对传输光信号影响情况的实时反馈信号，送入控制单元；然后，由控制单元发送一个驱动信号，使检偏器的偏振轴向改变一个角度，即一个步进(步进的具体大小可以由检偏器中控制部分的响应最小电压梯度来决定，也可以是步进的整数倍，具体要根据实验补偿的效果及补偿的时间而定)，在检偏器响应后，马上将一个新的反馈信号发送给控制单元，跟原储存的反馈信号值比较(系统每次初始运行时将反馈信号缺省值先设为最优值)，如果变好，则继续发送一个同方向的驱动信号；若变差，则发送一个反方向的两倍步进的指令。如此循环往复即可。具体算法流程如图6(b)所示。可见，与传统的单通道PMD补偿方案中繁琐的控制算法相比，本发明中对检偏器的控制算法极其简单，这不仅节省了购买图2所示的高速偏振控制器的费用，而且相对于目前售价约1万美元的传统型PMD补偿控制软件而言，就极大降低了软件开发成本。

通过本发明我们实现了高速、长距离DWDM系统中多通道PMD的补偿。虽然由于本发明的PMD补偿方法中采用检偏器，从而导致传输光信号能量可能衰减较大(考虑器件引入的插损等因素，总损耗共约7dB左右)，但这完全可以通过在光纤链路中多加几个光放大器来解决，而光放大器的成本远低于单通道PMD补偿器的成本。相比之下，此方案就极大降低了PMD补偿的成本。

本发明不但适用于DWDM系统中多通道传输光信号的PMD补偿，同样也适用于系统中偏振相关损耗、偏振相关增益等偏振相关效应的补偿。

Claims (4)

1、一种偏振模色散补偿方法，其特征在于采用一个高速退偏器将调制光信号在时域退偏为自然光，随后光信号进入长距离传输光纤，被沿着光纤的两正交偏振主轴分解为能量均等、但仍存在差分群延迟的两个分量；最后，在长距离传输光纤接受端的接收机前加一个检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

2、如权利要求1所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的检偏器的偏振轴在垂直于光信号传输方向的平面内根据光纤偏振主轴的变化以毫秒量级的速率进行动态调节。

3、如权利要求1或2所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的调制光信号为波分复用后的多通道调制光信号，用所述的高速退偏器将多通道调制光信号在时域全部退偏为自然光；波分解复用后，在每一通道中分别加一个检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

4、如权利要求1或2所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于所述的调制光信号为波分复用后的多通道调制光信号，用所述的高速退偏器将多通道调制光信号在时域全部退偏为自然光；波分解复用后，根据实际系统中偏振主态的带宽，选择可同时进行PMD补偿的通道数，在每组通道中分别加一个公共的检偏器，使得光信号在进入接收机前被去除沿任意一个正交偏振轴的分量即可。

Images