CN100350284C - 利用铌酸锂光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用集成级联铌酸锂光波导器件(LiNbO₃)使所传播的光束传输模式产生偏振，并利用每段光波导双折射特性(0.26ps/mm)产生的差分群时延，将多个所述光波导插指以集成方式级联起来可对单模光纤的偏振模色散进行仿真的方法，与现有技术的偏振模色散仿真方法相比，该集成级联的铌酸锂光波导器件可按照所需要的概率分布同时产生一阶和高阶偏振模色散，并具有所需要模拟时间短、器件体积小、完全非机械性、性能可靠、适合于对高速率光传输通信系统进行高效率测试的优点。

Description

利用铌酸锂光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，更确切地说是涉及一种利用铌酸锂(LiNbO₃)光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法，利用该方法可快速、准确地仿真长途光纤通信系统中单模光纤产生的一阶和高阶偏振模色散，用于测试偏振模色散对通信系统的影响。

背景技术

在传输速率为10Gb/s及其以上的高速光纤通信系统中，偏振模色散(PMD)成为一个主要的技术障碍。PMD效应使得光脉冲在光纤中传播时沿快轴和慢轴分开成两个偏振脉冲，从而在接收端产生信号畸变，速率越高，PMD的影响越明显。PMD具有随机性，它随着光纤的铺设情况、周围的环境条件而动态改变。在进行光网络的系统设计时，通常定义由PMD产生的最大光通道代价为1dB，大于1dB阈值时定义为由PMD引起了系统失效。要保障系统良好运行，要求由PMD产生的光通道代价超过1dB阈值时的失效概率足够小。对于失效概率通常规定为每年一分钟，即10^-6或更小。实际测量和理论计算表明，一阶偏振模色散(PMD)引起的差分群时延(DGD)服从麦克斯韦(Maxwellian)分布，该分布尾部的小概率大差分群时延(DGD)值事件最容易导致传输系统失效。另外，由于高阶PMD的存在，系统失效也可能发生在小DGD值的情况下或者DGD被补偿后。为了研究传输光纤PMD对于光传输通信系统的影响和PMD补偿后的情况，必须对传输光纤的大量PMD状态进行反复测试。由于大DGD值事件出现概率小，直接对传输光纤的PMD状态测试将耗费大量时间。因此，需要一种能够在短时间内快速准确地遍历实际使用传输光纤中所有PMD状态的PMD仿真方法，以提高光传输系统测试的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用X切、Y向传播的LiNbO₃光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法，并使用该方法重点仿真DGD值较大的情况，提高对光传输系统测试的效率，从而，克服现有技术测试方法效率低下的缺点。

一种利用铌酸锂光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法，该方法包括：

将N个铌酸锂光波导器件级联，在每个光波导器件插指的两个电极上以0.02V为步长，在+20V至-20V范围内独立施加电压，并检测整个级联器件的总差分群时延，将各个光波导器件上施加的电压数值和检测的总差分群时延记录在数据库内；

根据上述数据库内插指上所施加电压与相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的关系函数计算出所述相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移，将计算出的上述两数值记录在数据库内；

在仿真过程中，先确定需要仿真的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的概率分布，选择上述相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的数值，根据这些数值在数据库中查找相应的各个插指所施加电压数值；

将从数据库中所查找出的各个插指所施加电压数值转换为各个插指上的电极电压，施加在插指电极上，由此获得所需要概率分布的偏振模色散效果。

根据本发明的上述方法，当需要仿真概率平均分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间等间隔分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间等间隔分布。

根据本发明的上述方法，当需要仿真重点采样分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

根据本发明的上述方法，当需要仿真概率偏置分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

根据本发明的上述方法，当需要仿真重点采样且概率偏置分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

本发明的方法利用X切、Y向传播的铌酸锂光波导器件(LiNbO₃)使所传播的TE-TM模产生偏振，并利用该器件双折射特性(～0.26ps/mm)产生差分群时延，将多个LiNbO₃光波导器件级联起来可对单模光纤的偏振模色散进行仿真。与其他偏振模色散仿真手段相比，该级联的LiNbO₃光波导器件可同时产生一阶和高阶PMD、作用时间短、体积小、完全非机械性、性能可靠、适合于对高速率光传输通信系统的测试。

由于本发明的方法中使用重点采样将仿真集中在采样空间中DGD值和二阶PMD(SOPMD)值较大的区域，与标准的Monte-Carlo方法相比，重点采样方法对小概率大DGD值事件的仿真更加有效、准确、快速。

附图说明

图1为本发明的偏振模仿真方法所采用的集成级联铌酸锂光波导器件的结构示意图；

图2为采用本发明的偏振模仿真方法对高速光传输系统进行偏振模影响测试的原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的LiNbO₃光波导器件偏振模色散仿真方法。

集成级联式的LiNbO₃偏振模色散仿真器的一个波导单元如图1所示。覆盖波导的插指电极的宽度等于偏振拍长Λ，插指电极之间的间隔为Λ/4和3Λ/4，电光系数r₅₁。每个插指都根据其所加电压的大小产生少量的模式耦合，或者对应入射光信号的+/-45°线偏振，或者对应入射光信号的左/右旋圆偏振。若干插指的效应累加，可模拟任何的耦合相位，实现完全的模式转换。

以下是集成级联式LiNbO₃光波导器件模拟光纤偏振模色散的基本原理：

将实际的传输光纤逻辑上分成若干段光纤，单段光纤自身的偏振模色散(PMD)引起该光纤段的差分群时延(DGD)值，而沿传输方向上前后各段光纤之间的耦合引起偏振模转换，传输光纤的总的差分群时延等于各个光纤段差分群时延与光纤段之间偏振模转换的总和。本发明的方法使用集成级联铌酸锂光波导器件，该光波导器件上设置有多个插指，利用每个插指所对应的一段波导模拟单段光纤的偏振模色散，然后利用各个插指所施加不同插指电极电压引起的插指之间偏振模转换来模拟各个光纤段之间耦合引起的偏振模转换，由此可以精确地模拟整个传输链路光纤的差分群时延(DGD)分布情况。

各个插指之间的偏振模的转换可由Soleil-Babinet analog(SBA(，ψ))来表示，写成Jones矩阵的形式如下，

公式1中，表示前一个插指与本插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟，ψ表示上述两插指之间偏振模的相移，也称为方位角。

集成级联铌酸锂光波导器件的总差分群时延值τ可由表示相移(PS(ωτ))的Jones矩阵表示，其中ω表示传输光波的圆频率。

$\mathrm{PS}\left(\mathrm{\ω\τ}\right)=\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\ω\τ}}& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

公式2为本发明所使用的集成级联铌酸锂波导器件的差分群时延表达式。由于整个集成波导器件由n个插指级联形成，每段插指的传输函数TS_i可表示成PS_i和SBA_i的乘积形式，整个波导器件的总传输函数TS是各段插指PS_i和SBA_i乘积的级联，由公式3表示。

公式3中，i从n到1以降序的顺序相乘，表明信号光依此通过第1段插指PS(ωτ₁)，SBA(₁，ψ₁)，第2段插指PS(ωτ₂)，SBA(₂，ψ₂)，...直至第n段插指。

在集成级联式铌酸锂光波导器件偏振模色散仿真器的每段插指上施加的电压V_1，i和V_2，i可引起横向电场(TE)和横向磁场(TM)的变化，从而引起相邻两段插指之间偏振模相矢量方向相对延迟和偏振模相移，插指所施加电压与偏振模延迟和相移的关系如下：

其中偏振模相对延迟和偏振模相移ψ的含义与公式1相同，公式4中G为常数。根据公式4可以获得偏振模相对延迟和相移与电压V₁和V₂之间存在关系

ψ＝arg(V₁+jV₂)。

首先测量确定各个插指的参数例如相移，可以通过对光波导器件输入水平偏振光信号，并且在第i段施加电压V_1，i和V_2，i外，其余各段插指电压均为零，则整个光波导器件的传输函数表示如下：

公式5中， ${\mathrm{\ζ}}_i={\mathrm{\ω\Σ}}_{k=i}^n{\mathrm{\τ}}_k$ 为第i段插指到第n段插指的相移总和。通过对各个插指单独施加电压，可以测试出各个插指的偏振模色散引起的差分群时延。例如，在各个插指上施加如下列公式所示的电压，

$\left[\begin{array}{c}{V}_{1,i}\\ V_{2,i}\end{array}\right]=20V\·\{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ -1\end{array}\right]\}---\left(6\right)$

然后在光波导器件输出端测量相应的差分群时延，就可以根据公式(4)和(5)求得_i和ζ_i。不同插指的_i变化不大，但ζ_i变化很大。如果相邻插指的电压V_1，i或V_2，i都相等，则该相邻插指之间的偏振模转换的效率比较低，特别是对于i＝n/2附近的各个插指，相邻插指之间的ζ_i相差约π，即两次连续的偏振模转换被相互抵消。为提高偏振模转换的效率，可将对相邻插指所施加的电压对V_1，i+jV_2，i之间进行相位调整，相当于所施加电压矢量V_1，i+jV_2，i被乘以e^-jζ0，i，其中ζ_0，i应该等于ζ_i。此相乘的电压相移可抵消光波导器件固有的相移累计，使得电压V_1，i和V_2，i的变化直接反映偏振模转换的相移，从而提高插指偏振模转换的效率。通过将施加电压进行预先相移调整，将公式(5)变为下列公式：

对于使用集成级联式铌酸锂(LiNbO₃)光波导器件作为偏振模色散仿真器件，各个插指电极上所施加的电压V_1，i和V_2，i与插指之间偏振模转换，有公式4所示的关系。这样，对和ψ的偏置可以转化为插指电极电压的偏置。

在实际使用本发明的偏振模色散仿真方法中，预先测量单段插指的LiNbO₃光波导器件在施加不同电极电压V_1，i和V_2，i的情况下(对应不同的_i和ψ_i数值)，测量输出端的差分群时延，将测量的数值建立满足一定采样数量的数据库。例如V_1，i和V_2，i电压数值采用以0.02V为步长，在-20V到+20V范围内独立取值，LiNbO₃波导的每毫米差分群时延为0.26ps/mm，单段波导长度设为1.25mm，在输出端测量得到单段波导产生的差分群时延数值随V_1，i和V_2，i的变化在0至0.325ps间变化，一一对应测量V_1，i和V_2，i每个步长电压数值所对应的差分群延时，并将V_1，i和V_2，i电压数值与对应的差分群延时数值记录在数据库中；随后，将上述数据库中V_1，i和V_2，i数值代入公式(4)、(5)、(6)，可以计算得到对应的_i和ψ_i值，也将所计算出的_i和ψ_i数值记录在数据库中。在实际使用中，通过将80段波导级联，则在输出端测量得到总的差分群时延的值可在0至26ps间变化。

利用X切、Y向传播的铌酸锂光波导器件(LiNbO₃)使所传播的TE-TM模产生偏振，并利用该器件双折射特性(～0.26ps/mm)产生差分群时延，将多个LiNbO₃光波导插指级联起来可对单模光纤的偏振模色散进行仿真。

在仿真一般光纤传输线路偏振模色散时，每个插指的偏振模相移ψ_i的概率密度函数服从0～2π间的均匀分布，而对于偏振模矢量的相对延迟cos_i的概率密度函数服从-1和1间的均匀分布，按照概率均匀分布对ψ_i和cos_i等间隔取样，然后在数据库中查找与所取样ψ_i和cos_i对应的V_1，i和V_2，i数值，将所查出的电压施加在插指的电极上，即可以实现对概率密度平均分布ψ_i和cos_i对应的差分群时延的仿真。

当需要偏置_i和ψ_i时，只需要根据偏置概率函数在数据库里查找相应的V_1，i和V_2，i值，施加在插指电压电极上，即可实现偏置概率函数的差分群时延仿真。

当需要重点仿真光纤传输线路上出现的小概率、大差分群时延时，只需要将_i和ψ_i的数值取样概率按照某一偏置概率密度函数向易于产生大差分群时延的情况偏置，在数据库中查找对应的V_1，i和V_2，i电压数值施加到相应插指的电极上，就可以实现重点采样仿真。

由于本偏振模仿真设备采用集成级联方式，将若干LiNbO₃波导级联，可同时产生二阶偏振模色散。各级插指所施加电压对相互独立，这符合光纤在实际应用中的状态，可有效模拟二阶偏振模色散。

在采用本发明的偏振模仿真方法时，通常是对所有插指电极的电压都按照所需要的概率分布进行取值，实现光波导器件传输函数的动态变化，来仿真实际光纤中偏振模色散的动态变化情况。在采用本发明的偏振模色散仿真方法时，所使用的LiNbO₃波导个数以及单个波导的长度应根据需要模拟的光纤系统的速率和光纤长度来设计，可设计一个例如80个插指、每个插指1.25mm长度的集成级联光波导器件，通过控制各级插指电极电压，从而设置不同插指所在波导段之间的模式耦合，从而实现按照所需概率分布仿真所差分群时延的技术效果。

图2所示为采用本发明方法仿真光纤传输线路偏振模色散的原理图。图2中，伪随机二进制序列发生器产生10Gb/s的数据信号，通过40G的光发射机调制为光通道信号，经过偏振模色散(PMD)仿真器按照所需要模拟的差分群时延概率分布选择铌酸锂光波导器件各个插指所施加的电极电压，对光纤传输线路进行仿真，经过线路仿真后的光通道信号通过单模光纤连接40G的光接收机，对误码率等参数进行分析，从而实现对实际光传输线路的偏振模色散按照所需要的概率分配进行精确模拟。

Claims (8)

1.一种利用铌酸锂光波导器件仿真单模光纤偏振模色散的方法，该方法包括：

使用N个插指级联的集成铌酸锂光波导器件，在每个光波导器件插指的两个电极上以0.02V为步长，在+20V至-20V范围内独立施加电压，并检测整个级联器件的总差分群时延，将各个光波导器件上施加的电压数值和检测的总差分群时延记录在数据库内；

根据上述数据库内插指上所施加电压与相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的关系函数计算出所述相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移，将计算出的上述两数值记录在数据库内；

在仿真过程中，先确定需要仿真的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的概率分布，选择上述相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的数值，根据这些数值在数据库中查找相应的各个插指所施加电压数值；

将从数据库中所查找出的各个插指所施加电压数值转换为各个插指上的电极电压，施加在插指电极上，由此获得所需要概率分布的偏振模色散效果。

2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：当需要仿真概率平均分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间等间隔分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间等间隔分布。

3.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：当需要仿真重点采样分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

4.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：当需要仿真概率偏置分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

5.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：当需要仿真重点采样且概率偏置分布的偏振模色散情况时，所选择的相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟的余弦数值在-1至1之间非均匀分布，和所选择的相邻插指之间偏振模相移在0至2π之间非均匀分布。

6.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：

插指上所施加电压与相邻插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟和相邻插指之间偏振模相移的关系函数服从下列公式：

${\mathrm{\ζ}}_i=\mathrm{\ω}{\mathrm{\Σ}}_{k=i}^n{\mathrm{\τ}}_k$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{1,i}\\ V_{2,i}\end{array}\right]=20V\·\{\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}-1\\ 0\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}0\\ -1\end{array}\right]\}$

其中V_1，i和V_2，i代表在第i段插指的两个电极上所施加电压的数值，_i代表第i段插指与前一段插指之间偏振模色散矢量方向间的相对延迟，ψ_j代表第i段插指与前一段插指之间偏振模相移，G为常数，ζ_i为第i段插指到第n段插指的偏振模相移总和，ω表示传输光波的圆频率，其中τ_k为第k段插指在不施加电压时自身的偏振模相移。

7.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：

使用的铌酸锂光波导器件每毫米差分群时延为0.26ps/mm和单段插指的波导长度为1.25毫米时，单段插指波导的差分群时延范围为0至0.325ps。

8.根据权利要求7的所述方法，其特征在于：所使用的整个集成级联光波导器件包括80段插指，每段插指使用的铌酸锂光波导器件每毫米差分群时延为0.26ps/mm和单段插指的波导长度为1.25毫米时，单段插指波导的差分群时延范围为0至0.325ps，整个集成级联光波导器件的总差分群时延变化范围为0至26ps。

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