CN100370715C - 自适应偏振模色散补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种自适应偏振模色散补偿装置，本发明由光带通滤波器，三段偏振模色散补偿器和用于检测光纤通信线路上的光信号的偏振度偏振计及反馈控制单元所组成，本发明能动态地、有效地、实时地对光纤通讯线路中随机变化的偏振模色散进行自适应补偿，而且是全光补偿，价格便宜。

Description

自适应偏振模色散补偿装置

技术领域

本发明属于一种高速光纤通信系统中自适应偏振模色散补偿装置。

背景技术

当信号在单模光纤传输时，光波分解成二个相互垂直的偏振分量，称为偏振模。用石英玻璃制造的通讯用光纤，由于各种原因导致光纤中圆对称性结构被破坏成椭圆芯径，产生非圆对称应力，结果使得两个相互垂直的偏振模的群速度不一致，这种现象称为偏振模色散。偏振模色散主要由一阶及高阶构成，由于偏振模色散，在每根光纤中形成传送信号的快轴2和慢轴1(如图1所示)，使得两个相互垂直的偏振态信号到达接收端的时间不同，即产生差分群时延。在大于10Gb/s的高速光纤传输系统中，早先铺设的光纤由于偏振模色散较大，从而增大数据传输的误码率，对于40Gb/s长距离光纤传输系统，即使应用新的光纤，偏振模色散对传输的影响很大，因此必需对此进行补偿。当前的补偿技术大体分为电补偿、光电补偿和光补偿，电补偿受电速率瓶颈限制，光电补偿需要多个光电检测器，成本较高。对偏振模色散进行自适应补偿的困难在于光纤中的偏振模色散具有随机性和变化性，需要有效、快速、实时的补。

专利98802998.7揭示了一种自动补偿偏振模色散的系统，能够自动对光纤通讯线路中的偏振模色散进行有效的补偿，但该方法是使用某一特定频率的电功率作为反馈控制信号，需要使用光电转换器，将光信号转化为电信号，而当通信速率达到10Gb/s以上时，光电转换器价格就很高。这样增大了成本。特别是在波分复用系统中，需要多路补偿，造价问题就很突出。

发明内容

本发明的目的是为10Gb/s以上光纤通信系统提供一种能够在光纤通信线路中实际使用的自动补偿一阶和二阶的自适应偏振模色散补偿装置，能动态地、有效地、快速地、实时地对光纤通信线路中随机变化的偏振模色散进行自适应补偿，且是全光补偿，价格便宜。为此，本发明具有光带通滤波器，用于滤除光纤通信线路中的光噪声；三段偏振模色散补偿器，由三个电控偏振控制器、三段固定时延的保偏光纤构成，其形成的偏振模色散用于对光纤通讯线路中的偏振模色散进行补偿；偏振计，用于检测光纤通信线路上的光信号的偏振度；反馈控制单元，用于接收偏振计中输出的四路电压，转换成光信号的偏振度，再进行滤波，通过控制算法调节三个电控偏振控制器的可调电压来改变三段偏振模色散补偿器的状态，自动补偿光纤通讯线路中的偏振模色散。上述结构实现了本发明的目的。

本发明的优点是能动态地、有效地、实时地对光纤通讯线路中随机变化的偏振模色散进行自适应补偿，而且是全光补偿，价格便宜。

附图说明

图1为光纤传输中偏振模色散产生的示意图

图2为本发明的总体结构的原理方框图

图3为本发明在光纤通讯线路中使用状态结构示意图

图4为本发明所使用的三段偏振模色散补偿器结构示意图

图5为本发明所使用的反馈控制单元结构示意图

图6为本发明总体布局原理方框图

图7为本发明所采用的跟踪算法流程图

具体实施方式

如图1所示，用石英玻璃制造的通讯用光纤3，由于各种原因导致光纤中圆对称性结构被破坏成椭圆芯径，产生非圆对称应力，结果使得两个相互垂直的偏振模的群速度不一致，这种现象称为偏振模色散。由于偏振模色散，在每根光纤中形成传送信号的快轴2和慢轴1，使得两个相互垂直的偏振态信号4到达接收端的时间不同，即产生时延差5。在大于10Gb/s的高速光纤传输系统中，早先铺设的光纤由于偏振模色散较大，从而增大数据传输的误码率，对于40Gb/s长距离光纤传输系统，即使应用新的光纤，偏振模色散对传输的影响很大，因此必需对此进行补偿。

如图2和图3所示，一种自适应偏振模色散补偿装置6具有：

光带通滤波器29，用于滤除光纤通信线路中的光噪声；

三段偏振模色散补偿器8，由三个电控偏振控件器13、15、17和三段固定时延的保偏光纤14、16、18构成，其形成的偏振模色散用于对光纤通讯线路中的偏振模色散进行补偿。能产生固定时延的保偏光纤使得进入的光信号产生一定的时延差，与光纤通讯线路中产生的时延进行一定的补偿。三段偏振模色散补偿器的状态由三个电控偏振控制器和三段固定时延的保偏光纤来决定，每个电控偏振控制器有三个可以调节的电压，三段偏振模色散补偿器的状态可通过调节电控偏振控制器的电压来改变，只有当偏振计中检测到的光信号的偏振度为最大值时(最大为1)，偏振模色散就得到了补偿，这时三段偏振模色散补偿器的状态为最佳；

偏振计7，用于检测光纤通信线路上的光信号的偏振度；

反馈控制单元9，用于接收偏振计中输出的四路电压，转换成光信号的偏振度，再进行滤波，通过控制算法调节三个电控偏振控制器的可调电压来改变三段偏振模色散补偿器的状态，自动补偿光纤通讯线路中的偏振模色散。

如图4所示，所述的反馈控制单元包括：电低通滤波器30，用于滤除高频噪声，滤波器带宽要求与四通道同步采集卡采样频率匹配。四通道同步采集卡31，用于将偏振计输入的四路模拟电压信号转化成四路数字信号。数字滤波器22，用于将采样得到的四路数字信号经矩阵变换得到光纤通信线路的偏振度值并经过数字中值滤波滤除噪音。计算控制装置23，用控制算法进行优化调节三段偏振模色散补偿器的三个电控偏振控制器的电压，使得光纤通讯线路中光信号的偏振度达到最大，得到自适应补偿。多通道数模转换器24，用于将计算控制装置处理的调节三段偏振模色散补偿器的数字量转化为模拟电压量。数字滤波器和计算控制装置可以是逻辑控制单元，或是含有数字中值滤波程序和搜索、跟踪算法程序的计算机21。

所述的自适应偏振模色散补偿装置6直接联入光纤通信系统中，所述的补偿装置的输出端20与光接收端12相连，补偿装置的输入端19与光纤通信线路11相接，上述相接方式为光纤连接。所述的偏振计与三段偏振模色散补偿器之间用光纤连接。

所述的反馈控制单元与偏振计和电控偏振控制器相联。

所述的反馈控制单元中采用图像平滑技术中的中值滤波消除噪声。

所述的反馈控制单元中的控制算法由搜索和跟踪算法构成，搜索算法采用在全局范围内的局部粒子群优化算法，跟踪算法采用在局部范围为内的局部粒子群优化算法。

所述的自适应偏振模色散补偿装置用偏振计检测光纤通讯线路中的光信号的偏振度作为反馈控制信号。

本发明的多通道数模转换器的输出端26的输出为九路电压。

由图5和图6所示，所述的自适应偏振模色散补偿装置的工作过程包括以下步骤：与光纤通讯线路相连的偏振计将信号输入电低通滤波器后，由四通道同步采集卡采样，进入四通道数模转换，便于计算控制装置进行处理；采样得到的数字信号在数字滤波器中经过数字中值滤波，滤除噪声，并经矩阵变换即得到链路中偏振度值(即DOP值)；计算控制装置根据搜索和跟踪算法，调节三段偏振模色散补偿器中的电控偏振控制器的电压，从而使得光纤中光信号的偏振度达到最大，从而完成偏振模色散自适应补偿。

本发明的所述的反馈控制单元输入来自于接入光纤通讯线路中的偏振计7，偏振计的输入端接入光纤通讯线路，其光输出端输出的是经过补偿器后的光信号，进入光接收机10，同时从偏振计中的电输出端38输出的四路电压信号，接入电低通滤波器的输入端25，经过电低通滤波器30滤除高频噪声，并经四通道同步数据采集卡将四路模拟电压信号转换变为四路数字信号，再在计算机中经过矩阵变换后，光信号的斯托克斯参量(S₀，S₁，S₂，S₃)，按光波的偏振度(DOP)的定义：

$\mathrm{DOP}=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2+S_3^2}}{S_0}---\left(1\right)$

根据公式(1)得到光信号的偏振度(DOP)，偏振度与偏振模色散有关，当偏振模色散越大，偏振度就越少。

如图6所示，本发明所使用的电低通滤波器的作用是对偏振计输出的四路模拟电压信号进行滤波，这些噪声来源于光纤通讯线路中的掺铒光纤放大器28。同时，电低通滤波器的带宽要求必须与四路同步采集卡31相匹配。如果偏振计输出模拟信号的带宽为0～fm kHZ。由奈奎斯特定理可知，只有当取样频率fs和模拟信号最高频率fm满足fs≥2fm时不会出现混叠。由于高速四通道同步采集卡的价格昂贵，因此在偏振计的电压输出和四通道同步采集卡之间加入电低通滤波器30，滤掉高频噪声，即可低成本地解决这一问题。

本发明所使用的数字滤波器22主要作用是滤除数字信号的噪声。这些噪声来源于四通道同步采集卡31。不进行数字滤波，所得到的偏振度值具有噪声，会给计算控制装置的工作造成失误。本发明采用的中值滤波，它是用一个有奇数点的滑动窗口在采集的数据上滑动，将窗口中心点对应的数据用窗口内的中间值代替，这个滤波过程能用软件或硬件实现。

光纤通信系统由光发射机发射光脉冲形成光信号，进入光纤通信线路11中进行远距离传输，光纤通信线路主要包括长距离单模光纤27和多个掺铒光纤放大器28。受到光纤线路产生的偏振模色散的影响，光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)28放大后，进入光带通滤波器滤波29，消除掺铒光纤放大器(EDFA)产生的自发辐射噪声，然后再经过如图4所示的三段偏振模色散补偿器8对偏振色散进行补偿。只有当三段偏振模色散补偿器的特性与光纤通信线路中产生的偏振模色散参数相匹配时，才可以对光纤通讯线路中的偏振模色散进行补偿。如果三段偏振模色散补偿器的特性与光纤通讯线路中的偏振模色散不匹配，会使得偏振模色散得不到有效的补偿，甚至反而会使得偏振模色散更加严重。由于实际光纤线路中偏振模色散的大小是随机变化的，要求三段偏振模色散补偿器也要随着变化，才能进行实时、动态、有效的补偿。三段偏振模色散补偿器由三个电控偏振控制器构成，每个电控偏振控制器共有三个可以控制的电压。三段偏振模色散补偿器内有9个可以控制的电压，设为V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9。则只要调节电控偏振控制器的输入电压V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9即可改变三段偏振模色散补偿器的特性。一般来说，光纤通讯线路中的某一偏振模色散值只与相应的输入电压组(V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9)相对应时才可得到补偿。取样反馈控制模块是通过偏振计7从光纤通讯线路中提取偏振度(DOP)作为偏振模色散(PMD)监控信号，由于偏振度(DOP)反映了光纤中光脉冲的偏振模色散的大小，一般来说光信号的偏振度值越大，偏振模色散就越小，因此偏振模色散补偿的标准是，只有当检测到光信号的偏振度值为最佳时，偏振模色散才得到补偿，这时偏振控制器的输入电压组为最佳匹配参数。

具体实现匹配过程是：在得到光信号的偏振度以后，通过数字滤波器进行滤波，然后利用计算控制装置中的控制算法(包括搜索算法和跟踪算法)进行优化调节电控偏振控制器13，15，17的电压(V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9)，使得偏振度达到最大，这时整个光纤通信线路中(包括光纤通信线路和三段偏振模色散补偿器)的偏振模色散最小，这样就对光纤通讯线路中偏振模色散进行了补偿。当光纤通信线路中的偏振模色散发生变化时，只要改变电压(V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9)使光信号的偏振度达到最大，就可动态地补偿系统的偏振模色散。

本发明所使用的电控偏振控制器，当光源输出的偏振态固定，让电控偏振控制器的三个电压输入分别从0增加到4V，这相当于对三段偏振模色散补偿器所有可能出现的情况进行遍历，同时记录各个状态下的DOP值，搜索算法的目的是快速搜索到最大偏振度值，而跟踪算法的目的是当偏振模色散发生变化时小范围调节电控偏振控制器的电压，使得偏振度保持最大。

如图7所示，本发明所使用的控制算法的工作步骤在补偿开始时，计算控制装置23启动搜索算法32，通过调节三段偏振模色散补偿器中的电控偏振控制器的电压组(V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9)，使得DOP值最大时，搜索过程完成，PMD就得到补偿，这时进入步骤33记录此时的电压值的位置为(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9)，并将此时的最大DOP值设为最佳值，记为变量bestDOP。实际光纤通信系统中，由于温度变化、地壳运动或者是火车汽车压过大地所引起的振动，铺设在自然环境中的光缆形变引起光纤通讯线路中的PMD随时随机变化。所以，只有搜索算法搜到最佳补偿点是远远不够的，还需要有能够实时补偿PMD慢变和突变的跟踪算法。在上述搜索算法找到最佳值后则运行步骤33即进入了跟踪算法，过程如下：按照步骤34，偏振计不断检测光纤通讯线路中的偏振度(DOP)值，进入步骤35将光纤通讯线路中的DOP值与以前搜索到的最佳值(已记为bestDOP)进行比较判断，如果当前的DOP值大于bestDOP的98％，则不调整电控偏振控制器，如果当前的DOP小于bestDOP的98％，则表示此时光纤通讯线路中的PMD已经发生了改变，这时需要重新调整电控偏振控制器13，15，17的电压，使得所偏振计7检测到的DOP值大于bestDOP的98％。按照步骤34，控制计算机不断地通过偏振计检测光纤通讯线路中的DOP值，并存于计算机的变量中，例如存于变量名为NowDOP中，启动如图7所示的步骤35将NowDOP与先前检测的最大值(变量BestDOP中)进行比较，若满足NowDOP＞BestDOP98％，即如果检测得到的DOP值大于最佳值的百分之九十八，则表明光纤通讯线路中的PMD不需要补偿，若不满足此条件，则说明光纤通讯线路的PMD发生了变化，需要进行补偿，此时启用步骤36，跟踪最佳值，跟踪过程是使电控偏振控制器电压作很小的改变，并将所检测到的光纤通讯线路中的DOP值存于变量中，例如取名为TrackDOP的变量中，然后启动如图7中的步骤37，将TrackDOP与前述所记录的最佳值BestDOP进行比较，如满足TrackDOP＞BestDOP86％，则表明跟踪成功，然后程序返回到如图4所示的步骤34，继续步骤35，36，若不满足TrackDOP＞BDOP86％，则表示跟踪失败，要返回到步骤37，重新启动搜索算法，进行搜索补偿。

与搜索算法不同的是，这时电压的变化只是在小范围内变动，因为光纤通讯线路中的PMD也是小范围内变化的。如果当光纤通讯线路中的PMD变化太大，这时需要重新回到步骤32进入搜索算法，在偏振控制器的可变化的电压范围内进行全局搜索。所以通过搜索算法和跟踪算法有效地动态补偿光纤通讯线路中变化的PMD。

本发明所使用的搜索算法32称为粒子粒子群优化(Particle SwarmOptimization，PSO)算法，简称为PSO。粒子群优化(Particle SwarmOptimization，PSO)算法是一种直接搜索算法，PSO初始化为一群随机粒子，然后通过叠代找到最优解。在每一次叠代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己：第一个就是粒子本身找到的最优解，这个解成为个体极值；另一个是整个种群目前找到的最优解，这个极值是全局极值，所对应的就是GPSO(Global Version of PSO)算法，另外也可以不用整个种群而只是用其中部分粒子作为邻居，那么在所有邻居中的极值就是局部极值，所对应的就是LPSO(Local Version of PSO)算法。粒子群优化算法有控制自由度多、搜索速度快、不易陷入局部极大值、抗噪声等特点。本发明的搜索算法可选择GPSO或LPSO。

本发明采用高速四通道同步采集卡和多通道数模转换器，使得一次补偿时间在100ms以内，大大短于光纤通信线路中的偏振模色散的变化时间。

总之，本发明能用较低的成本对光纤通讯线路中的偏振模色散进行有效的补偿，并采用搜索和跟踪算法，使得三段偏振模色散补偿器动态地、有效地、实时地对光纤线路中随机变化的偏振模色散得到自适应补偿。且抗噪声能力好，收敛速度快，补偿效果好，从而大大降低数据传输的误码率，提高数据传输的准确率。

Claims (8)

1.一种自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于所述的补偿装置具有：

光带通滤波器，用于滤除光纤通信线路中的光噪声；

三段偏振模色散补偿器，由三个电控偏振控制器、三段固定时延的保偏光纤构成，其形成的偏振模色散用于对光纤通讯线路中的偏振模色散进行补偿；

偏振计，用于检测光纤通信线路上的光信号的偏振度；

反馈控制单元，用于接收偏振计中输出的四路电压，转换成光信号的偏振度，再进行滤波，通过控制算法调节三个电控偏振控制器的可调电压来改变三段偏振模色散补偿器的状态，自动补偿光纤通讯线路中的偏振模色散。

2.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于所述的反馈控制单元包括：

电低通滤波器，用于滤除高频噪声，滤波器带宽要求与四通道同步采集卡采样频率匹配；

四通道同步采集卡，用于将偏振计输入的四路模拟电压信号转化成四路数字信号；

数字滤波器，用于将采样得到的四路数字信号经矩阵变换得到光纤通信线路的偏振度值并经过数字中值滤波滤除噪音；

计算控制装置，用控制算法进行优化调节三段偏振模色散补偿器的三个电控偏振控制器的电压，使得光纤通讯线路中光信号的偏振度达到最大，得到自适应补偿；

多通道数模转换器，用于将计算控制装置处理的调节三段偏振模色散补偿器的数字量转化为模拟电压量。

3.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的自适应偏振模色散补偿装置直接联入光纤通信系统中，所述的补偿装置的输出端与光接收端相连，补偿装置的输入端与光纤通信线路相接。

4.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的反馈控制单元与偏振计和电控偏振控制器相联。

5.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的反馈控制单元中采用图像平滑技术中的中值滤波消除噪声。

6.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的反馈控制单元中的控制算法由搜索和跟踪算法构成，搜索算法采用在全局范围内的局部粒子群优化算法，跟踪算法采用在局部范围内的局部粒子群优化算法。

7.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的自适应偏振模色散补偿装置用偏振计检测光纤通讯线路中的光信号的偏振度作为反馈控制信号。

8.按权利要求1所述的自适应偏振模色散补偿装置，其特征在于：所述的偏振计与三段偏振模色散补偿器之间用光纤连接。

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