CN100435504C - 多波长色度色散(cd)和偏振模式色散(pmd)补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对波分复用(WDM)光信号进行光学色散补偿的方法。该方法包括以下步骤：提供带有光传输介质的补偿级，该光传输介质作为偏振控制器和光学双折射元件的并行运行级联，从而当通过并行级联并行传输其光谱散布在不同波长信道内的WDM光信号时，补偿该WDM光信号的色散。该方法的特征在于：通过确定可以推断其他波长信道的色度色散的一个或少数几个不同波长信道的光信号的色度色散，由此定义偏振控制器设置使用的附加反馈信号。

Description

多波长色度色散(CD)和偏振模式色散(PMD)补偿方法

技术领域

本发明涉及对波分复用WDM光信号进行光学色散补偿的方法，提供带有光传输介质的补偿级，光传输介质作为偏振控制器和光学双折射元件的并行运行级联，从而当通过偏振控制器并行传输其光谱散布在不同波长信道内的WDM光信号时，补偿WDM光信号的色散。另外，本发明涉及其上记录有计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括适合于当所述计算机程序在作为偏振控制器的光传输介质的控制单元上运行时执行一个过程以补偿波分复用WDM光信号的色散的代码。

背景技术

可以把光传输系统的输入数据流视为代表数字比特的一系列光脉冲。现有光传输系统的比特速率通常在10Gbps到40Gbps的范围内，因此，光脉冲(或比特周期)分别为100到25微微秒(psec)宽。光传输系统中的接收机通过确定每个比特周期内收到光脉冲(数字1)或者未收到光脉冲(数字0)，将数据流中的每个比特周期转换为数字1或数字0。

偏振模式色散(PMD)是一种现象，该现象可能使数据流的光脉冲失真，从而削弱接收机确定是将比特周期转换为1还是转换为0的能力。因此，PMD限制了传输的精确度和光传输系统的容量，所以PMD是光通信中的关键参数。单模光纤的基模是满足芯包层接口的边界条件的波动方程的解。尽管这看起来与直观不相符，但是波动方程有两个解与基模相对应。由于两个解具有相同的传播常数，所以认为光纤是单模光纤。这两个解称为偏振模式。偏振分量彼此正交。偏振状态系指在两种偏振模式之间光能的分布。实际上，由于光纤的截面并不是理想圆形，所以两种偏振模式的传播常数略微有些不同，由此引起脉冲展宽。一种偏振模式称为“快模式”，而另一种偏振模式称为“慢模式”。当以快模式和慢模式沿光纤传播时，两种模式混合，变得难以区分。由此造成的偏振模式之间的传播时间差异称为微分群时延。

通过光纤传输的光信号还要经受称为色度色散(CD)的另一种物理色散。其发生的原因在于各个波长的光信号以不同速度通过给定介质，如光纤。由于不同波长的光具有不同速度，所以给定波长的光会在另一个波长的光到达设置在传输光纤末端的接收机之前到达该接收机。不同波长的光之间的时间延迟导致脉冲展宽。通过测量时域中的光纤群时延，获得光纤的色度色散。色度色散是一种相对稳定的现象。在10Gbps系统中，在导致1dB功率代价之前其范围为300-500psec。在40Gbps系统中，该范围降到18-25psec。

由于随温度或应力变化，CD可以是时间变量，但是，通常CD的时间变化并不特别强烈。另一方面，PMD完全是时间变量，并且因此补偿应该跟踪时间的变化。PMD描述偏振效应引起的光纤内的光脉冲的统计展宽。与色度色散引起的脉冲展宽类似，该展宽效应最终妨碍在接收机处正确地检测波形。

WO 03/040777描述了对WDM或DWDM传输(D代表密集)中的波长信道进行色散补偿的集成系统。该系统包括一个可调的集成色散补偿模块，该模块对传输中的每个波长信道执行色度色散补偿和偏振模式色散补偿。利用反馈来调整可调的集成色散补偿模块，直至优化接收机的性能。WO 03/040777描述的集成系统的最大缺点是光信号的每个不同波长信道均需要一个专用色散补偿模块。使用上述方案的色散补偿意味着高的成本，并且因此，实际上是很不经济。

WO 02/080411描述了在不干扰激光源的情况下对光传输系统中的偏振模式色散(PMD)进行补偿的方法和装置。此类光学PMD补偿器对比特速率在10GHz到40GHz范围内的WDM光传输系统有相当大的吸引力。实际上，由于在所有并行波长信道的一个硬件(用于偏振控制器的液晶显示阵列)和一个双折射晶体(保偏光纤)之内并行处理许多信道，所以该方法有成本效益。同时，所有信道共享唯一一个扫描偏光计的波长(反馈信号)。另外，该方法利用快速前向反馈自适应，快速前向反馈自适应能够避免耗费时间的抖动技术，即，偏振控制器的连续变化将参数调向优化反馈信号的方向。

然而，WO 02/080411推荐的方案的最大缺点是，既不能补偿色度色散(CD)或发射机啁啾，也不能补偿自相位调制(SPM)。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于，以具有成本效益的方式提供不仅根据偏振模式色散还根据色度色散对波分复用光信号进行光学色散补偿的方法。

根据本发明，通过应用对波分复用(WDM)光信号进行光学色散补偿的方法，实现上述目的。该方法包括以下步骤：提供带有光传输介质的补偿级，该光传输介质作为偏振控制器和光学双折射元件的并行运行级联，从而当通过该并行级联并行传输其光谱散布在不同波长信道内的WDM光信号时，补偿该WDM光信号的色散。必须确定全部光信号的每个信道的不同波长分量的偏振状态(每个信道的偏振光谱)，从而由此在利用并行排列的偏振控制器和双折射元件级联并行补偿每个不同波长信道的偏振模式色散时，在一个步骤中定义偏振控制器的时间因子设置所需的每个信道的信号(此处称为PMD反馈信号)。该方法的特征在于还包括以下步骤：另外确定一个或少数几个不同波长信道的光信号的色度色散。可以使用以上测量的色度色散来推测其他波长信道出现的色度色散。接着，必须由此定义并行补偿每个不同波长信道的色度色散时所需的反馈信号(此处称为反馈信号2或CD反馈信号)。通过使用来自偏振模式色散的反馈信号(PMD反馈信号)和色度色散的反馈信号(CD反馈信号)，计算每个波长信道的偏振控制器设置。并且最后，在偏振控制器上并行应用各自的设置，以补偿每个不同波长信道上的WDM光信号的光学色散。

根据本发明的另一方面，利用其上记录有计算机程序的计算机可读介质实现本发明的目的，该计算机程序包括适合于当所述计算机程序在作为偏振控制器的光传输介质的控制单元上运行时执行一个过程以补偿波分复用WDM光信号的色散的代码。该过程相当于执行以下步骤的自适应算法：当并行补偿通过偏振控制器传输的其光谱散布在不同波长信道内的WDM光信号的每个不同波长信道的偏振模式色散时，收集偏振控制器设置所需的反馈信号(PMD反馈信号)。该过程的特征在于，收集当并行补偿每个不同波长信道的色度色散时所需的反馈信号(CD反馈信号)。接着，通过使用来自偏振模式色散和色度色散的反馈信号，计算每个波长信道的偏振控制器设置。最后，控制单元并行提供偏振控制器的各自设置，以补偿每个不同波长信道的WDM光信号的光学色散。

在所附权利要求书、下述说明书和附图中描述本发明的有益改进。

附图说明

以下将参照附图进一步解释本发明的示例性实施方式，其中附图为：

图1是根据本发明的补偿级的图示；

图2是相似补偿级的图示，表示所用的反馈信号不同的可能来源；

图3是波长扫描偏光计的图示；以及

图4是波长扫描偏光计的可选偏振的图示。

具体实施方式

图1表示多信道色散补偿器的结构。它类似于多信道PMD补偿器，只是还有至少一个对CD变化敏感的反馈信号(FB，FB1，FB2，...)，该反馈信号用于新的控制算法，即使没有确定色度色散的优化补偿的PMD，新的控制算法也能工作。此类控制算法适合于确定能够减轻由CD和PMD引起的失真的优化设置。详细地，该结构的工作方式为：波长多路解复用器在偏振控制器PC和双折射元件保偏光纤(PMF)的单独级联上分发每个信道。该图示出两个级联，但是更多级联也是可能的。在输出端，利用波长多路复用器把所有并行运行级联的信号再次集中到一条光纤中。在多路复用器的输出端，光谱偏光计确定每个信道的偏振光谱；可以利用后面跟有偏光计的扫描光学滤波器实现上述处理。根据抽取的偏振信息(例如，用来描述相对于光频ω的Stokes向量S的偏振)，计算使失真(导致恶化)最小化的PC的优化设置，并且然后命令给PC。

与目前的技术水平相比，根据本发明可以添加用于减轻CD的反馈信号。图1简述了反馈信号生成单元的放置位置的两种选择方案。图2表示其他选择方案：

●在信号处理单元的公共输出端，光学信道滤波器选择一个信道，该信道生成用于自适应控制单元的反馈信号FB(PMD反馈信号)。

●从信号处理内的单一信道通路(见图1和图2)中抽取反馈信号FB2(CD反馈信号)。

●可选择地，可以在信号处理输入中抽取反馈信号，如图2所示的FB4(CD反馈信号)，或者利用光学滤波器如图2的FB1(PMD反馈信号)，但是在公共输入端口。

●也可以应用来自外部设备的反馈信号FB3(见图2)。它直接与前向纠错(FEC)错误计数有关，FEC错误计数是从接收机中对于一个信道的FEC电路中抽取的。

可以应用两种不同类型的反馈信号进行CD补偿：

i.标量信号，必须进行最大化(或最小化)，例如眼图监控反馈(“眼睛”睁开，Q因子估计)；以及必须进行最小化的FEC错误计数也属于该分组。上述FB信号对任何信号退化敏感，因此也对非补偿的PMD补偿敏感。所以只能从补偿器的输出侧抽取它们(图2中的FB1，FB2，FB3)。

ii.作为色度色散的直接测量的信号。它并不适合所有调制格式。它从光学信道中分离出上下边带，分别在两个接收机中检测它们，并且比较两个接收机的时钟相位差值。差值为CD的直接测量。由于它不关注PMD失真，所以可以从补偿器的两端抽取，即，FB4(然后测量链路CD)或FB2和FB3(然后测量链路+实际设置的补偿器CD)。

自适应算法是在控制单元中实现的，以便根据反馈信号同时进行PMD和CD补偿。然而，与根据CD相关的反馈信号的观测进行的CD自适应和补偿类似，PMD补偿是由前向反馈自适应模式实施的。通常，PMD补偿在不同的时间尺度上运行(更快的)。

-借助对每个信道的波长扫描偏光计测量，由控制单元确定链路PMD补偿偏振转移函数W(以下解释)。

-接着，以CD反馈信号为基础，确定色度色散CD_C，CD反馈信号是由信号处理生成的，其目的也是减轻链路的CD。

-然后计算用于每个信道的信号处理的PC的设置p_ik，以便同时减轻PMD和CD。

最后，把设置命令给PC。

对于不同的反馈信号FB，其CD自适应不同：

i.对于标量FB信号，应用抖动自适应机制，该模式依赖于把生成的补偿器色散CD_C解调为相应的抽取反馈信号的信道的一个新值CD_C+Δ，反馈信号是从该信道抽取的。

抖动算法的一个例子可以如下表示：如果反馈信号FB报告有改善，则使(该抖动信道的波段内的)所有信道的信号处理(PC+PMF级联)前进到CD_C+Δ或一个相关值。否则，测试另一个方向，即CD_C-Δ。最后，应用新的优化值CD_C＝CD_C±Δ(连同正确的PMD补偿W)。

ii.对于作为CD的直接测量的双极FB信号，可以直接推断并输入补偿器色散CD_C，以便计算PC设置和PMD补偿偏振传递函数W。CD_C应补偿链路色散CD_link，因此CD_C＝-CD_link。如果测量的CD_m是从输出侧(FB1)中抽取的，则该值为链路CD(需要补偿的)与补偿器CD之和：CD_m＝CD_link+CD_C。当测量是在输入侧(FB4)进行时，则测量链路CD：CD_m＝CD_link。

可以利用实数3维Stokes向量S(ω)或利用复数2维Jones向量a(ω)来描述位于不同光谱位置的偏振状态SOP。

以下详细解释其数学计算：

对于PMD补偿，利用波长扫描偏光计测量输出SOP(偏振状态)。图4表示当前技术水平的实现方式。一个可调的窄带光学滤波器选择光信号光谱的子带。由自适应控制控制波长。把该输出输入到标准偏光计装置中，该装置利用光电二极管确定信号的带有不同偏振传递轴的起偏器选择的不同偏振分量的相对光能。正如图3所示，I₁，I₂和I₃是线性0度，线性45度和左旋圆偏振分量的光电流。I₀是该信号的总功率。Stokes向量(庞加莱球面上的点)为：

$S:=\frac{\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right)}{I_0}-\frac{\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right)}{2}$

SOP的Stokes向量表示与Jones向量表示

$a:=\left(\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\·\exp (i\·\mathrm{\φ})\end{array}\right)$

之间的关系为：

$S:=\left[\begin{array}{c}2\·{\left[\right|\stackrel{\‾}{a}\·\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)|]}^2-1\\ 2\·{\left[\right|\stackrel{\‾}{a}\·[\frac{1}{\sqrt{2}}\·\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)]\left|\right]}^2-1\\ 2\·{\left[\right|\stackrel{\‾}{a}\·[\frac{1}{\sqrt{2}}\·\left(\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right)]\left|\right]}^2-1\end{array}\right]$

其中，主要向量a表示共轭复向量。在a中，θ和φ分别描述两个轴的振幅和彼此相差。

图4表示波长扫描偏光计的可选择的实现方式，其中两个偏光计并行运行。利用光学双折射元件预处理输入到下方偏光计中的信号。该元件可以改善位于下述位置的色度色散补偿，在这些位置处图1或图2中的光信号处理以及PC和PMF级联所处的位置不能把该信号的相位失真(起因于色度色散)有效转换为该信号光谱内的偏振变化。此时，已知的双折射将充当鉴别元件。

可以按以下方式计算PC设置：

可以利用Jones向量a_in(ω)，标量振幅谱b(ω)和相位谱

来描述输入场(对照图1或图2)，其中在没有PMD的情况中，a_in(ω)是波长独立的。

E_in(ω)：＝a_in(ω)e^j·φin(ω)·b(ω)·E₀        方程1

在色度色散失真情况中，相位谱

具有二次和高阶分量：

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right):={\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\τ}}_g\·(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)-\mathrm{CD}\·\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{4\·\mathrm{\π}\·c_0}\·{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2$ 方程2

这里，假定色度色散为常数，CD描述以链路的ps/nm为单位的光纤的色散。

在补偿器的输出端，可以用类似形式记录光场：

E(ω)：＝a(ω)·e^j·φ(ω)·b(ω)·E₀      方程3

根据测量的偏振谱a(ω)，可以计算链路的PMD(如果偏光计位于输入端的话)或链路加上补偿器的PMD(如果偏光计位于输出端的话，如图1或图2所示)。这是可行的，因为应用的设置p_ik了解通过PC-PMF级联偏振传递：

a(ω，p_ik)·e^j·φin(ω)+Δφ(ω)：＝W(p_ik)·a_in·e^j·φin(ω)      方程4

其中Jones矩阵W描述偏振变化，并且

描述补偿器生成的色度色散。

为输出相位谱。

$W\left(p_{\mathrm{ik}}\right):=e^{j\·\mathrm{\Δ}\·\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}\·\underset{k=N}{\overset{1}{\mathrm{\Π}}}{F}_k\·M_k(p_{k,1},p_{k,2}\·\·p_{k,m})$ 方程5

将W分解为因子Fk和Mk。它们分别描述双折射PMFk和偏振控制器PCk的矩阵。受自适应控制单元控制的PC的设置参数为p_k，j。对于PC的特定实现方式而言，其可以为两个参数p₁＝ξ和p₂＝θ，可以将该矩阵写为：

$M(\mathrm{\θ},\mathrm{\ξ}):=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ξ}& j\sin \mathrm{\ξ}\\ -j\sin \mathrm{\ξ}& \cos \mathrm{\ξ}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}\exp (j\·\frac{\mathrm{\θ}}{2})& 0\\ 0& \mathrm{expp}(-j\·\frac{\mathrm{\θ}}{2})\end{array}\right)\·\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ξ}& -j\sin \mathrm{\ξ}\\ j\sin \mathrm{\ξ}& \cos \mathrm{\ξ}\end{array}\right]$ 方程6

带有不同Jones矩阵和不同设置参数pi的PC的其他实现方式也是可行的。该选择主要是由技术确定的。因此，对于PC而言，不同定向的波片和可调法拉第旋转器的级联可能适合于有利的实现方式。

带有微分群时延Δτ(例如，对于10Gbps信号，时延为50ps)和主偏振状态角θ的双折射PMF具有Jones矩阵：

F：＝R^-1·D·R            方程7

其中

$R\left(\mathrm{\θ}\right):=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& j\sin \mathrm{\θ}\\ -\left(j\sin \mathrm{\θ}\right)& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 方程8

$D\left(\mathrm{\Δ\τ}\right):=\left(\begin{array}{cc}\exp (-j\·\mathrm{\Δ\τ}\·\mathrm{\ω})& 0\\ 0& 0\end{array}\right)$ 方程9

可以用两种方式来查找使CD和PMD失真最小化的恰当的PC参数P_ik：

i)借助于结合反馈信号测量计算的输入信号CD和PMD，经由查找表可以控制PC的设置p_ik，其中查找表是通过仿真或通过实验生成的。该方式可能只适用于纯CD补偿。

ii)借助于结合反馈信号测量计算的输入信号CD和PMD，可以利用数字迭代查找PC的设置p_ik。以下解释一个例子：

-借助于输入PMD和CD，参数a_in(ω)和

是已知的。

-借助于每个PC设置p_ik的上述值，可以计算输出值a’(ω，p)和

(方程4和方程5)。

-此外，借助于目标CD(由CD自适应算法给出)和位于输出的信号的最小PMD，还可以计算偏振谱和相位谱的目标值：a^C(ω)和

-可以在迭代过程中改变补偿器的设置p_ik，以便同时最小化差值|a_C(ω)-a’(ω，p)|和

分别利用振幅谱|b(ω)|或功率谱b²(ω)对差值进行加权会是有利的。可以测量或估计信号的振幅谱和功率谱。

Claims (3)

1.一种对波分复用WDM光信号进行光学色散补偿的方法，所述方法包括以下步骤：

提供带有光传输介质的补偿级，所述光传输介质作为偏振控制器和光学双折射元件的并行运行级联，从而当通过所述并行排列的偏振控制器传输其光谱散布在不同波长信道内的所述WDM光信号时，补偿所述WDM光信号的色散；

确定所有所述不同波长信道中的所述光信号的每个波长信道的不同光谱分量的偏振状态；

由此定义在并行补偿每个不同波长信道的偏振模式色散时所述偏振控制器设置所需的反馈信号(FB(ch)，FB1(ch))；

所述方法的特征在于还包括以下步骤：

确定允许推断其他波长信道的色度色散的一个或少数几个不同波长信道的光信号的色度色散；

由此定义在并行补偿每个不同波长信道的色度色散时所需的反馈信号(FB2，FB4)；

通过使用由偏振模式色散获得的反馈信号(FB(ch)，FB1(ch))和由色度色散获得的反馈信号(FB2，FB4)，计算每个波长信道的偏振控制器设置；

在所述偏振控制器上并行应用各自的设置，以补偿每个不同波长信道上的所述WDM光信号的光学色散。

2.根据权利要求1的进行光学色散补偿的方法，其特征在于通过测量少数几个不同波长信道中的一个波长信道的一些WDM光信号质量，确定所述色度色散。

3.根据权利要求2的进行光学色散补偿的方法，其特征在于在保持所述WDM光信号的偏振模式色散补偿特性接近优化值的同时，使用所述色度色散反馈信号(FB2，FB4)改变每个波长信道的所述偏振控制器设置，以获得改进的信号质量。

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