CN100568032C - 用于光纤传输系统的偏振控制器驱动方法及装置 - Google Patents

用于光纤传输系统的偏振控制器驱动方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种操纵光学偏振控制器的方法，包括级联的可变偏振转换器，各转换器具有预定的最大和最小端驱动极限，其可被独立驱动以全面实现输入光信号和输出光信号之间的偏振转换。该方法包括对各转换器循环进行以下步骤：找到输出至控制器的误差信号，以预定量CS在两个方向中的一个方向上驱动第一转换器偏振变化以检查误差信号是否随该变化减少了，若没有，则在相反的方向上驱动。在两个方向中的哪一个上首先驱动的决定是于各次分别作出且不固定的。本发明还描述了与所述方法相对应的装置。

Description

用于光纤传输系统的偏振控制器驱动方法及装置
技术领域
本发明涉及一种使用允许复位条件的概率最小化和偏振控制器的响应速度最大化的操纵(piloting)标准来驱动光纤传输系统的偏振控制器(PC)的方法。
背景技术
所谓复位条件指下列事实：在正常运行中，PC可能会遇到特殊的工作条件，其中，在没有非预期的输出偏振突变的情况下无法将时变的输入偏振状态循环地转换成预期的输出偏振状态。复位条件暗示对最终用户(例如光接收器)不利的情况。
免复位PC也称为“循环跟踪装置”。
可能的应用是10Gb/S和极高比特率下的大容量光学数字传输，其中涉及诸如偏振模色散(PMD)等偏振的信号的某种程度的减损变得至关重要。尤其是，本发明可直接应用于被称为PMD补偿器的自适应光学均衡器。无论如何，本构想可用于例如外差接收机等其它领域以及可能需要循环跟踪输入偏振光学状态的其他应用中。
PC可被认为是一定数目的可变偏振转换器(PT)的级联，可变偏振转换器可单独被驱动(或旋转)以实现输入光信号和输出光信号之间的偏振转换。
为简单起见，与其实现技术无关，在此通常涉及的是可在最小旋转数值和最大旋转数值(分别为0度和360度)之间电驱动的相移型PT。这些极限值被称为PT饱和数值(saturation figure)。
在现有技术中，已知在适当的PC仅由三个PT组成的情况下，将任何输入偏振状态转换成任何输出偏振状态是可能的。但是若需要循环行为，就是说对输入信号中所有可能的小偏振变化来说没有输出信号偏振突变，则许多研究显示具有循环追踪的PC需要至少六个PT。
这种要求的一个极为简化的解释为：在正常运行中，若第一组3个PT达到它们的极限之一(所有PT都达到0度或360度的饱和数值)，则第二组3个PT能够追踪预期的输出偏振状态，这时第一组3个PT逐渐“展开(unwind)”并以远离它们0度或360度的饱和极限的典型控制间隔进行复位。
一个确定性的算法可用实现上述策略的直接但麻烦的实现来确保所有PC的循环特性。
我们假设当输入偏振状态在其输入端口随时间随机变化时，PC用于在其输出端口对预定偏振状态进行循环追踪。
在一般实践中存在的潜在临界状态是：确定性的算法会在PC的PT之一上用展开过程以某种方式使该PC偏离该装置的正常运行。这使得PC在遇到输入偏振状态高速变化时效率较低，因为不是所有的PT都能有效地参与到实时应用通常需要的快速偏振转换中。
发明内容
本发明的一般目的是通过提供用于驱动使复位条件的概率接近于零的偏振补偿器的设备及方法来纠正上述缺点。
考虑到此目的，本发明试图提供一种操纵包括级联的可变偏振转换器的光学偏振控制器的方法，所述可变偏振转换器可被单独驱动以全面实现输入光信号和输出光信号之间偏振转换，各转换器具有预定的最大和最小端驱动极限并且该方法对各转换器循环进行以下步骤：
a)在控制器上找到输出误差信号，该信号代表要通过可变转换器级联驱动来最小化的信号，
b)以预定量CS在两个方向中的一个方向上(即朝着最大极限方向或最小极限方向)驱动第一转换器偏振变化，
c)检查要被最小化误差信号是否降低了，若没有，则以预定量CS在两个方向中的另一个方向上驱动转换器偏振变化；
此方法包括在步骤b)之前对各转换器进行附加的初始步骤：
d)决定每次在两个方向的哪一个上首先驱动，朝着最大极限还是朝着最小极限。
本发明还试图实现用于补偿插入光纤连接的偏振模色散的设备，包括偏振控制器(PC)，所述偏振控制器由一定数目可变偏振转换器级(PT)组成，所述可变偏振转换器级由控制系统作为要被最小化的误差变量的函数来驱动，其特征在于，所述设备包括按照所述方法检验所述级的驱动系统。
附图说明
为了清楚地解释本发明创新的原理及相对于现有技术的优势，下面将结合附图并借助应用所述原理的非限制性示例来对本发明可能的实施例进行描述。其中：
图1示出根据本发明实现的偏振补偿器的框图，该偏振补偿器适配在试验性的光纤传输系统中，以及
图2示出根据本发明的补偿器的控制算法的流程图。
具体实施方式
参照附图，图1示出插入受PMD影响的光纤连接中的单级偏振模色散补偿器设备。该补偿器由附图标记10整体指示并包括由一定数目的可变偏振转换器级组成的偏振控制器(PC)11。各PT可以产生从0度至360度的偏振旋转。这样的偏振控制器是已知的，在此不作进一步描述。
如下面说明的，根据本发明的原理，补偿器优选地至少具有六个级。尤其是利用八个级(PT)会具有特别的优点，这样可具有更大的自由度以极大地提高系统速度。
在实施例中PC11的目的是旋转输入端12上的调制光信号的偏振，以在输出端13产生最佳偏振状态，该输出端13也用作双折射光纤14的光学输入端，该双折射光纤14充当“光学均衡器”以减轻由PMD产生的信号减损影响。从该光纤14输出的信号被传送到已知的接收器15。
来自已知发射机(图中未示出)(例如数字光学发射机NRZ)的光纤连接引起的PDM所产生的失真会影响输入信号12。
接收器15是(例如基于光电影像检测器的数字光学接收器)本身是已知的，因此下文将不作进一步描述，它对信号进行有关误码率(BER)的检测。检测结果被用作反馈信号(FB)16，该反馈信号必须被最小化并用于操纵PC的PT。换句话说，该反馈信号FB是与所测量的BER成比例的误差函数。
借助适当编程的微控制器(μP)17可较好地实现根据本发明的控制算法，这将在下文阐明。因此，微控制器(μP)17在输出端产生驱动以适当地旋转偏振控制器的PT。自然，基于微处理器驱动来旋转PT的实现系统可按任何已知的方式实现。例如，如图1所示，微处理器17可驱动一组8个数模转换器(DAC)18，其中各DAC对应于控制器11的各级，该组DAC产生可被应用于已知电子单元19的8个Vo[i](i＝1...8)驱动信号，该电子单元19可进行驱动信号Vo[i]和旋转装置驱动之间的转换以获得8个PT预期的旋转角θ[i]。就是说，Vo[i]是代表与各PT的预期角度相关联的控制电压的8元向量，而θ[i]是代表各PT的预期旋转角(从0度到360度)的8元向量。
这个结构基本上是已知的，其可被本领域的技术人员所理解。
先不考虑PC中的循环追踪的问题，下面提供一种传统的用于最小化FB的PC控制方法，其包括如下几个步骤：
0)将8个PT全部设定在它们的中间点(180度)；
1)读取要被最小化的FB值；
2)估算用于移动第一PT的正确控制步幅(CS)变化(为达到更快收敛，对于越高的误差函数FB，控制步幅(CS)变化越大)；
3)以旋转角度(+CS)的一正增量移动第一PT；
4)读取要被最小化的FB值；
5)若FB减小，则跳到下一PT的检查，若FB增加，则以-2CS反转；
6)读取要被最小化的FB值；
7)若FB减小，则跳到下一PT的检查，若FB增加，则继续以+CS旋转(转到初始值，它此刻是最佳条件)；
8)对于所有的PT都不断循环进行步骤1)至步骤7)以最小化FB。
这样，有根据表明，在追踪步骤中(例如，当FB数值足够小而PC必须只微调其PT以追踪输入偏振变化时)，没有对FB的另一最小化作出很大贡献的PT很容易被朝着它们的端极限角度360度(逐步地)操纵。
的确，因为没有考虑到“展开”过程，发现在良好的收敛条件下，当增大的CS步幅很小时，算法中多余的PT将首先增大+CS(参照步骤3)并继续增大它们的状态，并且其可在几千个控制算法的循环内(这意味着实时应用中几分钟的时间)跳到360度。上面提到的在已知系统中可导致非预期的复位条件的缺陷在这点上是显而易见的。
根据本发明的原理，在控制系统中加了一个决策模块，该决策模块可从一个循环到另一个循环选择PT的增大或减小方向，运动方向可首先被测试，以使内在的“展开”过程平均分布在所有PT中，即该过程在不影响所述PC的正常运行且不对上述7个步骤中描述的收敛过程的自然演进施加任何限制的条件下进行。
的确，若在PC变化的任何一个瞬间，当前PT对于收敛过程来说意义重大，则即便我们在错误的方向上开始，该算法还是会选择一个相反的旋转角度，因为这对最小化FB来说是正确的。
如果当前的PT对收敛过程来说是不重要的，那么它就会自动地保持远没有达到饱和的状态，以在将来的输入偏振条件需要它时，它马上可以起作用。
方向的选择可按各种方式进行。例如，首先可进行随机选择，该选择具有尝试一个方向或另一个方向的平均分布的概率。当然，也可以从一个方向到另一个方向进行交替选择。
优选地，可检查要被最优化的状态或PT旋转的真实角度，基于检查结果，若状态接近0度，则首先选择一个增量(+CS)，若状态以一预定量接近360度，则首先选择一个减量(-CS)以远离饱和条件。
为了较好地理解本发明，下面将参照图2描述根据本发明的一种可能的实现PC统计控制方法的算法。
为了较好地理解图1中的图表，一些定义如下：
VH＝接近VSAT+(即VH＝VSAT+-Vδ)的阈电压
VL＝接近VSAT-(即VL＝VSAT-+Vδ)的阈电压
VSAT+＝最大饱和控制电压(即若θ[i]＝360°，则Vo[i]＝VSAT+)
VSAT-＝最小饱和控制电压(即若θ[i]＝0°，则Vo[i]＝VSAT-)
Vδ＝电压饱和限度(即(VSAT-+Vδ)＜Vo[i]＜(VSAT+-Vδ)是安全运行条件)
Vmid＝中间控制电压Vo[i](即Vmid＝(VSAT++VSAT-)/2)
sign[i]＝8元素数组，所述元素是被分配给用于每次PT控制的增大/减小步幅的符号(每个元素等于+1或等于-1)
该算法以初始步骤开始，设置了如下变量：
imax＝8(PT的数目)
i＝0
Vo[1]＝Vo[2]＝...＝Vo[imax]＝Vmid
sign[1]＝sign[2]＝...＝sign[imax]＝1
CS＝包含控制步幅的变量
优选地，CS可作为FB的函数来计算，使得对于较大的误差，CS也较大，反之亦然，从而对偏振补偿实现更好的控制。
初始化之后，进入循环重复的主循环。对于该主循环的每个重复周期，会对下一PT加以考虑，从而全部运行所有重复周期。为方便起见，定义表示在一个周期中被考虑的PT的指数“i”，作为循环的第一步，首先将“i”加1。当PT的数目已达到imax(在本例中为8)时，将“i”复位为1以重新开始。
在该周期中，代表要被最小化的误差函数的FB反馈值然后被读取。根据预定函数，控制变量的增加步幅CS被计算出来(“设置CS(SET CS)”步骤)。一般地，FB越大，则CS也越大，以加速收敛过程。
在CS变化过程中，还可定义适当高和适当低的阈值。
然后进入的是决策模块(图2中附图标记21所整体指定的)，该模块决定首先尝试哪一变化方向。为方便起见，该决定作为向量sign[i]的一个元素sign进行表达，向量sign[i]可在周期的后继运行中乘CS。
根据决策模块的优选实施例，使用两个比较来确定Vo[i]+sign[i]*CS是否处于VL与VH之间，即Vo以量CS增大与减小之后，Vo值是否离开了允许的间隔(增大了还是变小了)，若离开了该间隔，则增大方向改为减小方向，并将对应的符号[i]元素颠倒。
在下一步骤中，Vo在决策模块所决定的方向上变化，而因此获得的新的Vo将被传送到DAC以驱动第i个PT，然后再检验FB是否减小。
若检验结果是肯定的，则开始对下一PT进行检验，而若检验结果是否定的(FB增大)，则Vo以2CS转向另一方向，并且再次对FB是否减小进行检验。若FB减小，则对下一PT进行检验，若FB增大，则以CS的量在另一方向上再次移动，以将Vo恢复到对目前来说是最佳条件的初始值，并对下一个PT进行检验。
从而，实现并测试了一种在统计意义上或在复位概率可低于0的意义上可保证连续执行的新方法。
该策略在装置速度方面提供了较佳的性能，因为其没有对任何涉及PC的自动控制的优化的过程的自然演进施加任何限制。
在PMD补偿器的同样光学结构上，根据本发明利用由8个PT制成的PC的方法的性能与利用由6个PT制成的PC的传统决策算法的性能进行了比较。结果证明偏振的收敛和跟踪速度方面的区别是相当大的。证明了根据本发明的控制对于PMD补偿器的开发是优选的，而证明了6个PT的决策版本很慢以致于不能满足实际光纤连接的典型偏振变化。
采用根据本发明的设备，在用于PMD补偿中的统计算法中没有显示出复位问题，即使长时间性地测试(多次测试，每次36小时)，该长时间性测试的输入偏振状态以估计的实际光纤连接的最大速度进行随机变化。在现有技术分析中，发现在跟踪步骤中(即最初的收敛暂态后)，总是以正增加开始的最优化过程的“临时多余”角(即在一个方向上或在另一个方向上被旋转以使要被最小化的函数保持几乎不变的那些角)在几分钟之内达到饱和。
自然，通过这里要求的排他性权利的范围内的所述原理的非限制性示例，给出了应用本发明的创新原理的实施例的以上描述。例如，在各级中的角度检查变量可随电压而改变。特别地，可直接使用一角度值，该角度值最终由检查电子装置转换成各级的旋转电压。该转变器还可从一般最小角度变化到一般最大旋转角度，该旋转角度不一定是本示例中给出的0度和360度。

Claims (17)

1.一种操纵光学偏振控制器的方法，所述光学偏振控制器包括级联的可变偏振转换器，各转换器具有预定的最大和最小端驱动极限，并可个别地被驱动以总体实现输入光信号和输出光信号之间的偏振转换，所述方法包括对各转换器循环进行以下步骤：
a)在控制器上找出输出误差信号，所述输出误差信号是与测量的误码率成比例的误差函数，
b)以预定量CS在两个方向中的一个方向上驱动转换器的第一偏振变化，即朝着最大极限或者最小极限，
c)检查要被最小化误差信号是否降低了，若没有，则以预定量CS在所述两个方向的另一个方向上驱动转换器偏振变化；
所述方法包括在步骤b)之前对各转换器进行如下附加初始步骤：
d)决定每次在两个方向的哪一个上首先驱动，朝着最大极限还是朝着最小极限。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述决定通过以下方式作出：确定所述两个变化方向中的一个方向，即朝着最大极限或最小极限，是否使得转换器以超过预定的值接近两个极限之一，若是，则首先在相反方向上驱动所述变化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述决定通过以下方式作出：确定首先尝试与在前周期中首先尝试的方向相反的方向。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，所述决定通过以下方式作出：确定首先尝试在两个方向中随机选择的一个方向。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预定量CS是所述误差信号的直接函数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可变转换器在数量上至少是六个。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可变转换器在数量上是八个。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，给出了以下定义：
Vo[i]＝第i个转换器的偏振驱动值，
VH＝接近转换器高饱和数值的阈驱动值Vo[i]，
VL＝接近转换器低饱和数值的阈驱动值Vo[i]，
sign[i]＝分配给第i个转换器的元素，用其符号定义变化方向；以及
在步骤d)中，所述决定通过以下方式作出：检查Vo[i]+sign[i]*CS是否在VL与VH之间，若在该范围之外，则颠倒sign[i]的符号，通过对Vo[i]赋新值Vo[i]＝Vo[i]+sign[i]*CS来产生所述转换器的第一偏振变化。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述误码率是所述光学偏振控制器下游的接收器的误码率。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各转换器可产生0度到360度之间的偏振驱动旋转。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若在两个方向的变化都没有导致要被最小化的误差降低，则所述转换器偏振量回到变化前的值。
12.一种用于补偿插入光纤连接中的偏振模色散的装置，包括偏振控制器，所述偏振控制器(PC)由一定数量的可变偏振转换器级(PT)组成，所述可变偏振转换器级由控制系统根据要被最小化的误差变量来驱动，其特征在于，所述装置包括驱动系统，所述驱动系统按照上述权利要求中任一项所述的方法来操纵所述偏振控制器。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述误差信号是所述光学偏振控制器下游的接收器的误码率。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，各转换器可产生0度到360度的偏振驱动旋转。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述可变转换器在数量上至少是六个。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述可变转换器在数量上是8个。
17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述偏振控制器的输出端有双折射光纤，所述双折射光纤用作光学均衡器来减轻由PMD造成的信号减损的影响。
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