CN101340247A - 波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法，该方法将光纤通讯线路中不同波长的光信号复用到一个信道中；对从光复用器输出经过一段距离的光纤链路传输后的偏振模色散用补偿器进行补偿；将补偿后的光信号解复用为原来的不同波长的光信号；用计算控制装置分别计算每路的偏振度值并进行比较，选取最差偏振度值的信道进行最差信道补偿，由计算控制装置采用控制算法控制补偿器再重新进行补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能。本发明能动态地、有效地、快速地、实时地对波分复用系统(WDM)中多信道的偏振模色散补偿，采用对最差信道进行补偿，使最差信道的性能最好，只使用一个补偿器对所有信道同时进行补偿，在补偿最坏信道的同时，保障其他信道的性能，有极大地节省成本的优点。

Description

波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法

技术领域

本发明属于波分复用糸统中一种补偿偏振模色散的方法。

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(PMD)。偏振模色散对传输的影响很大，因此必需对此进行补偿，当前对单模光纤的偏振模色散补偿技术大体分为电补偿、光电补偿和光补偿。

偏振模色散(PMD)是高速光纤通信系统进一步发展的一个重要制约因素，特别是在波分复用系统(WDM)中，对于多信道的补偿，采用单信道PMD补偿器受到偏振主态(PSP)带宽的限制，不能对所有信道进行有效的补偿；另外，由于WDM系统存在四波混频和交叉相位调制等非线性效应，光纤呈现非线性双折射现象，光纤中光波的偏振态以及光纤的PSP的方向变化是随机的，这使得一阶PMD补偿器在波分复用系统中对PMD的补偿效果变差。因而波分复用系统多信道的PMD补偿成为急需解决的关键技术。目前对波分复用系统多信道的PMD补偿，仍采用对解复用下来的每一路信号用单信道PMD补偿技术，采用较多的补偿器，缺点是除成本太大外，同时增加了系统的复杂度，补偿效果较差，尤其是不能有效、快速、实时的进行补偿。补偿结果往往是在改善一个信道性能的同时会恶化其它信道。有人提出了在接收机端使用几个共享PMDC对WDM系统的PMD进行抑制的方案，还有人提出将前向纠错引入WDM中以缓解PMD对系统的影响的方案。然而，这些方案都或多或少的有些缺陷。因此，到目前为止，如何同时补偿多信道的PMD仍是一个很有挑战性的难题。

发明内容

本发明的目的是提供波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法，能动态地、有效地、快速地、实时地对波分复用系统中多信道的偏振模色散补偿，采用对最差信道进行补偿，使最差信道的性能最好，只使用一个补偿器对所有信道同时进行补偿，在补偿最坏信道的同时，保障其他信道的性能，有极大地节省成本的优点。

为此，本发明的方法是：

(1)将光纤通讯线路中的不同波长的光信号复用到一个信道中；

(2)对从光复用器输出经过一段距离的光纤链路传输后的偏振模色散用补偿器进行补偿；

(3)将补偿后的光信号解复用为原来的不同波长的光信号；

(4)用计算控制装置分别计算每路的偏振度值并进行比较，选取最差偏振度值的信道进行最差信道补偿，由计算控制装置采用控制算法控制补偿器再重新进行补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能，表示为：

$\underset{\mathrm{parameters}\∈P}{\mathrm{MAX}}\left(\underset{j}{\mathrm{MIX}}\left({\mathrm{function}}_j\right)\right)$

其中，j表示第j个信道，“function”是目标函数，在PMD补偿系统中是DOP，或者表示电宽度的某个频率分量的强度，或者Q因子，或者其他的反馈信号，“parameters”指偏振控制器中的波片角度，或者双折射的大小，或可调时延线之类的可以调节控制的单元，P是指“parameters”所在的范围。上述方法实现了本发明的目的。

本发明的优点是能动态地、有效地、快速地、实时地对波分复用系统(WDM)中多信道的偏振模色散补偿，采用对最差信道进行补偿，使最差信道的性能最好，只使用一个补偿器对所有信道同时进行补偿，在补偿最坏信道的同时，保障其他信道的性能，有极大地节省成本的优点。

附图说明

图1为本发明的模拟系统结构示意图

图2为本发明的其中两信道系统补偿前后的DGD对比示意图

图3为本发明的其中两信道系统补偿前后的DOP对比示意图

图4为本发明的其中两信道系统补偿前后的眼图对比示意图

图5为本发明的其中两信道系统补偿前后的眼图对比示意图

具体实施方式

波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法是：

(1)将光纤通讯线路中的不同波长的光信号复用到一个信道中；

(2)对从光复用器输出经过一段距离的光纤链路传输后的偏振模色散用补偿器进行补偿；

(3)将补偿后的光信号解复用为原来的不同波长的光信号；

(4)用计算控制装置分别计算每路的偏振度值并进行比较，选取最差偏振度值的信道进行最差信道补偿，由计算控制装置采用控制算法控制补偿器再重新进行补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能，表示为：

$\underset{\mathrm{parameters}\∈P}{\mathrm{MAX}}\left(\underset{j}{\mathrm{MIX}}\left({\mathrm{function}}_j\right)\right)$

其中，j表示第j个信道，“function”是目标函数，在PMD补偿系统中是DOP，或者表示电宽度的某个频率分量的强度，或者Q因子，或者其他的反馈信号，“parameters”指偏振控制器中的波片角度，或者双折射的大小，或可调时延线之类的可以调节控制的单元，P是指“parameters”所在的范围。

所述的控制算法是粒子群优化算法。公式可以看作是限制条件下的最优化问题中的非线性规划，非线性规划一般用数值法求解。根据光纤通信系统的特点，采用的数值算法为粒子群优化算法(PSO算法)。PSO算法不仅能胜任多自由度控制，而且可以胜任多空间控制。而多信道PMD补偿恰好是多空间、多自由度控制问题，因此PSO算法适用于多信道补偿。

PSO算法是一种直接搜索最佳值的算法，它利用由个体(individual)或粒子(particle)组成的社会群体(swarm)搜索最佳解。每个个体或粒子都可以看成多维空间中的一个交汇点，粒子通过迭代更新(或移动)自己在多维空间中的位置，以寻求最佳点。在每次迭代中，每个粒子对自己过去的最佳位置有信息记忆，同时它与社会群体中每个邻居粒子相互分享最佳位置的信息，然后通过同时评价这两个信息以决定粒子下一步的移动。如果任何一个个体的位置离目标位置足够近，或者说他们之间的距离小于规定的误差，就认为群体已经找到了最佳值。

PSO算法定义每个个体都可能是多维空间搜索问题的一个解，假定采用N个粒子组成全部群体。D维搜索空间中，第i个粒子的位置矢量可以表示为X_i＝(x_i1，x_i2，...，x_iD)，其速度矢量用V_i＝(v_i1，v_i2，...，v_iD)表示。PSO搜索开始时，先随机初始化N个粒子的位置和速度，然后粒子们通过迭代来更新自己的位置，逐渐趋向最优化目标。在每一次迭代中，每个粒子通过评价自己以前曾经找到的最好位置(记为个体最佳位置pbest，第i个粒子的最佳位置记为pbest_i)，并结合整个群体中目前找到的最好位置(定义为全局最佳值gbest)，对个体的速度矢量进行调节，然后用这个速度矢量来计算个体新的位置矢量。

PSO算法的搜索步骤可归纳如下：

(1)在D维搜索空间中初始化所有个体的位置和速度；

(2)求得D维变量下，每个粒子目前位置对应的目标函数值；

(3)将每个个体的目标函数值同自己以前的最佳值pbest_i进行比较，优则替换，并记住新的最佳位置，否则保持不变；

(4)对目前整个群体中每个粒子的最佳值进行比较，得到本次迭代的群体最佳值即gbest，并与以前的gbest比较，如果“更优”，则替换之，并记住新的最好个体的序号和位置，否则不变；

(5)更新每个个体的速度和位置；

(6)跳到第(2)步进入下一次循环，直至满足终止条件。

PSO算法中，速度和位置的更新公式分别为：

v_id＝v_id+c₁×rand()×(pbest_id-x_id)+c₂×rand()×(gbest_id-x_id)

x_id＝x_id+v_id

式中Vid是粒子的速度。Xid是粒子当前的位置。pbestid自身粒子目前最佳位置，其对粒子位置迭代的影响是自身学习的影响。gbestid是群体粒子目前最佳位置，其对粒子位置迭代的影响是群体学习的影响。rand()是[0，1]区间内的随机数，C₁是自身学习因子，C₂是群体学习因子，要求C₁+C₂＞4。比如可以选C₁＝C₂＝2.05，此时自身学习与群体学习影响力度相同。或C₁＝2.8，C₂＝1.3，此时自身学习影响力度大于群体学习影响。

PSO优化算法数学上是一个通过调整多个控制参数“parameters”在多维空间中搜索目标函数“function”的全局最大或最小值的过程，其数学表达式为：

$\underset{\mathrm{parameters}\∈P}{\mathrm{MAX}}\left(\mathrm{function}\right)$ 或 $\underset{\mathrm{parameters}\∈P}{\mathrm{MAX}}\left(\mathrm{function}\right)$

其中“parameters”的个数即搜索空间的维数，P是指“parameters”的变化范围。

如图1所示，本发明的装置，主要由偏振模色散补偿器和偏振模色散反馈控制单元所组成。所述的装置具有：

光复用器1，用于将输入的不同波长(λ₁，λ₂，λ₃----λ_i)的光信号复用到一个信道中；可建立多信道不同速率的码型系统。

偏振模色散补偿器2，用于对从光复用器输出经过一段距离的光纤链路5传输后的偏振模色散进行补偿。

解复用器3，用于将偏振模色散补偿器补偿后的光信号解复用为原来不同波长(λ₁，λ₂，λ₃----λ_i)的光信号。

偏振模色散反馈控制单元4，用于接收解复用器输出的不同信道波长(λ₁，λ₂，λ₃----λ_i)的光信号，每个信道的偏振度值都通过一个检偏器检测，通过比较不同信道的偏振度值，选取最差偏振度值的信道进行最差信道补偿，用一个偏振模色散补偿器同时对多个信道一起补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能。

所述的偏振模色散反馈控制单元包括：检偏器，用于检测和将检测到的偏振度值送至计算控制装置；计算控制装置，计算控制装置可以是逻辑控制单元，或是含有本发明相关算法程序的计算机，计算控制装置不断调节偏振模色散补偿器中的偏振控制器和可变群时延，并采用PSO算法来搜索DOP最大值，当检测到的偏振度值达到最大时，偏振模色散便能自动得到补偿。

偏振模色散补偿器的输入端通过一段距离的光纤链路与光复用器的输出端相连，偏振模色散补偿器的输出端通过解复用器与偏振模色散反馈控制单元的接收端相连，偏振模色散反馈控制单元的输出端与偏振模色散补偿器控制接收端相接。所用的光复用器、解复用器等均为已有产品。

以两信道PMD补偿为例，建立一个2×40Gbit/s CSRZ-DPSK码型系统进行数值分析，两信道波长分别为：λ₁＝1550.92nm、λ₂＝1552.52nm，在PSO配置中，采用20个个体，最大循环次数设为25，以DOP做反馈信号。在两信道补偿中采用2阶段补偿器，一段取固定值为13ps，另一段可变。经过PMD模拟器后的两个不同波长(λ₁，λ₂)的信号经过一个光复用器复用到一个信道中，经过一段距离的光纤链路传输后，通过一个偏振模色散补偿器补偿偏振模色散，补偿后的信号通过一个解复用器将原来的两个波长(λ₁，λ₂)解复用出来，每个信道的DOP值都通过一个检偏器检测，通过比较两个信道的DOP值，选取最差DOP值的信道进行最差信道补偿方案，用一个偏振模色散补偿器同时对两个信道一起补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能。检测到的偏振度(DOP)送至偏振模色散反馈控制单元，当检测到的DOP值比较小时，说明偏振模色散对信号产生了影响需要进行补偿，偏振模色散反馈控制单元不断调节偏振模色散补偿器中的偏振控制器和可变群时延，采用PSO算法来搜索DOP最大值，当检测到的DOP达到最大时，偏振模色散便能得到补偿。

偏振模色散补偿器，由电控偏振控制器和能产生固定时延的保偏光纤构成，用于对光纤通讯线路中的偏振模色散进行补偿。保偏光纤使得进入的光信号产生一定的时延差，对光纤通讯线路中产生的时延进行一定的补偿。偏振模色散补偿器的状态由电控偏振控制器和固定时延的保偏光纤来决定，电控偏振控制器有可以调节的电压，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，这时偏振模色散补偿器的状态为最佳。

例如，以DOP作反馈信号，补偿前，计算机以所设定的一个DOP值作为程序的阈值。补偿开始后，计算机读取解复用器后面每一信道的DOP值加以比较，选取DOP值最小的那一信道作为起始搜索点进行搜索，计算机依据含有粒子群优化算法公式的程序改变电控偏振控制器的输入控制电压和可变差分时延线的大小，分别控制电控偏振控制器和可变时延线使得这一信道的DOP值提高，最后控制程序会判断这一DOP值是否达到或者超过阈值，若是，则完成这一信道的自动补偿；若没有达到或者超过阈值，则需要重新搜索最佳点，重新开始程序进行补偿。如果有其他信道的DOP值小于阈值，则重新启动程序，对这一信道进行补偿。最后使得所有信道的补偿效果都比较好，从而保证在补偿最差信道的同时保证其他信道的性能不受影响。

两信道系统的例子中采用的码型是DPSK新型调制格式，在接收机端测量两个信道的眼图、误码率和Q值对比补偿前的结果，研究对高速光纤通信系统性能的改善，从而给出高速率长距离WDM系统中偏振模色散问题更完善的解决方案。对比补偿前后的DOP值、剩余DGD值也取得了很好的补偿效果。数值模拟结果证明了本发明的方法在两信道PMD补偿时的有效性。为波分复用系统多信道PMD补偿的研究打下了基础。

图2至图5给出在两个不同信道CSRZ-DPSK码型系统补偿前后DGD、DOP和眼图对比。从图2，3来看，每个信道补偿以后的DGD明显偏移，大部分集中于5ps左右。而图4，5中补偿以后的DOP更是几乎全都在0.8以上，说明补偿效果比较好。图4，5中补偿后两个信道的眼图也比补偿前要好得多。由此可见，采用粒子群优化算法能够得到很好的多信道补偿结果。

总之，本发明能动态地、有效地、快速地、实时地对波分复用系统(WDM)中多信道的偏振模色散补偿，采用对最差信道进行补偿，使最差信道的性能最好，只使用一个补偿器对所有信道同时进行补偿，在补偿最坏信道的同时，保障其他信道的性能，有极大地节省成本的优点。

Claims (2)

1、一种波分复用系统中一种补偿偏振模色散的方法，其特征在于：

(1)将光纤通讯线路中不同波长的光信号复用到一个信道中；

(2)对从光复用器输出经过一段距离的光纤链路传输后的偏振模色散用补偿器进行补偿；

(3)将补偿后的光信号解复用为原来的不同波长的光信号；

(4)用计算控制装置分别计算每路的偏振度值并进行比较，选取最差偏振度值的信道进行最差信道补偿，由计算控制装置采用控制算法控制补偿器再重新进行补偿，在补偿最差信道的同时保证其它信道的性能，表示为：

$\underset{\mathrm{parameters}\∈P}{\mathrm{MAX}}\left(\underset{j}{\mathrm{MIX}}\left(\mathrm{functi}{\mathrm{on}}_j\right)\right)$

其中，j表示第j个信道，“function”是目标函数，在PMD补偿系统中是DOP，或者表示电宽度的某个频率分量的强度，或者Q因子，或者其他的反馈信号，“parameters”指偏振控制器中的波片角度，或者双折射的大小，或可调时延线之类的可以调节控制的单元，P是指“parameters”所在的范围。

2、按权利要求1所述的一种波分复用糸统中一种补偿偏振模色散的方法，其特征在于：所述的控制算法是粒子群优化算法。

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