CN1239932C - 一种偏振模色散模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振模色散模拟器，技术方案为：HE₁₁模的光经偏振光分束器分成两个正交的偏振态，其中一个偏振态的偏振光经历保偏光纤实现延迟时间后到达偏振光合束器，另一偏振态的偏振光经保偏光纤通过可调光纤延时线到达偏振光合束器；从偏振光合束器输出的光由单模光纤导入可调波片；从可调波片出来的偏振光进入偏振光方位角控制装置实现方位角参量的控制；可调光纤延时线、可调波片和偏振光方位角控制装置，由计算机控制系统通过控制电路控制其随机改变，从而实现对偏振模色散的模拟。本发明的模拟器能模拟高速光纤通信系统和网络中的各阶偏振模色散，可用于高速光纤通信系统和网络的研发、设计和测试，也可用于系统的PMD补偿。

Description

一种偏振模色散模拟器

技术领域：

本发明属于光纤通信技术领域和信息网络技术领域，具体涉及一种偏振模色散模拟器。

背景技术：

随着社会的发展和技术的进步，人们对信息的需求与日俱增。近几年来，通信网上的语音、数据、视频等多种媒体的业务量增长极快，特别是IP业务总量每年以翻番的速度在爆炸性激增，骨干网上的数据流量逐渐超过语音流量，成为干线链路传输的主要业务流。据统计，世界范围内话音业务量的年增长率为10％，数据业务的年增长率为40％，而在我国数据业务发展更为迅猛，年增长率达到了400％。业务总量的迅速飙升，推动着作为现代长途干线通信主体的光纤通信向着高比特率、大容量的方向发展。单信道速率从2.5Gbit/s、10Gbit/s到40Gbit/s，甚至更高的速率演进；随着掺铒光纤放大技术和拉曼放大技术的商用化，传输跨距也越来越长；利用光交叉互连(OXC)和光分插复用(OADM)等设备构建的全光传送网正逐步由现场试验走向商用化。原来在低速系统中可以忽略的偏振模色散(PMD)，成为实现高速率、大容量、长距离光纤通信系统和网络的主要限制因素。

在全球已铺设的上亿公里的光纤链路上，实现高速率信号的传输会带来巨大的经济效益，但已铺设光纤具有较高的PMD值，即使是目前新铺设价格昂贵的、具有较低PMD值的光纤，经长距离传输和全光路由网络后PMD值的累积，也会严重影响系统和网络的性能。因此，必须研究和解决PMD对系统和网络性能的影响，而偏振模色散模拟器是研究、设计和测试高速光纤通信系统、链路和网络的偏振模色散的重要器件，对于系统和网络的设计具有重要意义。

关于偏振模色散模拟器，人们提出了多种方案。有的是采用几段固定链接的保偏光纤模拟一阶PMD，但它不易模拟高阶PMD，而且一阶PMD值不能动态可调。有的是把入射光偏振分束后进行延时，这种方案也只能产生一阶PMD，虽然PMD值可调，但不能产生高阶PMD。有的是把几片具有高差分群时延(DGD)值的双折射晶体用可旋转的机械机构固定链接，这样可以产生动态可变的一阶和高阶PMD值，但存在所用晶体多、机械旋转机构复杂、不易控制、易磨损、响应速度慢等缺点。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型的偏振模色散模拟器，该模拟器能模拟高速光纤通信系统和网络中的各阶偏振模色散，功能强，能完全电控，实现简单，成本低。

本发明的技术方案如下：

一种偏振模色散模拟器，包括：

偏振光分束器(PBS)：输入端接收来自单模光纤所传输的HE₁₁模的光，然后分解成两个正交的偏振态A和偏振态B，并分别输出到保偏光纤；

可调光纤延时线：输入端接收经保偏光纤(PMF)传输的偏振态为A的偏振光，并输出到另一段保偏光纤；

偏振光合束器(PBC)：包括两个输入端，分别接收经保偏光纤传输来的偏振态为B的偏振光和经历保偏光纤和所述可调光纤延时线的偏振态为A的偏振光，合束后输出到另一段单模光纤；

可调波片(VW)：从偏振光合束器输出的光，由单模光纤导入所述可调波片，所述可调波片改变穿过它的偏振光的两个正交偏振模之间的相位差Δφ。

偏振光方位角控制装置：用于控制从所述可调波片出来的偏振光相对于光纤的本征双折射轴的方位角。

计算机控制系统：所述计算机控制系统通过控制信号传输线路分别与所述可调光纤延时线、所述可调波片、所述偏振光方位角控制装置连接，计算机控制系统通过控制电路控制所述可调光纤延时线以产生随机延时τ、控制穿过所述可调波片的偏振光的两个正交偏振模之间的相位差Δφ、控制通过偏振光方位角控制装置的偏振光的方位角θ。

进一步，上述的偏振模色散模拟器，所述偏振光方位角控制装置可以是由三个或三个以上的旋光器链接保偏光纤组成的级联系统，从而得到一种基于链接方位角分布动态可变的新型偏振模色散模拟器，该模拟器采用一种新型的基于法拉第旋光效应的电控旋光器。所述旋光器由带尾纤的输入、输出光纤准直器、磁光晶体和螺线管构成，带尾纤的光纤准直器把输入光纤中的光准直导入到磁光晶体，在螺旋管中通过的随机电流产生的外磁场的作用下，使磁光晶体的介电张量发生变化，产生法拉第旋光效应，从而使输入光的偏振方向发生旋转，然后通过输出光纤准直器和尾纤输出。本发明的旋光器选用的磁光晶体为钇铁石榴石(简称YIG)晶体，其法拉第旋转角度大，在近红外波段透明，适合光纤通信窗口使用。当然，所述偏振光方位角控制装置还可以采用现有的机械转动装置和保偏光纤级联实现，机械转动装置用于使保偏光纤的双折射轴产生旋转，从而改变偏振光相对于光纤的本征双折射轴的方位角。

本发明的偏振模色散模拟器，具体工作原理和过程如下：

HE₁₁模(单模，实际上是两个简并的正交偏振模)的光通过单模光纤(SMF)输入到偏振模色散模拟器，首先经偏振光分束器分成两个正交的偏振态(记这两种偏振态为A和B)，它们分别进入后面的两条保偏光纤。偏振态为B的偏振光经历保偏光纤，实现延迟时间t_b(固定延时)后，到达偏振光合束器，而偏振态为A的偏振光，经保偏光纤通过可调光纤延时线到达偏振光合束器，它所经历的延迟时间为t_a(电控可调)。所以，从偏振光合束器输出的光有了群时延τ＝t_a-t_b。通过电路控制可调光纤延时线实现随机延时，从而实现了对群时延τ的控制。

从偏振光合束器输出的光，由单模光纤导入可调波片，该可调波片能够通过电控改变穿过它的偏振光的两个正交偏振模之间的相位差Δφ。从可调波片出来的偏振光进入旋光器和保偏光纤构成的级联系统。该系统用于处理从所述可调波片出来的偏振光，模拟实际光纤链路中的随机双折射和随机模式耦合。本发明提供了一种偏振光方位角控制装置，它是由三个旋光器链接四级保偏光纤组成，其中每级保偏光纤可以是等长的，也可以是不等长的，甚至级数也同样可以根据实际需要进行调整。在该系统中，通过控制旋光器改变偏振光的旋转角度(θ₁，θ₂，θ₃)，以实现方位角参量θ的控制。根据相对运动的原理，在保偏光纤不动的情况下改变输入光的方位角，等同于输入光的方位角不变而保偏光纤的双折射轴发生了旋转，同样会改变偏振模耦合，所以，该级联系统能够模拟实际光纤中的随机模式耦合。同样地，级联系统中的保偏光纤(PMF)会引入时延，而偏振光旋转角度(θ₁，θ₂，θ₃)的改变会使各段保偏光纤间的时延相增或相消，从而也能调整模拟器的总的群时延(DGD)τ。

本发明的偏振模色散模拟器中的可调光纤延时线、可调波片和由旋光器链接的保偏光纤级联结构共同作用，能够模拟实际光纤中的随机双折射和随机模式耦合。可调光纤延时线、可调波片和旋光器，由微型计算机控制系统通过控制电路实现对其控制，通过控制算法产生的电信号控制它们随机改变，来实现对偏振模色散的模拟。

综上所述，本发明的偏振模色散模拟器，能够完全控制需要随机改变的三个参量τ、θ和Δφ，从而产生随机双折射和随机模式耦合，实现对各阶偏振模色散的模拟。

通常，用PMD矢量 表示光纤链路中的偏振模色散，有

$\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}=\mathrm{\τ}\·\stackrel{\→}{q}$

其中， $\mathrm{\τ}=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}\right|=\sqrt{{{\mathrm{\Ω}}_x}^2+{{\mathrm{\Ω}}_y}^2+{{\mathrm{\Ω}}_z}^2},$ 为两个输出偏振主态间的差分群时延；

为指向快输出偏振主态方向的单位斯托克斯矢量。θ和Δφ决定了偏振光的偏振态，

与它们有关。通过控制改变θ和Δφ，可以改变 。τ由可调光纤延时线和保偏光纤级联系统模拟产生。

如果把 与τ、θ和Δφ的关系，用函数S来表示，则有

$\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}=S(\mathrm{\τ},\mathrm{\θ},\mathrm{\Δ\φ},\stackrel{\→}{E})$

其中，

为从光纤进入模拟器的偏振光的光矢量，其状态决定于模拟器前的光纤链路，一般情况下，偏振模色散模拟器紧跟在光源后面，所以，

通常为激光器输出的光矢量。

本发明的优点与积极效果如下：

本发明的偏振模色散模拟器，功能强，能模拟各阶偏振模色散，具有结构简单、控制操作灵活方便，实现成本低等优点。可用于高速光纤通信系统和网络的研发、设计和测试，也可用于系统的PMD补偿。具有较大的市场前景，能产生一定的经济效益和社会效益。

附图说明：

图1是偏振模色散模拟器的结构示意图。

图2是偏振模色散模拟器中的基于法拉第旋转效应的电控旋光器结构示意图。

图1中：

1-输入单模光纤(SMF)

2-偏振光分束器(PBS)

31，32-保偏光纤(PMF)

4-电控可调延时为t_a的光纤延时线

5-偏振光合束器(PBC)

6-单模光纤(SMF)

7-电控可调波片(VW)

81，82，83，84-保偏光纤(PMF)

9-电控法拉第效应旋光器

10-保偏光纤与普通单模光纤的连接点

11-输出单模光纤

12-微计算机控制系统

13-控制信号传输线路

图2中：

91-输入单模光纤

92-输入光纤准直器

93-磁光晶体

94-输出光纤准直器

95-输出单模光纤

96-螺旋管

97-控制信号输入线路

98-控制信号输出线路

具体实施方式：

本发明的一个具体实例示意图如附图1所示。偏振模色散模拟器，由偏振光分束器2、偏振光合束器5、可调光纤延时线4、可调波片7、旋光器9和微型计算机控制系统12等模块组成。

激光器(LD)发出的光，通过单模光纤1输入到偏振光分束器2分成两个正交的偏振态A和B，偏振态为B的偏振光经过保偏光纤31实现延迟时间t_b后，到达偏振光合束器5，而偏振态为A的偏振光，经保偏光纤32通过可调光纤延时线4到达偏振光合束器5，所经历的延迟时间为t_a。所以，从偏振光合束器5输出的两个偏振态的光的群时延为τ＝t_a-t_b。微型计算机控制系统12通过控制信号传输线路13控制可调光纤延时线4实现随机延时，从而实现了对群时延τ的控制。

从偏振光合束器5输出的光，由单模光纤6导入可调波片7，可调波片7能够通过电控改变穿过它的偏振光的两个正交偏振模之间的相位差Δφ，微型计算机控制系统12通过控制信号传输线路实现对它的控制。

从可调波片7出来的偏振光进入由三个旋光器9链接的四级保偏光纤级联系统，通过控制旋光器9改变偏振光的旋转角度，以实现方位角参量θ的控制，微型计算机控制系统12通过控制信号传输线路实现该控制。所述旋光器9的结构由图2示出，由带尾纤(输入单模光纤91)的输入光纤准直器92、带尾纤(输出单模光纤95)的输出光纤准直器94、磁光晶体93和螺线管96构成，带尾纤的光纤准直器92把输入光纤中的光准直导入到磁光晶体93，在螺旋管96中通过的随机电流产生的外磁场的作用下，使磁光晶体93的介电张量发生变化，产生法拉第旋光效应，从而使输入光的偏振方向发生旋转，然后通过输出光纤准直器94和尾纤(输出单模光纤95)输出。旋光器选用的磁光晶体93为钇铁石榴石晶体，其法拉第旋转角度大，在近红外波段透明，适合光纤通信窗口使用。

从保偏光纤级联系统输出的偏振光通过单模光纤11输出。

基于以上的结构，本发明的偏振模色散模拟器中的可调光纤延时线4、可调波片7和由旋光器9链接的保偏光纤级联结构共同作用，能随机改变群延时τ、方位角θ和相位差Δφ，从而模拟实际光纤和系统中的随机双折射、随机群延时和随机模式耦合，实现对各阶偏振模色散的模拟。

Claims (3)

1.一种偏振模色散模拟器，其特征在于该偏振模色散模拟器包括：

偏振光分束器：输入端接收来自单模光纤所传输的HE₁₁模的光，然后分解成两个正交的偏振态A和偏振态B，并分别输出到保偏光纤；

可调光纤延时线：输入端接收经保偏光纤传输的偏振态为A的偏振光，并输出到另一段保偏光纤；

偏振光合束器：包括两个输入端，分别接收经保偏光纤传输来的偏振态为B的偏振光和经历保偏光纤和所述可调光纤延时线的偏振态为A的偏振光，合束后输出到另一段单模光纤；

可调波片：从偏振光合束器输出的光，由单模光纤导入所述可调波片，所述可调波片改变穿过它的偏振光的两个正交偏振模之间的相位差；

偏振光方位角控制装置：用于控制从所述可调波片出来的偏振光相对于本征双折射轴的方位角；

计算机控制系统：所述计算机控制系统通过控制信号传输线路分别与所述可调光纤延时线、所述可调波片、所述偏振光方位角控制装置连接，控制偏振光的随机延时、两个正交偏振模之间的相位差和偏振光相对于本征双折射轴的方位角。

2.如权利要求1所述的偏振模色散模拟器，其特征在于，所述偏振光方位角控制装置是由三个或三个以上的旋光器链接保偏光纤组成的级联系统，所述旋光器是基于法拉第旋转效应的，由带尾纤的输入、输出光纤准直器、磁光晶体和螺线管构成，所述带尾纤的光纤准直器把输入光纤中的光准直导入到所述磁光晶体，在所述螺旋管中通过的随机电流产生的外磁场的作用下，使所述磁光晶体的介电张量发生变化，产生法拉第旋光效应，从而使输入光的偏振方向发生旋转，然后通过所述输出光纤准直器和尾纤输出。

3.如权利要求2所述的偏振模色散模拟器，其特征在于，所述旋光器选用的磁光晶体为钇铁石榴石晶体。

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