CN1309305A - 用于一级偏振模式色散的补偿装置的改进的畸变分析仪 - Google Patents

Abstract

光信号在通过光传输光纤时遭受的偏振模式色散效应在一个利用双折射补偿器的接收器中得以补偿,其中畸变分析仪重复检查补偿器输出的信号并致使补偿器根据检查的结果减小这种偏振模式的色散效应。

Description

用于一级偏振模式色散的 补偿装置的改进的畸变分析仪

本发明涉及一种光传输系统，并尤其涉及处理在此系统中所谓的偏振模式色散。

作为非对称内应力导致的纤芯中剩余双折射以及由作用到光纤上的外力导致的随机偏振耦合的结果，在光纤中发生偏振模式色散(PMD)。众所周知，PMD可以严重损耗光纤网络中信号的传输。这在以至少每个传输的波长通道10Gb/s的位速率工作的现代数字光波系统中尤其严重。

D.A.Fishman等人在1999年7月27日提交的美国专利申请US5,930,414公开了几种减轻由PMD所致的信号损耗的不同装置。这种装置采用一种可变的光学双折射元件，在传输光纤中至少两个互相垂直的偏振态、即“主要偏振态”(PSP)中引致不同的光学时间延迟。耦接到可变双折射元件的一个光学畸变分析仪产生对该元件的控制信号。

‘414号专利中图4所示的补偿装置在两个主要偏振态之间产生一个连续可变的微分群时延(DGD)，以补偿传输光纤中的第一级PMD。这种配置与‘414号专利中图1所示时延线的一个差值在于‘414号专利中图4所示装置里的可变双折射元件的PSPs是与频率有关的。这种频率相关性(是所谓的二级PMD效应的一个重要方面)可导致光信号的极度畸变，因为光纤中的第一级PMD只能在一定的光波带上得以补偿。而且，PMD甚至可能在光谱的特定部分中增大。

在常规的非归零(NRZ)和归零(RZ)数字光信号中由二级PMD效应导致的信号畸变可以在接收到的光信号的电子谱中观察到，如同与信号位速率相关的特定频率处的能量谱的窄带“色调”，特定频率如对于NRZ信号为10GHz和对于RZ信号为20GHz。

我们实际上通过调整施加到可变双折射元件上的控制信号、使得光信号遭受最小的二级PMD来实质上减小PMD补偿装置的可变双折射元件中二级PMD导致的畸变。具体的说，通过从加权形式的控制信号中减去带通滤波器的输出信号来修正‘414号专利中图2或8的畸变分析仪产生的控制信号，其中带通滤波器被调谐到畸变分析仪输出的窄带色调。然后把修正的信号V_f提供给可变双折射元件中的偏振控制器，从而降低前述二级效应导致的畸变水平。更具体地说，修正的V_f导致PMD补偿器在传输光纤和PMD补偿器中整个二级畸变为最小的点处工作。本发明的特点尤其在于补偿器的PSPs抵销传输光纤可能产生的任何二级PMD畸变。即从传输光纤中减去而不是加上二级效应。

在下列的说明书、附图和权利要求书中阐述了本发明的各个方面。

图1是可以实施本发明原理的现有系统框图；

图2是可用于得出图1所示PMD补偿器的反馈信号的畸变分析仪框图；

图3是改进的畸变分析仪框图；和

图4是另一改进的畸变分析仪框图。

为了清楚和连续，将在美国专利US5,930,414中公开的补偿系统的全文中对本发明的特点进行讨论，该专利在此引为参考。

在单模光纤中作为纤芯中剩余双折射和沿光纤各点耦合的随机偏振的结果，发生偏振模式色散(PMD)。

众所周知，对于任何ω=ω₀的光学频率，存在由两个通常被称作主要偏振态(PSP)的正交偏振态。如果在两个PSPs中的其中一个上偏振，则经过光纤传播的光信号不产生任何显著量的微分时间延迟。

可以理解，微分群时延τ_f发生在光纤的两个PSPs之间。光信号传过光纤所经历的微分群时延(DGD)可以通过在光纤的输出中引入等量但反向的微分时延τ_c=-τ_f来补偿。利用具有前述专利中公开的偏振特性的光学元件很容易实现这一点。

光纤中的PMD随时间和/或随光学频率的变化而改变。PMD中的改变包括相应PSPs的改变以及DGD、τ_f的改变，可以通过改变补偿器中双折射的量和取向补偿，从而自适应地补偿光纤中的DGD。自适应的可变双折射补偿器可以很容易地通过设置一个偏振转换器、例如F.L.Heismann于1993年5月18日公布的美国专利U.S.5,212,743中描述的偏振转换器与一个产生可变线性双折射的元件串联而实现，其中该专利的内容在此引为参考。这种可变双折射可以通过把偏振转换器输出的信号分成两个对应于光纤的两个PSPs的正交线性偏振态、并利用上述专利’414中图1所示的各个时延线(例如，JDS Fitel Inc生产的PE3型号的偏振模式色散模拟器)延迟两个偏振态中的一个可变的时间量τ_c产生。

产生这种双折射的另一种方法如图1所示。该实施例包括高双折射单模光纤435和445的两个几乎一致的部分，其中单模光纤435和445分别在沿两个光纤的慢和快光轴偏振的光信号之间产生固定的微分时间延迟τ₁和τ₂。(光纤435和445例如可以是具有大约1.4ps/m时间延迟的光纤，如Fujikura Co.生产的SM15-P-8/125型号的光纤)。插在光纤435和445之间的第二偏振转换器有效地控制光纤435和445快轴之间的夹角。光纤435和445产生的最终的微分时间延迟τ_c可以表示成： ${\mathrm{\τ}}_c=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_1^2+{\mathrm{\τ}}_2^2+2{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)}$

它在最小值︱τ₁-τ₂︱和最大值(τ₁+τ₂)之间可连续变化。

如果以前述专利’414中的方式正确地调节偏振转换器430中产生的偏振转换和光纤435和445以及偏振转换器440产生的微分时间延迟，则补偿器425输出的信号将没有传输光纤420中发生的微分群时延导致的畸变。

反馈信号用于控制偏振转换器430中的偏振转换(即可变双折射的取向)，以及两个高双折射光纤435和445和偏振转换器440产生的可变微分时间延迟。所需的反馈信号可以通过监控脉冲畸变量而在补偿器425的输出中产生，其中脉冲畸变量是由存在于传过补偿器425之后的光信号中的微分时间延迟所致。

注意到，只需要一个反馈信号471同时调节偏振转换并调节微分延迟τ_c来实现信号中的最小畸变，其中该信号是补偿器425经常规的信号出口485输出给光纤接收器490，如图1所示并如下所述。

具体地说，补偿器425输出的部分信号经光纤出口485供给到延伸至高速光电探测器455的路径487，高速光电探测器例如可以是Hewlett Packard Co.生产的11982型号的宽带光波转换器，具有至少等于光发射器410发生的调制光信号的信息带宽。其余的信号提供给延伸到接收器490的路径486。光电探测区455把调制到光学载波信号上的高速数字信息信号转换成电信号。然后，该电信号被常规的放大器460放大并耦合到电畸变分析仪470，该分析仪测量放大的光电流中的畸变并把放大的结果转变成电压V_f提供给与畸变成比例的路径471。例如，当光信号没有一级PMD所致的畸变时，即当光纤420和补偿器425的合并的微分时间延迟基本上等于零时，电压V_f达到最大值。

如果传输光纤中的DGD限制到最大值τ_max以下，则光信号中的畸变将可以通过简单地测量具体频率f≤1(2τ_max)的接收电信号的幅值来量化。然后，此电信号的幅值可以用作一个反馈信号，自动调节PMD补偿器425中产生的DGD的取向和水平，使得反馈信号最大。

上述对插在传输系统中的总DGD的要求τ_total≤τ_max可以限制光传输光纤中补偿的DGD量τ_f，为τ_total≤2τ_f。例如，如果在10Gbps的数字传输系统中，测得接收的电信号的幅值是5GHz，则τ_f则总是小于50ps。否则，作为5GHz幅度的成份的函数产生的反馈信号在某种意义上时模糊不清的，它难于判定偏振转变的量和方向以及微分时间延迟τ_c，从而获得例如可能在反馈信号的幅值与τ_total的两个不同值相同时发生的、并且可能导致PMD补偿器425中微分时间延迟的取向和水平的不良调节的τ_total=0。

通过测量包含在传过光纤的光信息信号中的多种频率成份的幅值可以产生“模糊”的反馈信号(即τ_total的单值测量信号)，不限制可能施加到DGD的补偿水平。如补偿器的实施例所述，利用宽带电功率探测器分析整个接收到的电频谱的幅度示于图1。更具体地说，宽带电功率探测器495，例如可以是Hewlett Packard Co.生产的8474型号的二极管探测器把这些幅值转变成一个与整个高频电频谱的幅值(功率水平)的整数成正比的信号反馈电压V_f。

如上所述，图1所示的补偿装置产生一个连续地可变微分群时延(DGD)补偿第一级DGD。还如上所述，此补偿装置和前述美国专利US5,930,414的图1中所示微分时延线的一个差别在于图1中的高双折射光纤435和445以及偏振转器440形成的补偿部分在此显示出光频变化严重的主要偏振态(PSPs)。这种频率关系(是二级PMD效应的一个方面)可以使补偿器中的光学信号畸变，因为只能消除特定光学频率范围上的光纤中遭受的DGD。

我们发现，对于常规的强度调制光信号，由于的相应频率的信号位速率处频谱能量窄带“色调”的出现，可以在电畴内观察到二级PMD效应，其中，信号位速率的相应频率对于位速率10Gb/s的非归零(NRZ)格式化数字信号为10GHz，对于位速率10Gb/s 20G的归零格式化信号为20GHz。所以，由此二级PMD效应导致的畸变可以利用具有上述美国专利US5,930,414中图2和图8所示类型的、修改成在位速率频率处具有带通特性的电滤波器的畸变分析仪观察。

我们还发现，由二级PMD导致的畸变效果可以通过从图2所示畸变分析仪的输出信号中加权形式地减去调谐到窄带色调的带通滤波器的输出来处理。然后把所得的修正信号V_f提供给补偿器以减小前述二级PMD效应导致发生的畸变水平。更具体地说，修正的V_f致使补偿器移到校正DGD的区域和光信号中最大畸变的频谱区域上PSP对齐的中心点，由此减小二级PMD效应。本发明的改进还使补偿器取向成抵销信号在传输光纤中可能遇到的任何二级PMD，其方式是从传输光纤中遇到的二级PMD畸变中减去而不是加上补偿器中产生的二级PMD畸变。

图3表示一种产生前述修正的控制信号Vf的修改的畸变分析仪的实施例，其中如上所述，放大器460把放大的电信号提供给畸变分析仪。常规的三路分束器810把放大信号分成三个分别提供给宽带功率探测器820、低通滤波器825和带通滤波器840的信号。常规方式的探测器820传递一个信号(如与信号的整个频谱的功率成正比的电压水平)到达常规相加电路850的加法器端口851，另一方面，低通滤波器825只允许频谱低于例如2.5GHz的电信号部分通到探测器830。然后把信号出射探测器830提供到相加电路850的加法器端口852。带通滤波器840对从三路分束器810接收到的信号滤波并只通过在预定频段如以10GHz为中心的1GHz波段内的信号。然后经探测器845把信号出射滤波器840提供给相加电路850的负端口853。相加电路850以常规的方式从经端口851和852接收到的信号和中减去经端口853接收到的信号。然后畸变分析仪输出一个反馈信号V_f，该信号反面加重信号预定频谱周围的频谱，如10GHz周围的频谱。根据本发明的一个方面，这种加强致使补偿器、如图1所示的补偿器425以高频振荡的形式基本上消除二级PMD效应导致发生的频率色调。

由上述美国专利US5,930,414中的方程(9)表示的反馈电压V_f以及图3中畸变分析仪产生的修正的反馈电压V_f可以由于PMD补偿器425中(如偏振转换器中)产生的与偏振有关的损耗(PDL)的存在而减小。反馈信号V_f可以从两步平方律检波中推出，并因此与总的接收到的光信号平方成正比。我们已经认识到，用光电探测器455接收到的平均光功率的平方除反馈电压实质上减小补偿器425中与偏振有关的损耗的反作用，并因此产生较高水平的PMD补偿。

根据本发明的一个方面，这种精确度可以通过利用图4中所示的电路设置达到，其中分频器1005以常规的方式把高速光电探测器455(也示于图1)输出的电信号分成高频(AC)成份和低频(DC)成份。在本发明的实施例中，分频器例如可以有一个或多个常规的互阻抗LC电路。包含与高速数字信号中的畸变有关的信息的高频成份在选择放大后提供给畸变分析仪1010，也可以是例如图2或3所示的畸变分析仪。具有与接收到的平均光功率成正比的水平的低频(DC)成份被提供给常规的模拟平方电路1020。(在本发明的实施例中，平方电路例如可以是一个具有两个输出端连接在一起的模拟乘法器)。然后，把平方电路1020输出端的信号提供给常规模拟触发器1030的分母端D。从畸变分析仪1010得到的反馈电压V_f0提供给除法器电路1030的分子端(N)。最后的商提供到分发器1030的输出端成为反馈信号V_f，该信号已被接收到的光功率归一化，消除了PDL所致的光功率涨落效应。

对PMD补偿器425中发生的不希望的偏振-损耗效应的响应的降低以及自动偏振转换器控制电路的所需动态范围的减小是从本发明上述特征取得的优点。

以上仅仅举例说明了本发明的原理。本领域的技术人员可以作出多种在此没有明显表示和描述但仍实施本发明原理的那些处于本发明实质和范围内的设置。例如，根据前述内容，对于熟练的操作者来说，高级PMD效应仅通过根据需要扩充补偿器、如补偿器425以包括高双折射光纤的附加部分和偏振转换器来处理是显而易见的。

Claims (10)

1．一种补偿器，用于补偿在具有主要偏振态的光传输光纤中发生的偏振模式色散效应，补偿器包括：

一个偏振转换元件，用于对光传输光纤上接收到的光信号的主要成份偏振方向重新取向，

一种装置，用于把耦合到偏振转换元件输出端的信号分成预定数量的信号，每个信号具有一种垂直于两个主要偏振态中相应一个的取向的偏振态，该装置还用于延迟每个分割的信号一个可变的时间量；和

分析仪装置，具有一种把装置输出信号的一部分转变成电信号的光转换器和用于把转换的信号分成多个信号并分别把分开的信号提供给第一、第二和第三分析仪部分的装置，其中第一分析仪部分通过输出信号的整个频谱，第二分析仪部分只通过整个频谱中低于预定频率的部分，第三分析仪部分通过整个频谱的预定频带，其特征在于畸变分析仪包括相加第一和第二部分的输出并从相加的和中减去第三部分的输出以产生一个畸变指示、并用于把畸变指示提供给偏振转换元件的设置和所述的装置，并且其特征还在于响应于畸变指示的水平变化的偏振转变元件和装置分别改变每个偏振态的取向和可变的时间量直到畸变指示达到预定的水平。

2．如权利要求1所述的补偿器，其特征在于第一部分包括一个宽带电功率探测器，第二部分包括一个与宽带电功率探测器串联的低通滤波器，第三部分包括一个与宽带电功率探测器串联的带通滤波器。

3．如权利要求1所述的补偿器，其特征在于补偿器还包括接收装置，用于处理输出信号的所述部分以产生AC和DC成份，把AC成份提供给分束器以产生多个信号，把DC成份提供给对DC成份的值取平方的信号平方装置，还包括用平方的信号值除相减所得的值并把相除的商作为畸变指示输出的装置。

4．一种补偿器，用于补偿在具有主要偏振态的光传输光纤中发生的偏振模式色散效应，补偿器包括：

一个偏振转换元件，用于对光传输光纤上接收到的光信号的特定成份的偏振重新取向，

一种装置，用于把耦合到偏振转换元件输出端的信号分成预定数量的信号，每个信号具有一种垂直于两个主要偏振态中相应一个的取向的偏振态，该装置还用于延迟每个分割的信号一个可变的时间量；和

接收装置，具有一个把装置输出信号的一部分转变成预定的信号并由转换的信号产生AC和DC成份的信号的光转换器，其中接收器把AC成份的信号提供给畸变分析仪，测量AC成份中至少第一级PMD畸变的水平并输出一个表示此畸变水平的信号，还把DC成份提供给信号平方装置，并且其中补偿器还包括：

除法器装置，用平方了的信号水平除指示所述畸变的信号水平并把所得的商信号作为畸变指示提供给偏振转换元件和上述的装置，并且其特征还在于响应于畸变指示的水平变化的偏振转变元件和装置分别改变每个偏振态的取向和可变的时间量直到畸变指示达到预定的水平。

5．如权利要求4所述的补偿器，其特征在于畸变分析仪包括一种装置，用于把AC成份分成多个信号并把分开的信号分别提供给第一、第二和第三分析仪部分的装置，其中第一分析仪部分通过输出信号的整个频谱，第二分析仪部分只通过整个频谱中低于预定频率的部分，第三分析仪部分通过整个频谱的预定频带，并且其中畸变分析仪还包括相加第一和第二部分的输出并从相加的和中减去第三部分的输出以产生一个畸变指示、并把相减的结果作为分子提供给除法器装置。

6．如权利要求5所述的补偿器，其特征在于第一部分包括一个宽带电功率探测器，第二部分包括一个与宽带电功率探测器串联的低通滤波器，第三部分包括一个与宽带电功率探测器串联的带通滤波器。

7．如权利要求4所述的补偿器，其特征在于畸变分析仪包括一种把AC成份分成多个信号并把分开的信号分别提供给第一和第二分析仪部分的装置，其中第一部分包括一个宽带电功率探测器，第二部分包括一个与宽带电功率探测器串联的低通滤波器，畸变分析仪还包括一个加法器电路，用于合并第一和第二部分的输出并将和信号提供给除法器装置。

8．如权利要求4所述的补偿器，其特征在于畸变指示器是一种反馈电压。

9．一种畸变分析仪，包括：

转换装置，把光学装置输出的信号转换成电信号并把转换的信号分成多个信号；和

第一、第二和第三分析仪部分，用于接收多个信号中的每一个，使得第一分析仪部分通过输出信号的整个频谱，第二分析仪部分只通过整个频谱中低于预定频率的部分，第三分析仪部分通过整个频谱的预定频带，和

一种装置，用于相加第一和第二部分的输出并从相加的和中减去第三部分的输出以产生一个畸变指示、并把畸变指示提供给光纤装置装置。

10．一种装置，包括：

转换器装置，把光学装置输出的信号转换成电信号，

一个接收器，用于把电信号转换成AC和DC成份，把AC成份的信号分成多个信号，把把AC成份的信号提供给畸变分析仪的各个部分，

平方装置，把DC成份的值平方，和

除法器装置，用平方了的信号值除畸变分析仪的输出，并把所得的商信号作为畸变指示提供给光学装置，响应于畸变指示的接收的光学装置改变输出信号的水平直到畸变指示达到预定的状态。

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