CN1482480A - 偏振模色散补偿方法及其补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏振模色散补偿方法及补偿器，用于解决光通信系统中的偏振模色散补偿。所述偏振模色散补偿器包括偏振控制器，检测器和控制器，所述偏振控制器接收入射光，对其偏振态进行调整，并输出光信号，其中所述偏振模色散补偿器还包括，偏振分束器，它直接接收来自偏振控制器的光信号，将该输入光的两个相互垂直的偏振主态分开，然后分别输出两个正交偏振分量；其中所述检测器接收来自偏振分束器一个输出端的一个正交偏振分量，对其进行检测，并输出检测信号；所述控制器根据检测信号生成一控制信号，用于对偏振控制器进行控制。由于没有延时电路从而大大降低了PMD补偿器的硬件成本，使监测信号容易获得，反馈控制信号路数大大减少。

Description

偏振模色散补偿方法及其补偿器

技术领域

本发明涉及一种偏振模色散补偿方法及其补偿器，特别涉及一种光通信系统中具有一阶及二阶偏振模色散补偿功能的偏振模色散补偿方法及其补偿器。

背景技术

PMD(polarization mode dispersion，偏振模色散)是指在单模光纤中传输的两个相互正交的偏振模式LP₀₁ ^X和LP₀₁ ^Y，在光纤中经过一定距离的传输后的到达时间差。PMD的量度单位为Ps。在理想情况下，在光纤准直、横截面为标准的圆形，折射率分布处处均匀对称且各向同性的理想情况下，LP₀₁ ^X和LP₀₁ ^Y的传输常数βx和βy相等，两个偏振模式是完全二度兼并的(传播常数相同)，在传输过程中互不影响。

但是，在实际情况下，在光纤的生产、成缆、敷设，以及其周围环境改变等过程中，都会不可避免的使光纤的折射率沿不同的方向产生不同的变化，即呈现双折射效应。图1是偏振模色散的形成图，从图1可以看出，经过一定时间的传输，在传输方向上由于LP₀₁ ^X和LP₀₁ ^Y的传输常数βx和βy不一样而产生一定的PMD。另外，当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身的不完整性，也能导致双折射。而这种双折射效应会直接导致两正交的偏振模式具有不同的相速和群速，从而失去了兼并，产生PMD。

双折射是产生偏振模色散的根源。双折射包括固有双折射和感生双折射，其中，固有双折射主要是指在光纤的制造过程中由材料和制造工艺等方面引起的双折射，感生双折射是指由外力通过光纤介质的光弹效应引起的双折射，与前者相比，感生双折射更加具有随机性的特征。

综合考虑固有双折射(其中包括：几何双折射、应力双折射)和感生双折射(其中包括：弯曲、侧向力、旋扭外加电场和外加磁场)，忽略它们之间的干扰，认为它们是不相关的，则总的双折射可以表示为：

Δβ＝Δβ_G+Δβ_s+Δβ_bF+Δβ_f+Δβ_c+Δβ_E+Δβ_h  -----(1)

在没有模式耦合的情况下，相应的单位长度上的PMD可以简单的表示为：

而当两个偏振模式之间的传播速度差非常小时，外部的影响很容易使两个偏振模式之间发生能量交换，即产生模式耦合。一般来说外部影响具有随机性，因此，这种模式耦合也就具有随机性的特点，它对PMD的性能有很重要的影响作用。

PMD与光纤的平均总双折射Δτ及平均偏振模耦合长度h有如下关系：

上式中，1为光纤的长度。

当1＜＜h，两个偏振模之间的耦合可以忽略，则：

在时域，PMD效应体现为分别沿快、慢轴传输的光脉冲分量之间的时延差，这一时延差使得光经过一段传输后，总的光脉冲将展宽，从而限制了光通信系统的传输速率。对于短光纤而言，PMD的值随着传输长度线性增加，单位为ps/km^1/2。

当1＞＞h时，(3)式右边括号内的值约为2l/h，有：

当光脉冲沿长光纤传输时，由于外部因素的变化，如温度的变化等，会引发模式耦合，即快、慢模式之间的能量交换。由于外界变化的随机性，模式耦合也是随机发生的。从上式中我们可以看出，对于长光纤，PMD是随着传输长度的平方根值增长的。单位为

模式耦合不仅仅简单地决定了PMD与光纤长度的关系，而且也是PMD对温度、振动、光源波长的轻微抖动等因素都很敏感的原因。在同等条件下，较强的模式耦合对应着较小的偏振模色散。如C.D.Poole在1991年的实验中证明了PMD对温度变化的敏感度，不仅PMD的值随着温度的变化而变化，同时它的变化速率也依赖于温度变化的速度。温度恒定时，PMD几乎没有什么明显的变化，当温度快速增加时，PMD的波动也显著增加。

PMD在数字系统中引起脉冲展宽，导致误码率增高，限制系统的带宽；在模拟系统中引起信号失真，限制信道数量。直到几年以前，在数字和模拟系统中，当数据传输率较低和距离相对较短时，PMD对单模光纤系统的影响微不足道。随着对带宽需求的增长，特别是在10Gb/s、40Gb/s及更高速率的系统中，PMD开始成为限制系统性能的重要因素。因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比(Signalto noise ratio，SNR)。

由PMD限制的系统最大传输距离，即ITU-T建议的以1dB功率代价为参考的最大传输距离，从理论上可由下面公式得出：

根据上式，可将PMD限制的最大传输距离列于下表，该表给出了传输距离对PMD和比特率的关系

)	最大传输距离(km)
					2.5 Gbit/s	10Gbit/s	40Gbit/s
3	180	11	＜1
				1	1,600	100	6
0.5	6,400	400	25
				0.1	160,000	10,000	625

由于PMD的统计特性，单根光纤(或成缆后的光纤)的PMD指标不适于作为系统容量的指标。反之，链路值(即相连的光纤段)经常被使用。由于每根光纤段是随机量，因而链路值也是一个随机量，由于平均效应它具有更小的方差。PMD链路值由下面的公式表述： $X_M=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΣX}}_i^2{L}_i}{{\mathrm{\ΣL}}_i}}$ (I＝1、2...M) -------(6)

其中，是串连光纤链路的PMD值，Xi是单根光纤的PMD，Li是串连光线段的长度，M是串连光纤的数目。PMD的链路值更准确更有效的反映了系统PMD值，而且能够充分利用光纤的真正潜力。

通过传输光纤传播光信号经受的偏振模色散效应，是利用接收处的时延补偿器或者双折射补偿器得到补偿，其中补偿器自动和自适应产生一个微分时间延迟量，大致等于光信号经受的微分时间延迟，基本上抵消了不希望有的延迟。例如，参考图2，从图2可以看出，当一路光信号通过光纤经过一定距离的传输之后，光脉冲的两个偏振主态(Principal State of Polarization，PSP)产生了10ps的延迟，即其中一个偏振主态超前另外一个偏振主态，为了设法抵消这个延迟量，我们需要使走得快的一个偏振主态通过PMD补偿器以后产生10ps的延迟，而另一个偏振主态不延迟，然后又使两个偏振态耦合在一起，这样抵消了两个偏振主态之间的时延，最终达到补偿PMD的作用。

目前已经公开的美国专利98119194公开了利用保偏光纤作延时补偿器和用可变时延线做补偿器两种方案。图3是用可变延时线作PMD补偿器的PMD补偿系统原理图，图4是偏振控制器加保偏光纤作PMD补偿器的PMD补偿系统原理图。从两个不同的方案可以看出，无论是哪一种方案，整个PMD补偿系统一般都包括四个主要部分，一是偏振控制器，用于主轴的对准；二是PMD补偿器，用于抵消系统产生的PMD量；三是PMD检测器，用于测试PMD值的大小，生成监测信号；四是反馈控制器，用于反馈信号大小的生成和对偏振控制器或可变时延线的控制。从图2和图3给出的PMD补偿系统原理图中可以看出，两个系统的不同之处是采用了不同的PMD补偿器(偏振模间可变延迟单元)。

从上述两个补偿系统可以看出，图3所述技术方案的优点是需要控制的参量较少(偏振控制器三个参量，可变时延线一个参量)，所以算法简单，比较容易实现，但缺点是反馈速度较慢，主要是在可变时延线中是通过透镜的水平移动来实现一路的时延，所以反应速率受到一定的限制，而且对透镜与光纤之间的准直要求很高，否则将会产生较大的衰减。

图4所示技术方案的优点是结构相对简单，反应速率高，但缺点是运算复杂(两个偏振控制器共六个参量)，软件设计成本高，而且算法的复杂度很可能牺牲部分硬件的响应速率。同时补偿的动态范围也收到一定的限制。

由此可知，在光纤通信系统中，随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加，除了色散、非线性等限制因素以外，原来不太被关注的偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)问题近来变得十分突出，特别是对于40Gbit/s以上的传输系统的长距离传输，PMD被认为是最终的限制因素。偏振模色散在数字通信系统中将造成脉冲展宽，增加误码率；在模拟通信系统中将产生高阶畸变效应，使信号失真变形。由此，需要提供一种补偿系统，用于补偿高速光通信系统中的偏振模色散。

发明内容

本发明的目的是提供一种PMD补偿方法，利用该方法可以实现PMD补偿，且反应速度快，算法简单。

本发明的另一目的是提供一种PMD补偿器，根据偏振分束器及啁啾光纤光栅进行偏振模色散补偿，且结构简单，成本较低。

为实现本发明的目的，我们提供一种偏振模色散补偿方法，其包括如下步骤：1)调整入射光的偏振态，将输入光的两个偏振主态分成两个相互垂直的正交偏振分量；2)分出一路正交偏振分量并输出，然后对其进行检测，并输出检测信号；3)根据检测信号生成控制信号，用于调整步骤1中的入射光的偏振态，以实现输出的另一输出正交偏振分量的光功率高于一个门限值；4)输出另一正交偏振分量。

所述的偏振模色散补偿方法，进一步包括如下步骤：1)接收输出的另一个正交偏振分量；2)根据所述正交偏振分量的频率在不同的位置反射光信号，然后输出所述光信号。

根据本发明的另一个方面，我们提供一种偏振模色散补偿器，包括偏振控制器，检测器和控制器，所述偏振控制器接收入射光，对其偏振态进行调整，并输出光信号，其中所述偏振模色散补偿器还包括，偏振分束器，它直接接收来自偏振控制器的光信号，将该输入光的两个相互垂直的偏振主态分开，然后分别输出两个正交偏振分量；其中所述检测器接收来自偏振分束器一个输出端的一个正交偏振分量，对其进行检测，并输出检测信号；所述控制器根据检测信号生成一控制信号，用于对偏振控制器进行控制。

所述的偏振模色散补偿器，其中所述偏振模色散补偿器还包括：环行器，至少具有三个端口，从第一个端口接收偏振分束器输出的一个正交偏振分量，并传输到第二个端口；光纤光栅，从环行器的第二个端口接收所述正交偏振分量，根据所述正交偏振分量的频率在不同的位置反射光信号，并从环行器的第三个端口输出光信号，以补偿二阶偏振模色散。

与先有技术相比，本发明的主要优点是，第一，去掉了“时延补偿器”单元，大大降低了PMD补偿器的硬件成本；第二，监测信号容易获得，反馈控制信号路数大大减少，降低了软件算法成本；第三，由于直接采取偏振分束而获取一个偏振主态的PMD补偿方法，理论上对一阶PMD的补偿范围可以达到所需要的任何值，即PMD补偿的动态范围非常大；第四，对部分二阶PMD(偏振相关色散)进行了有效补偿。

附图说明

图1是偏振模色散的形成图；

图2是PMD补偿过程示意图；

图3是用可变延时线作PMD补偿器的PMD补偿系统原理图；

图4是偏振控制器加保偏光纤作PMD补偿器的PMD补偿系统原理图；

图5是本发明的PMD补偿系统的结构图；

图6是二阶PMD的表现形式示意图；

图7是偏振相关色散补偿示意图；

图8是本发明的PMD补偿器应用于光通信系统中的示意图；

图9是本发明的实验验证原理图；

图10是有PMD补偿和无PMD补偿时Q参数与PMD大小的关系曲线图。

具体实施方式

首先参见图5，从图5可以看出，本发明包括以下几个部分：偏振控制器(PC，polarization controler)；偏振分束器(PBS，polarization beamsplitter)；三端口光环路器(Optical circulator)；用于色散补偿的啁啾光纤光栅(即chirp FBG)；光功率探测器(OPM，optical power meter)和中央控制单元(Centre Control Unit)。

本发明的工作原理与其它国外专利有所不同。在前面的论述中，我们可以发现在其他专利所描述的PMD补偿系统的结构中，都会有一个补偿器(时延器)，这个单元的主要目的就是产生一个附加的大小相等、符号相反的时延差-Δτ_c来补偿光信号经过光纤传输后在两个偏振主态(PSP)上产生的时延差-Δτ_f，最终使Δτ_f--Δτ_c＝0，即补偿了系统中的PMD影响。但是，在没有补偿器的情况下我们也可以实现对PMD的补偿。偏振主态(PSP)理论认为，在单模光纤传输中，光波的基模中存在两个相互垂直的偏振态，理想光纤的几何尺寸是均匀的，且没有其它应力，因而光波的这两个相互垂直的偏振态以完全相同的速度传播，在光纤的另一端没有任何延迟，然而在实际的光纤中，由于光纤本身的缺陷和应力，使得两个偏振主态以不同的速度传播，因而到达光纤另一端的时间也不相同，这个时延差就是我们所说的PMD。我们注意到，PMD是指存在于两个偏振主态之间的时延差，而就每一个偏振主态分量本身来说，其信号的波形是基本保持不变的(在不考虑高阶PMD的情况下)，而且在通常情况下，每个偏振主态所带的能量都大约为总能量的一半。基于以上考虑，我们就可以采取另外一种舍弃一个偏振主态而只接收另一个偏振主态信号的方法达到消除或“补偿”PMD影响的方法。为了克服可能出现的在两个偏振主态上的能量分布比例悬殊的情况，我们可以利用要舍弃的一个偏振主态的信号做监测信号，来调整输入端的偏振态，以实现使待接收的一路偏振态的信号强度维持在较强的水平。

以上我们只谈到了一阶PMD的情况，当考虑到二阶PMD时，我们需要在系统中加入其他的器件以减小二阶PMD的影响。二阶PMD的表现形式如图6所示。从图中我们可以看出，一阶PMD主要表现为两个偏振主态之间时延差，而二阶PMD则主要表现为每个偏振主态本身的展宽，这种展宽体现出了PMD的波长(频率)依赖性，类似于色散现象，我们称之为偏振相关色散(Polarization-dependent chromatic dispersion，PCD)。一阶PMD和二阶PMD在Stokes space的描述矢量分别为

和，其中， $\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}=\mathrm{\Δ\τ}\stackrel{\→}{q};---\left(7\right)$ ${\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{\ω}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ω}}\stackrel{\→}{q}+\mathrm{\Δ\τ}{\stackrel{\→}{q}}_{\mathrm{\ω}}---\left(8\right)$

从(8)式中我们可以看出，二阶PMD与频率的相关性还表现在偏振主轴的方向随频率的变化。所以，要实现对二阶PMD的完全补偿是比较复杂和困难的，本发明对二阶PMD的补偿也只是部分补偿。

本发明对一阶和二阶PMD补偿的实现过程是这样的，请参考图5，经过系统传输后的光信号从输入端口1输入，然后通过偏振控制器(PC)对其偏振态进行调整，调整的目的是使得输入到偏振分束器(PBS)的信号在其输出的两臂4和5上有一定的功率分配比，PBS的作用就是将输入光的两个偏振主态分开，经过PBS的两路相互垂直的偏振主态信号，一路从4通过6进入光环型器的输入端，一路直接进入光功率检测器(Optical power Meter，OPM)，光功率检测器将检测到的光功率作为监测信号送到控制单元生成控制信号，来控制偏振控制器，其目的就是我们前面所说的，使偏振控制器改变输入光信号的偏振态，以实现从端口4输出的光功率高于一个门限值，比如输入信号功率的一半。这样，从端口4输出的一路偏振信号实际上已经“补偿”了一阶PMD，环行器和光纤光栅的目的就是实施对二阶PMD的补偿，从环行器的输入端6输入的偏振信号，经过7端口到光纤光栅，然后通过光纤光栅对不同频率的光分量的反射位置不同实现对频率相关的二阶PMD的补偿，具体的偏振相关色散补偿示意图参考图7，从图7可以看出，所述光线从啁啾光纤光栅输入，其不同的波长信号从不同的光栅位置输出，由于路程不同，所以其输出的信号的相位也各不相同。最后光线从端口8输出。也就是说，从输入端1输入的带有PMD的信号在从输出端8输出时，已经实现了一阶PMD的补偿和部分的二阶PMD的补偿。

如上所述，我们可以采用如下方法来进行偏振模色散补偿，其包括如下步骤：1)调整入射光的偏振态，将输入光的两个偏振主态分成两个相互垂直的正交偏振分量；2)分出一路正交偏振分量5并输出，然后对其进行检测，并输出检测信号(9)；3)根据检测信号9生成控制信号，用于调整步骤1中的入射光的偏振态，以实现输出的另一输出正交偏振分量4的光功率高于一个门限值；4)输出另一正交偏振分量4。

在进行了一阶PMD补偿后，我们还可以采用下列方法来进行所述二阶偏振模色散补偿，其包括如下步骤：1)接收输出的另一个正交偏振分量4；2)根据所述正交偏振分量的频率在不同的位置反射光信号，然后输出所述光信号。

本发明在光传输系统中的应用如图8所示，当光信号经过一定距离的光纤传输之后，产生了偏振模色散(PMD)，在光接收机的前端我们加上了PMD补偿器，以消除PMD产生的脉冲展宽以及变形等影响，最终降低光接收机的信号接收误码率，提高整个光传输系统的性能。

本发明已经经过了相关实验验证。实验原理图和测试结果分别如图9和图10所示，其中，ATT为可调协衰减器，CSA8000为眼图分析仪。我们采取的是手动调节偏振控制器并同时观察光功率的变化和眼图的变化情况来确定达到最佳补偿点的。在实验中，我们用到的单模光纤具有很大的PMD值，从10图可以看出，其横坐标为平均DGD的值，纵坐标为Q值，有PMD补偿器和无PMD补偿器的Q值是不同的，具有PMD补偿器的接收光信号，其PMD的值要小得多。

在图10中还可以看出，Q值的最大值可达到平均值的三倍，即本发明的适时补偿范围可以达到180ps，与国外的报道相比，还要略大一些。

本发明的描述，详细说明和以上提到的附图并不是用来限制本发明的。对本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下可以进行各种相应的修改而不会超出本发明的精神和范围，但是这种变化应包含在本发明的权利要求及其等效范围之内。

Claims (8)

1.一种偏振模色散补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

1)调整入射光的偏振态，将输入光的两个偏振主态分成两个相互垂直的正交偏振分量；

2)分出一路正交偏振分量(5)并输出，然后对其进行检测，并输出检测信号(9)；

3)根据检测信号(9)生成控制信号，用于调整步骤1中的入射光的偏振态，以实现输出的另一输出正交偏振分量(4)的光功率高于一个门限值；

4)输出另一正交偏振分量(4)。

2.如权利要求1所述的偏振模色散补偿方法，其特征在于进一步包括如下步骤：

1)接收输出的另一个正交偏振分量(4)；

2)根据所述正交偏振分量的频率在不同的位置反射光信号，然后输出所述光信号。

3.一种偏振模色散补偿器，包括偏振控制器，检测器和控制器，所述偏振控制器接收入射光(1)，对其偏振态进行调整，并输出光信号(2)，其特征在于所述偏振模色散补偿器还包括，

偏振分束器，它直接接收来自偏振控制器的光信号(3)，将该输入光的两个相互垂直的偏振主态分开，然后分别输出两个正交偏振分量(4，5)；

其中所述检测器接收来自偏振分束器一个输出端的一个正交偏振分量(5)，对其进行检测，并输出检测信号(9)；

所述控制器根据检测信号生成一控制信号(10)，用于对偏振控制器进行控制。

4.如权利要求3所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述偏振模色散补偿器还包括：

环行器，至少具有三个端口，从第一个端口(6)接收偏振分束器输出的一个正交偏振分量(4)，并传输到第二个端口(7)；

光纤光栅，从环行器的第二个端口(7)接收所述正交偏振分量，根据所述正交偏振分量的频率在不同的位置反射光信号，并从环行器的第三个端口(8)输出光信号，以补偿二阶偏振模色散。

5.如权利要求3或4所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述检测器是光功率探测器，接收来自偏振分束器的一个输出端的正交偏振分量，并将检测到的光功率信号输出。

6.如权利要求3或4所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述控制器是一中央控制单元，接收检测器输出的光功率信号，产生一控制信号，用于控制偏振控制器以改变输入信号的偏振态。

7.如权利要求3或4所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述偏振控制器以一定的功率比将两个正交偏振分量从偏振分束器的两个输出端分别输出，并使输入到环行器的功率高于一个门限值。

8.如权利要求4所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述光纤光栅是一个啁啾光纤光栅。

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