CN1499229A - 一种可变双折射单元及其偏振模色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变双折射单元及其采用该单元的PMD补偿器，所述可变双折射单元包括啁啾光纤光栅和压力产生装置，所述啁啾光纤光栅位于压力产生装置的挤压方向上。而一种采用该可变双折射单元的偏振模色散补偿器，包括偏振控制器，偏振度检测器，中央控制单元，其中所述偏振控制器接收入射光，并调整光信号的偏振态，该偏振模色散补偿器还包括：可变双折射单元。通过在光通信中使用该可变双折射单元及PMD补偿器，可实现双折射的连续可调，从而实现偏振态之间的差群延时的连续可调，从而降低了软件算法的难度和成本，提高了补偿的精度。

Description

一种可变双折射单元及其偏振模色散补偿器

技术领域

本发明涉及一种可变双折射单元及其偏振模色散补偿器，特别涉及光通信系统中利用应力改变线性啁啾光栅折射率的单元及其采用该可变双折射单元的偏振模色散补偿器。

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，l为光纤的长度。

当l＜＜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l＞＞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降低信噪比(Signal tonoise 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

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：

$X_M=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{X}_i^2{L}_i}{\mathrm{\Σ}{L}_i}}---(I=\mathrm{1,2}...M)---\left(6\right)$

其中，X_M是串连光纤链路的PMD值，X_i是单根光纤的PMD，L_i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，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 ofPolarization，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981194.0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4是用可变延时线作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3和图4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4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3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，需要提供一种补偿器，用于补偿高速光通信系统中的偏振模色散。

发明的概述

本发明的一个目的是提供一种可变双折射单元，利用该可变双折射单元的压力产生装置对光纤的挤压，从而连续改变啁啾光纤光栅的双折射率。

本发明的另一目的是提供一种采用所述可变双折射单元的PMD补偿器，通过双折射的连续可调，从而实现对入射光的差分群延时的连续可调，增大调节速度和精度，同时降低软件算法的难度和成本。

为实现本发明的目的，我们提供一种可变双折射单元，其包括啁啾光纤光栅和压力产生装置，所述啁啾光纤光栅位于压力产生装置的挤压方向上。

所述的可变双折射单元，其中所述啁啾光纤光栅的双折射率的变化随着所述压力产生装置对其径向挤压作用在一定范围内连续可调。

所述的可变双折射单元，其中还包括一个三端口光环路器，其中三端口光环路器的第一端口接收光信号，第二端口与啁啾光纤光栅相连，第三端口输出光信号。

所述的可变双折射单元，其中所述压力产生装置是压电陶瓷，所述啁啾光纤光栅缠绕在压电陶瓷上，外围再套上一个光滑的金属外套，该金属外套紧贴在光纤光栅上。

为实现本发明的另一目的，我们提供一种偏振模色散补偿器，包括偏振控制器，偏振度检测器，中央控制单元，其中所述偏振控制器接收入射光，并调整光信号的偏振态，其特征在于该偏振模色散补偿器还包括：可变双折射单元，所述可变双折射单元包括啁啾光纤光栅和压力产生装置，所述啁啾光纤光栅位于压力产生装置的挤压方向上。

所述的偏振模色散补偿器，其中所述可变双折射单元还包括三端口光环路器，其中三端口光环路器的第一端口与偏振控制器的输出相连，第二端口与啁啾光纤光栅相连，第三端口通过分束器输出并与偏振度检测器相连，所述偏振控制器控制两个正交的偏振主态，以使在时间上超前的偏振主态进入光纤光栅因挤压而产生的慢轴中，时间滞后的偏振主态进入光纤光栅因挤压而产生的快轴中。

所述的偏振模色散补偿器，其中所述压力产生装置为压电陶瓷，所述啁啾光纤光栅缠绕在压力产生装置上，外围再套上一个光滑的金属外套，该金属外套紧贴在光纤光栅上。

所述的偏振模色散补偿器，其中所述中央处理单元根据偏振度检测器所输出信号的偏振度的大小，生成两路反馈信号，一路反馈信号与偏振控制器相连，用于控制偏振控制器的输出偏振态，另一路反馈信号与压电陶瓷的输入端相连，控制压电陶瓷上所施加的电压的大小。

与现有技术相比，本发明的主要优点是，与现有技术相比，本发明的主要优点是，第一，与使用固定长度的保偏光纤作为时延单元的PMD补偿器来说，本发明可实现双折射的连续可调，从而实现DGD的连续可调，补偿效果会更好。第二，与采用两段保偏光纤中间加一个偏振控制器作为时延单元的PMD补偿器相比，本发明的反馈控制信号路数较少，从而降低了软件算法的难度和成本，第三，和采用可变时延线的方法相比，本发明的DGD调节使用的是电压的调节而没有机械部分，所以调节速度更快，能够更好的跟踪一阶PMD的变化，补偿的精度也就会更高。

附图说明

图1是偏振模色散的形成图；

图2是偏振模色散的形成及补偿示意图；

图3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4是用可变延时线作PMD补偿器的PMD补偿系统原理图；

图5是本发明的PMD补偿器的结构图；

图6是双折射啁啾光纤光栅产生的时延差的示意图；

图7是侧向挤压啁啾光纤光栅的原理图；

图8是本发明的PMD补偿器在光通信系统中的应用示意图。

具体实施方式

参考图5，从图5中可以看出，本发明的PMD补偿器的结构包括以下四个部分：1、偏振控制器；2、可变双折射单元；3、DOP(偏振度)监测单元；4、中央控制单元。就本发明采用的反馈控制结构而言，如我们前面所介绍的，是一种被业界普遍采用的结构，而其中的第二部分(即可变双折射单元)为本发明的核心内容。

所述的可变双折射单元主要包括啁啾光纤光栅(即chirp FBG)和压力产生装置，其中啁啾光纤光栅位于压力挤压装置的挤压方向上。另外该可变双折射单元还包括一个三端口光环路器(Opticalcirculator)，其中三端口光环路器的第一端口与偏振控制器的输出相连，第二端口与啁啾光纤光栅相连，第三端口通过分束器输出并与偏振度检测器相连。

所述的压力产生装置可以有多种不同的装置，本发明主要给出一种压电陶瓷，通过给该压电陶瓷加电，使其在径向上产生尺寸变化，其中，将啁啾光纤光栅缠绕在压电陶瓷上，外围再套一个光滑的金属外套，金属外套紧贴在光纤光栅上，这样，当压电陶瓷径向发生变化时，由于金属外壳是不变化的，这样就对啁啾光纤光栅形成挤压，从而改变其双折射率。

当然，挤压的方法和压力产生装置有很多种，本发明中虽然只详细地列举了其中一种，但不排除其他的压力产生装置。例如，还可以将光纤夹在两个平滑的直板之间，然后通过挤压两个板子，来实现对光纤的挤压，以改变其双折射。只要压力均匀，使光纤光栅的侧向挤压力大小相等，就可以使双折射率的变化均匀一致，但是若用直板来挤压，虽说理论上没有问题，但实际上的操作起来不方便。以下以采用压电陶瓷为压力产生装置的本发明的优选实施例来说明PMD补偿器的工作过程，以及可变双折射单元的工作原理。

本发明的PMD补偿器的工作过程为：从输入端输入的带有PMD的光信号，经过偏振控制器进行偏振态的调整后进入三端口光环行器的1端口，光从端口1进入端口2经过啁啾光纤光栅反射进端口3，从端口3输出的光信号一路进入光接收机，另外分一路作为PMD检测信号，即监测输出信号的偏振度(DOP)的大小，中央处理单元通过对DOP的监测生成两路反馈信号，一路反馈信号用来控制偏振控制器的输出偏振态，使输入信号的主偏振态中在时间上超前的一个偏振主态进入光纤光栅因挤压而产生的慢轴中，时间滞后的一个偏振主态进入光纤光栅因挤压产生的快轴中；另一路反馈信号用来控制压电陶瓷上所加电压的大小，来控制压电陶瓷在径向的伸缩量，最终通过改变侧向挤压力的大小来改变DGD(差分群时延)的大小，使其在数值上等于输入光信号PMD的大小。这样，通过整个PMD补偿器的自适应调整，使DOP值达到最大(0.9到1之间)最终实现补偿一阶PMD的作用。

下面我们重点介绍本发明的核心内容“可变双折射单元”的工作原理。它是利用了压电陶瓷产生的侧向压力改变啁啾光纤光栅侧向的折射率，从而使某一频率入射光的两个正交偏振态分量，在光纤光栅中的反射位置产生差异，最终形成两个偏振态之间的差分群时延(DGD)。

啁啾光纤光栅的因为双折射而产生群时延差的现象如图6所示，由于两正交方向的折射率不同，使同一波长的反射点的位置相差□L，从而产生群时延差：

$\mathrm{DGD}\left(\mathrm{\λ}\right)=|D_x\left(\mathrm{\λ}\right)-D_y\left(\mathrm{\λ}\right)|=\left|C\right|\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=\left|C\right|2\mathrm{\Δn\Λ}=\left|C\right|\frac{\mathrm{\Δn}}{n}\mathrm{\λ}---\left(7\right)$

上式中，C为光纤光栅的色散系数，Δn为双折射的大小，Λ为光栅间距，从(7)式我们可知，在给定波长的情况下，DGD和双折射成正比关系。即通过调节双折射的大小就可以调节DGD的大小。事实上，对于任何光纤施加应力都会改变其折射率而引起双折射，在此我们主要是用到了啁啾光纤光栅的大的色散值和对特定波长的反射作用。

线性啁啾光纤光栅的典型参数为：|C|＝1000ps/nm，λ＝1550nm，n＝1.447。我们可以得到以下关系式：

$\mathrm{DGD}=1000\×\frac{\mathrm{\Δn}}{n}\×\mathrm{\λ}=1.07118\×{10}^6\·\mathrm{\Δn}---\left(8\right)$

由(8)式可知，当Δn的变化范围在10^-6到10^-4之间变化时，DGD的变化范围大约在1～100ps之间，也就是说DGD可以通过对双折射的调节实现连续可调，这对于一阶PMD补偿来说是非常重要的。那么如何通过侧向压力的变化来实现双折射在以上范围内的变化呢，我们接下来详细地说明这个问题。

能够引起普通光纤双折射的因素包括应力、弯曲和扭曲等。在这里我们只考虑弯曲和应力，因为这两种影响在本发明中是最明显的两个因素。首先让我们看一下弯曲引起的双折射，我们知道，弯曲双折射可以表示为：

$B_b=\frac{{\mathrm{\δ\β}}_b}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{4}{n}^2(1+v)(p_{12}-p_{11}){\left(\frac{A}{R}\right)}^2---\left(9\right)$

式中，n为纤芯折射率，v为泊松比；p11，p12为光弹张量，A为光纤外径，R为弯曲半径。对于石英光纤可得

$B_b=0.093{\left(\frac{A}{R}\right)}^2---\left(10\right)$

当A＝2.5×10^-6m时，

$B_b=5.8125\×{10}^{-11}\×{\left(\frac{1}{R}\right)}^2---\left(11\right)$

由此我们可以推算出，当弯曲半径在厘米级时，引起的双折射在1E-8量级，根据(8)式可知，由弯曲引起的DGD在10^-2皮秒量级，所以我们可以忽略由弯曲引起的双折射。

对于应力双折射，若两个正交方向之间的应力差为Δσ＝σ_x-σ_y时，如图7所示，则在这两个方向上的折射率之差为

$\mathrm{\Δn}=\frac{n^3}{2E}(1+v)(p_{12}-p_{11})\mathrm{\Δ\σ}---\left(12\right)$

上式中，E为杨氏模量，对于石英光纤E＝7.0×10¹⁰Pa，v＝0.17，p₁₁＝0.121，p₁₂＝0.270，若n＝1.447，则有

Δn＝3.7727×10^-12×Δσ----------------(13)

又因为 $\mathrm{\Δ\σ}={\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y=\frac{2F}{\mathrm{\πLD}}-(-\frac{6F}{\mathrm{\πLD}})=\frac{8F}{\mathrm{\πLD}},$ 其中L为受挤压的光纤光栅长度，D为光纤直径，F为所受的挤压力。设L＝12cm，D＝125微米，所以有

Δn＝6.4047×10^-7F-----------------(14)

可见，当压力在1牛顿到100牛顿范围内变化时，大约可以实现1皮秒至70皮秒的DGD变化范围，这种压力在实际压电陶瓷的应用中是非常容易实现的。

综上所述，弯曲造成的双折射在数量级上可以忽略不计，而由于侧向挤压产生的双折射可以在100皮秒范围内实现DGD的连续调节，从而实现本发明的对一阶PMD的补偿，而这正是本发明的关键技术所在。

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 (10)

1.一种可变双折射单元，其特征在于包括啁啾光纤光栅和压力产生装置，所述啁啾光纤光栅位于压力产生装置的挤压方向上。

2.如权利要求1所述的可变双折射单元，其特征在于所述啁啾光纤光栅的双折射率的变化随着所述压力产生装置对其径向挤压作用在一定范围内连续可调。

3.如权利要求1所述的可变双折射单元，其特征在于还包括一个三端口光环路器，其中三端口光环路器的第一端口(1)接收光信号，第二端口(2)与啁啾光纤光栅相连，第三端口(3)输出光信号。

4.如权利要求1或2所述的可变双折射单元，其特征在于所述压力产生装置是压电陶瓷，所述啁啾光纤光栅缠绕在压电陶瓷上，外围再套上一个光滑的金属外套，该金属外套紧贴在光纤光栅上。

5.如权利要求4所述的可变双折射单元，其特征在于所述压电陶瓷与金属外套之间的间距的径向变化是连续可调的。

6.如权利要求1所述的可变双折射单元，其特征在于所述啁啾光纤光栅在不同的位置上反射不同频率的光信号。

7.一种偏振模色散补偿器，包括偏振控制器，偏振度检测器，中央控制单元，其中所述偏振控制器接收入射光，并调整光信号的偏振态，其特征在于该偏振模色散补偿器还包括：可变双折射单元，所述可变双折射单元包括啁啾光纤光栅和压力产生装置，所述啁啾光纤光栅位于压力产生装置的挤压方向上。

8.如权利要求7所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述可变双折射单元还包括三端口光环路器，其中三端口光环路器的第一端口(1)与偏振控制器的输出相连，第二端口(2)与啁啾光纤光栅相连，第三端口(3)通过分束器输出并与偏振度检测器相连，所述偏振控制器控制两个正交的偏振主态，以使在时间上超前的偏振主态进入光纤光栅因挤压而产生的慢轴中，时间滞后的偏振主态进入光纤光栅因挤压而产生的快轴中。

9.如权利要求7或8所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述压力产生装置为压电陶瓷，所述啁啾光纤光栅缠绕在压力产生装置上，外围再套上一个光滑的金属外套，该金属外套紧贴在光纤光栅上。

10.如权利要求9所述的偏振模色散补偿器，其特征在于所述中央处理单元根据偏振度检测器所输出信号的偏振度的大小，生成两路反馈信号，一路反馈信号与偏振控制器相连，用于控制偏振控制器的输出偏振态，另一路反馈信号与压电陶瓷的输入端相连，控制压电陶瓷上所施加的电压的大小。

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