CN1633764A - 偏振模色散补偿器 - Google Patents

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Abstract

用于补偿光传输系统中的一阶偏振模色散的方法和装置。所述装置具有：偏振控制器，用于将光纤传输的光信号的各偏振组元变换为正交偏振状态；可变延迟线，用于在各偏振状态之间引入可变差分时延并且用于产生对其进行了光纤PMD补偿的输出光信号；以及反馈单元，用于调节偏振控制器和可变延迟线，以便对光纤的PMD的变化进行补偿，反馈单元包括用于产生多个独立控制信号以便独立地控制偏振控制器和可变延迟线的各执行元件的装置。本发明缩短了执行元件的响应时间并减少了用于控制所述装置的算法的复杂性。

Description

偏振模色散补偿器
发明背景
发明领域
本发明一般涉及光传输领域。更具体地说(但不是限制)，本发明涉及光传输系统中用于补偿一阶偏振模色散的方法和装置。
先有技术说明
偏振模色散(PMD)是由于基本空间模中的偏振模简并性被光纤上小的不对称应力破坏而发生的剩余色散。这种色散可能高到足以在包括光纤的光传输系统中诱发眼图闭合度补偿(eye-closurepenalties)。当锐光谱光信号(例如在WDM(波分复用)传输中所用的信号)沿光纤传输时，所述信号可以描述为包括最快和最慢的偏振模，也称为主偏振态(PSP)。这些状态之间的微分群延迟因加在光纤上的外部条件的随机改变(例如，温度，湿度等的变化)而有所不同。因此，就可观察到通过光传输系统发送的信号的偏振衰落。
对光传输系统中衰落问题的一个建议的解决方案就是总是发射一种PSP的光线(见T.Ono，S.Yamazaki，H.Shimizu and H.Emura，Polarization Control method for Suppressing Polarization ModeDispersion in Optical Transmission System，Journal of LightwaveTechnology，vol.12，pages 891-898，1994)。但测量和监控输入的PSP需要利用光纤并且在光纤的两端之间通信，而在许多应用中，这会是个重大的问题。
一般来说，避免光传输系统中衰落的现有方法有两个相关问题：主偏振态的随机波动和微分群延迟的随机波动。能部分解决衰落问题的一种已知方法包括将一个形式为单一线性双折射元件的补偿器(例如高双折射光纤)引入到传输系统中，所述元件具有等于光纤的偏振模色散(PMD)的延迟，即，沿光纤的微分群延迟(DGD)的平均值(见T.Takahashi，T.Imai and M.Aiki，Automatic CompensationTechnique for Timewise Fluctuating Polarization ModeDispersion in In-line Amplifier Systems，Electronic Letters，vol.30，no.4，page 348，February，1994，以及R.Noe，D.Sandel，M.Yoshida-Dierolf和其它人，Polarization Mode DispersionCompensation at 10，20 and 40Gb/s with various OpticalEqualizers，Journal of Lightwave Technology，vol.17，no.9，page1602，September，1999)。偏振变换器使光纤的偏振主模(PSP)与延迟元件的偏振主模相匹配，以便从其中一个的延迟中减去另一个的延迟。
此方法的一个缺点是仅对DGD的平均值作了补偿。而且，当光纤的DGD变小时，补偿器会实际上降低光传输系统的性能。
使用可变延迟元件可以克服这些缺点(例如，见上述R.Noe等人的出版物，以及B.W.Hakki，Polarization Mode DispersionCompensation By Phase Diversity Detection，IEEE PhotonicsTechnology Letters，vol.9，no.1，page 121，January，1997；F.Heismann，D.A.Fishman and d.L.Wilson，Automatic Compensationof First-Order Polarization Mode Dispersion in a 10Gb/sTransmission System，ECOC’98，Madrid，Spain，pages 529-530，September，1998；以及美国专利No.5,930,414)。这种方法仍有一个问题就是如何控制偏振变换器来自动进行轴线的调节。一种建议的解决方案涉及在接收器中分离部分光信号并测量其偏振度(见S.Lamp，J-P.Thiery，D.Pennickx，J_P.Hamaide，J-P.Soigne，B.Desthieux，J.Le Briand，L.Mane and P.Gavignet，Field OpticalPMD Compensation at 10Gb/s Over Installed Fiber Totalling 35psof ECOC 2000，Munich，Germany，pages 207-208，September，2000)。
以上提到的美国专利No.5,930,414提出了对此问题的又一个解决方案。此专利说明了一种自动补偿一阶PMD的方法和装置，所述方法和装置基于在光传输系统的末端引入作为可变延迟线的可变双折射元件。偏振变换器使光纤的输出主偏振态对准到可变延迟线的轴线。对准是基于对通过光纤传播的光信息信号中所含有的多个频率成分进行幅度测量而自动完成的。此过程避免了控制系统中的多义性，控制系统可以跟踪偏振状态到对应于RF功率局部最大值而不是绝对最大值的情况。
通常，当光传输系统的偏振状态迅速变化时在许多现有的补偿方法中就会发生问题，且补偿器的响应时间极限也限制了它跟随这些变化的能力。经常是，响应时间太长，以致光传输系统不能保持其同步。
在各种建议的补偿装置中限制响应时间的主要因素包括装置的执行元件中所用材料的响应时间，以及用来控制装置工作的算法的复杂性。在这方面，已知的补偿装置通常测量少数几个参数，然后用它们作为给执行元件的反馈信号。一般，反馈信号来自于光谱滤波(1/(2T)和1/(4T)的功率信号，其中T是系统时钟频率的周期)，误码率，或偏振度。例如，在美国专利No.5,930,414中，以同一高频颤动频率调制所有执行元件，并且通过检测到的信号的相位将所述各执行元件相互区别。如果使用多于两个的执行元件，则独立参数的数量必需小于执行元件的数量。如果有三个或三个以上的执行元件，使各对执行元件同步就可克服此困难。
所以，需要有一种补偿光传输系统中偏振模色散的方法和装置，它应能减小装置中所用执行元件的响应时间和降低用来控制装置的算法的整体复杂性。
发明概述
本发明提供一种补偿光传输系统中偏振模色散的方法和装置，和已知补偿装置相比，它缩短用于装置中的执行元件的响应时间；并且同时降低用来控制所述装置的算法的复杂性。
按照本发明的一个方面，用于补偿在光传输系统的光纤中发生的偏振模色散(PMD)的装置包括：偏振控制器，用于将光纤传输的输入光信号的各偏振组元变换为正交偏振状态；可变延迟线，用于在各偏振状态之间引入可变差分时延并用于产生对其在光纤的PMD方面进行了补偿的输出光信号；以及反馈单元，用于调节偏振控制器和可变延迟线，以便对光纤中PMD的变化进行调节，反馈单元包括用于产生多个独立控制信号的装置，所述多个独立控制信号用于独立地控制偏振控制器和可变延迟线的各执行元件。
在本发明中，独立控制信号与PMD补偿装置的每个执行元件相关联。因此，可以使所有执行元件同时工作，这显著地缩短了补偿装置的整体响应时间。因此，本发明的补偿装置能更好地跟踪光纤PMD的快速变化并对其进行调节。
按照本发明目前的优选实施例，用于产生多个独立控制信号的装置包括：检测器，用于将部分输出信号变换为电信号；以及多参数测量处理器，用于处理电信号以调节装置中的执行元件。多参数测量处理器包括：分离器，用于将电信号分成两个信号；一对频谱滤波器，用于以F1和F2对所述两个电信号进行滤波，这一对频率在系统工作的频谱带宽内，且F1＜F2(最好是0.5F2≤F1≤0.7F2)；以及检测器，用于将滤波后的电信号转换成高频颤动信号。在分离器每个支路中的电滤波和检测提供了多个强度信号，每个强度信号处于一个不同的高频颤动频率。然后检测和处理每个高频颤动信号的强度和相位，以便确定每个执行元件所需的调节。
按照本发明的又一个方面，提供一种控制算法，它使用检测到的高频颤动信号的强度和相位来确定用于调节每个执行元件的控制信号，根据适当定义的相应的高频颤动信号强度的函数来进行每次调节。
结合对本发明目前优选实施例的以下详细说明，本发明的其它优点和具体细节将变得显而易见。
附图简要说明
图1是示意地说明按照本发明目前优选实施例的包括偏振模色散(PMD)补偿装置的光传输系统的方框图；
图2是说明图1的PMD补偿装置的多参数数据获取装置的细节的方框图；以及
图3是说明按照本发明又一实施例的补偿光传输系统中PMD的方法步骤的流程图。
目前优选实施例的详细说明
图1是示意地说明按照本发明目前优选实施例的包括偏振模色散(PMD)补偿装置的光传输系统的方框图。光传输系统概括地用标号10表示并且包括：B Gb/s光发射器12，其中B是系统的时钟频率；B Gb/s光接收器14；以及用于将光信号从发射器传送到接收器的光纤16。
PMD补偿装置概括地用标号20表示，其作用是对通过光传输系统10的光纤16传输的光信号中的一阶PMD进行补偿。PMD补偿装置20被包括在发射器和接收器之间的光传输系统中，通常它包括：自动偏振控制器22；可变延迟线24；以及用于调节自动偏振控制器22和可变延迟线24的反馈单元25，以便对光纤16的PMD中的变化进行调节。反馈单元25通常包括光耦合器26、光电检测器28和多参数数据获取装置30。
偏振控制器22将发射器12发射的并由光纤16传输的光信号的各偏振组元变换为正交偏振状态，而可变延迟线24包括线性可变双折射元件，用于在所述各偏振状态之间引入可变差分时延，并在线27上产生发送到接收器14的输出光信号。通过适当调节发生在控制器22中的偏振变换和发生在可变延迟线24中的时延，PMD补偿装置20有效地补偿了光纤16中的PMD效应，因而输出信号27将基本上没有由光纤16中发生的差分时延引起的失真。
但是，与可变延迟线24串联的偏振控制器22还不足以单独地适应例如可能因加到光纤上的外部条件的随机改变而引起的光纤中PMD的变化。因此，提供反馈单元25来自动调节发生在控制器22中的偏振变换和可变延迟线24中的差分时延，以便针对这些变化自动调节补偿装置20。实际上，反馈单元监控输出信号27中的失真量并调节偏振变换和差分时延，以减小输出信号中的失真。
但如前所述，光纤的偏振状态常常非常快速地变化，为了能够有效地工作，任何补偿装置必须能够跟随这些变化。这种快速的变化例如可能由于例如在维护时偶尔触及终端未捆绑成电缆的光纤软线而引起。按照本发明，PMD补偿装置20能够跟随光纤16中偏振状态的快速变化，并利用简单的算法来调节可变延迟线24。按照本发明，这是通过使一个独立的反馈信号与装置的每个执行元件相关联来实现的。
具体地说，如图1所示，偏振控制器22包括四个执行元件，所述四个执行元件包括四个波片42、44、46和48，当然，如果需要，控制器可以包括多于四个执行元件。每个波片最好利用一根标准的光纤构成，所述标准光纤是利用压电多层执行元件(例如Thorlabs，Inc.制造的，型号为AE0203D08的压电多层执行元件)挤压(squeeze)而成的，并且具有2.5μs的响应时间。偏振控制器可以例如类似于美国专利No.4,753,507中所述，但在本文描述的本发明的目前优选实施例中，所述装置包括四个波片，分别调整在22.5°、0°、45°和0°。可以把定位在67.5°的第五执行元件加到和其它四个执行元件相同的参考轴线上。每个波片所使用的高频颤动信号具有很低的调制指数，所以只能在所述装置中感知偏振状态的相应变化，而系统却不能感知所述偏振状态的变化。也可使用其它偏振控制装置，条件是将高频颤动信号叠加到控制信号上。
可变偏振延迟线24包括执行元件，所述执行元件包括单波片50，也可采用其他形式。例如，美国专利No.5,930,414中描述的可变延迟线适用于本发明的PMD装置。可变延迟线可以包括在双折射光纤不同点上的多个PZT执行元件，在各PZT执行元件之间有任意间隔，以便获取不同波长的不同DGD。按照本发明目前优选实施例的另一解决方案是利用单根双折射光纤，中间压入单个PZT执行元件，其压力与双折射轴线成45°。这将产生可从零变到双折射光纤全长的微分群延迟(DGD)的延迟。
从补偿装置20输出的部分光信号27被耦合器26分离，并用作反馈信号。所述反馈信号用线32表示，它包含有关输出信号的频谱信息。信号32由光电检测器28检测，并产生与光信号32成正比的电信号34；电信号34被引导到多参数数据获取装置30。
多参数数据获取装置30在图2中详细示出，它处理电信号34，以便启动波片42、44、46和48，按照对光纤16中PMD的变化进行补偿所需要的来调节偏振控制器22和可变延迟线24。如图2所示，来自光电检测器28的电信号34首先进入低噪声放大器(LNA)52，然后由分离器54分成信号56和58。信号56和58然后通过频谱滤波器60和62，所得已滤波电信号64和66分别由检测器68和70检测。频谱滤波器60用于以F1进行滤波，频谱滤波器62用于以F2进行滤波。在以F2进行滤波的情况下，可以用带通滤波器或高通滤波器；而在以F1进行滤波的情况下，可以用带通滤波器。在分离器54每个支路中的电滤波产生5个强度信号I1，I2，I3，I4和I5，它们的频率分别为f1，f2，f3，f4和f5，如图2所示。这些反馈信号允许将光纤16快速输出的主偏振态(PSP)与可变延迟线24的慢速输入PSP对准，因而调节延迟线24的延迟。
以F1和F2进行的电滤波为偏振控制器的每个波片提供两个反馈信号，并为可变延迟线24提供一个附加的反馈信号。利用以f1，f2，f3，f4，和f5传输的信息，有可能将系统的PSP与可变延迟线的反PSP对准。利用调制频率信号最小化准则，使系统的快速PSP与延迟线的慢速PSP对准，或反之亦然。当高频颤动信号强度I1，I2，I3，I4和I5达最小值时，将对光传输系统进行补偿。
利用例如锁定放大器或数字信号处理器(DSP)检测每个频率中的反馈信号强度和相位；一种会聚算法利用具有频率f1，f2，f3，f4和f5的信号的强度和相位确定用于每个波片的反馈信号。DSP和会聚算法通常在图2中表示为数据获取-多参数测量处理器76。
PMD补偿算法首先将对应于F1滤波器的信号强度减至最小，然后利用来自F2滤波器的反馈信号改善此处理过程。这些准则保证所述装置不会处于局部最小值情况。利用每个波片的高频颤动信号的强度和相位，就可知道要加到每个波片上的校正的信号。通过同时校正所述装置的所有波片来显著缩短装置的响应时间。为了获得稳定的相位信息，用于每个波片的高频颤动信号可以由同一DSP时钟合成器产生。所述控制算法利用每个高频颤动信号的强度和相位来定义用于每个波片的校正信号，以高频颤动信号强度的预定函数的形式来计算所述校正。用于自动偏振控制器22的四个波片42、44、46和48的校正信号在图1和图2中用箭头78表示，用于可变延迟线24的波片50的校正信号在图2中用箭头80表示。
图3是说明按照本发明的又一实施例对光传输系统中PMD进行补偿的方法步骤的流程图。如图中所示，来自补偿装置的部分输出信号被分离为反馈光信号(步骤102)。反馈信号随后被转换为电信号(步骤104)。电信号被分成两个信号(步骤106)，这两个信号分别由频谱滤波器在F1和F2滤波(步骤108)。然后检测滤波信号(步骤110)，以提供多个高频颤动强度信号，每个信号有不同的频率。然后所述高频颤动强度信号用来定义多个控制信号，以便独立地调节补偿装置的多个执行元件，以调节光传输系统的PMD(步骤112)。
一般说来，利用按照本发明的多参数数据获取装置和控制算法，可以改善补偿装置20的响应时间，因为独立的反馈信号允许同时激励所有的多个波片。与典型的已知的PMD补偿装置相比较，本发明利用压电执行元件以及简单的控制算法就能进行无复位偏振控制和PMD补偿。
应理解，在本说明书中用的“包括”是指所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤或部件或它们的组合。
虽然以上所作说明构成了本发明目前的优选实施例，但应理解，可以以许多方式来改变本发明而不偏离其范围。所以，应认识到，本发明仅受以下权利要求书范围的限制。

Claims (13)

1.一种用于对在光传输系统的光纤中发生的偏振模色散进行补偿的装置，它包括：
偏振控制器，用于将所述光纤传输的光信号的各偏振组元变换为正交偏振状态；
可变延迟线，用于在所述各偏振状态之间引入可变差分时延并用于产生对其进行了光纤偏振模色散补偿的输出光信号；以及
反馈单元，用于调节所述偏振控制器和所述可变延迟线，以便对所述光纤中所述偏振模色散的变化进行补偿，所述反馈单元包括用于产生多个独立控制信号以独立地控制所述偏振控制器和所述可变延迟线的执行元件的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述反馈单元同时控制所述各执行元件。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：由多个不同频率的高频颤动信号提供所述多个控制信号。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述产生多个独立控制信号的装置包括：
检测器，用于将所述输出信号的一部分变换为电信号；以及
多参数测量处理器，用于处理所述电信号以调节所述装置中的所述执行元件，多参数测量处理器包括：分离器，用于将所述电信号分成两个信号；一对频谱滤波器，用于分别在F1和F2对所述两个电信号进行滤波；以及检测器，用于将所述滤波后的电信号转换成高频颤动信号，所述高频颤动信号各自处于不同的频率，然后检测和处理每个所述高频颤动信号的强度和相位，以便确定用于独立调节每个所述执行元件的控制信号。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述偏振控制器包括至少四个执行元件，并且所述可变延迟线包括至少一个执行元件。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述偏振控制器和所述可变延迟线的每个所述执行元件包括波片。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述可变延迟线包括单根双折射光纤，在所述双折射光纤的中间以与双折射轴线成45度角的压力压入单个压电执行元件，以便产生从零到所述双折射光纤全长的微分群延迟变化的延迟。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述可变延迟线包括在所述双折射光纤的不同点上的多个压电执行元件，所述各压电执行元件之间有任意间隔，以便获取不同波长的不同微分群延迟。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述偏振控制器中的每个压电执行元件以不同频率作高频颤动，以便识别向校正信号提供幅度和相位信息的每个执行元件。
10.一种用于补偿在光传输系统的光纤中发生的偏振模色散的方法，所述方法包括：
将所述光纤传输的光信号的各偏振组元变换为各正交偏振状态；
在所述偏振状态之间引入差分时延，以便产生对其进行了所述光纤的偏振模色散补偿的输出光信号；以及
调节所述偏振控制器和所述可变延迟线，以便对所述光纤中所述偏振模色散的变化进行补偿，所述调节步骤包括用独立的控制信号独立地控制所述偏振控制器和所述可变延迟的执行元件。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述独立控制所述执行元件的步骤包括同时控制所述各执行元件。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述独立控制所述执行元件的步骤包括由多个不同频率的高频颤动信号独立地控制所述各执行元件。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述产生多个独立控制信号的步骤包括：
将所述输出信号的一部分变换为电信号；以及
处理所述电信号以便调节所述装置中的所述执行元件，所述处理步骤包括：将所述电信号分成两个信号；分别在F1和F2对所述两个电信号进行滤波；以及将所述滤波后的电信号转换成高频颤动信号，所述各高频颤动信号各自具有不同的频率，然后检测和处理每个所述高频颤动信号的强度和相位，以便确定用于独立地调节每个所述执行元件的控制信号。
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