CN1653731A - 动态偏振模色散仿真器 - Google Patents

Abstract

偏振模色散仿真器以偏向的方式随机地改变每个波片的双折射，以便及时地追踪偏振模色散的动态特性，并允许仿真不同类型的光缆。高斯概率密度函数被用来产生这种偏向改变。一种新的波片模型被导出以精确地模拟仿真器的双折射改变。

Description

动态偏振模色散仿真器

技术领域

本发明一般涉及仿真器，具体地，本发明涉及适宜于测试光学系统的偏振模色散仿真器。

发明背景

偏振模色散是特别在高速光学系统(10Gb/s以及更高)中引起光脉冲展宽的一种非线性现象。这种展宽意味着脉冲会交叠，而且会导致传输信息的丢失以及系统性能的恶化。因此，这是在设计新型高速系统时其中一个最大的限制。

对于偏振模色散，可以对光纤进行现场测试(field-tested)，以确定其将如何恶化系统性能。然而，现场光纤(field fiber)偏振模色散表征是一项费时且昂贵的事情。

对偏振模色散的仿真能够允许光学现场光纤的特性在实验室的环境中再现出来，从而能够允许对高速光学系统和偏振模色散补偿器进行并不昂贵的实验室测试。许多研究组已经论证过偏振模色散仿真器。这些仿真器依据随机地改变进入偏振保持光纤部或双折射晶体内的光的偏振态。然而，由于环境和其他条件的原因，偏振模色散会动态地变化，从而导致时域内偏振态和差分群延迟的波动，而且传统的偏振模色散仿真器不会考虑到偏振模色散的实际动态性质。

因此，希望提供一种偏振模色散仿真器，它可以动态地仿真偏振模色散，而且可以促进获得更加精确和理想的测试结果。

发明概要

本发明的一个目的是消除或减轻前述偏振模色散仿真器的至少一个缺点。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于偏振模色散仿真的方法，它可以模仿其实际的动态性能。

在第一方面，本发明提供一种采用仿真器装置的动态偏振模色散仿真的方法，所述仿真器装置具有双折射部，该双折射部具有用于控制偏振态决定因子的相应偏振控制器，所述方法包括：确定所述双折射部的前一偏振态决定因子；以及确定所述双折射部的更新的偏振态决定因子。考虑到前一偏振态决定因子，所述双折射部的更新的偏振态决定因子遵从理想光纤类型的动态特性的统计概率分布函数。

在当前的优选实施方式中，所述统计概率分布函数是高斯概率分布函数，其高斯宽度是对应于现场光纤如架空、直埋、导管或海底光缆的动态性能的用户指定动态输入值。确定所述更新的偏振态决定因子包括为所述双折射部或者具体地为与所述偏振控制器相关联的波片，确定更新的差分群延迟，或者模式耦合角，以将双折射部的差分群延迟或模式耦合角改变为更新的差分群延迟或模式耦合角。

在另一方面，本发明提供一种用于与上述测试装置一起使用的偏振模色散仿真器。所述仿真器包括随机分布产生器和信号产生器。所述随机分布产生器基于当前的偏振态决定因子确定所述偏振控制器的更新偏振态决定因子的随机分布，所述随机分布遵从理想光纤类型的动态特性的统计概率分布函数。所述信号产生器向每个偏振控制器提供信号，以将其偏振态决定因子改变为其各自的更新的偏振态决定因子。

在当前的优选实施方式中，所述随机分布产生器包括伪随机数字产生器，并且确定所述双折射部的差分群延迟值或模式耦合角的随机分布，所述随机分布遵从高斯概率分布函数。高斯宽度由用户指定的动态输入值决定，所述动态输入值代表现场光纤如架空、直埋、导管和海底光缆的动态性能。所述信号产生器产生控制信号，用来控制与所述偏振控制器相关联的多个波片如光纤挤压器的双折射。

在下面结合附图对本发明具体实施方式进行描述的基础上，本发明的其它方面和特点对本领域的普通技术人员来说将变得更加明白。

附图的简要说明

现在，仅仅借助于实施例，参看附图来说明本发明的实施方式，在附图中：

图1是本发明的偏振模色散仿真测试装置和仿真器的示意图；

图2是本发明仿真方法的一种实施方式的流程图；

图3a和3b是对于不同的σ值，比较模型和仿真器结果的偏振态拟合曲线(fit)的频率曲线图(histogram)；

图4a和4b是经典仿真器的麦克斯韦尔拟合曲线(a)和仿真器和实验现场光纤拟合曲线(b)。

具体实施方式

一般地，本发明提供一种动态地仿真偏振模色散来简化对光学系统的测试，以及模仿对偏振模色散的理想动态效应的方法和系统。本发明允许空中或其它光纤内的偏振模色散动态特性借助于仿真器进行模仿，该仿真器控制具有偏振控制器的测试装置来改变入射进双折射光纤部(section)内的光的偏振。偏振态决定因子，如差分群延迟或模式耦合角，依据统计概率分布函数如高斯概率分布函数进行改变，以动态地模仿偏振模色散。这与前述以均匀方式随机改变偏振态决定因子的已知偏振模色散仿真器形成对比。

参看图1，本发明采用传统的仿真测试装置10，包括N个偏振控制器12，每个都具有多个波片。随机接合的双折射或偏振保持光纤部14设置在每个偏振控制器12之后，使得系统的总差分群延迟能够通过改变每个波片的双折射来进行变化。在示出的实施方式中，示出五组偏振控制器和偏振保持光纤部。然而，如本领域的技术人员所理解的，可以采用一组或多组，只要认为适宜获得理想的仿真。

在当前的优选实施方式中，偏振控制器12中的每一个都由四个以0°，+45°，-45°和0°的固定角度定向的压电挤压器16组成，这些压电挤压器挤压一定长度的光纤，由此引入双折射，这类偏振控制器例如有从康宁公司购买的商业上可用的Acrobat^TM偏振控制器。每个偏振保持光纤部14都由级联的双折射光纤段18构成。激光源20设置用来将光射入该系列偏振控制器12和偏振保持部14的输入端，偏振计22探测输出端处得到的偏振。

本发明的仿真器24控制这些偏振控制器12的操作，以通过更改挤压器16的双折射来改变系统14的总差分群延迟。操作时，偏振控制器12以这种方式来构造，即当施加特定电压时，射进各个偏振保持光纤部14的光的偏振态被改变为庞加莱球面上的任意一点。在当前的优选实施方式中，每个偏振控制器12内的挤压器16都被控制，以通过挤压光纤并改变其双折射，来随机地改变一定长度的光纤的偏振态决定因子。对施加到每个挤压器16上的电压的最大值和最小值进行校准，以使庞加莱球面上的偏振态旋转0至2π。这些改变的效应可以通过改变挤压器16的差分群延迟来模拟，这相当于改变偏振保持光纤部14的长度。单个偏振保持光纤部14的差分群延迟与其长度成线性比例。挤压器16可以依照统计概率分布函数随机地调整(挤压)。这会使挤压器16产生偏差，并且模仿理想的动态偏振模色散性能。相反地，传统的偏振模色散仿真器采用平坦分布(均匀)的概率分布函数。

仿真器24基于统计概率分布函数、每个偏振控制器12的当前和先前差分群延迟以及依赖于被仿真的实际光纤类型的动态性质的动态输入值σ产生适当的控制信号。该动态输入值可以由用户选择，用机器产生或从查找表或者其它的存储装置中取出。

一般地，如图1所示，仿真器24由随机分布产生器26构成，该随机分布产生器26基于当前的偏振态决定因子并且根据遵从期望光纤类型的动态特性的统计概率分布函数来为每个偏振控制器12确定更新的偏振态决定因子的随机分布。仿真器24也包括信号产生器28，向偏振控制器12产生信号以使其偏振态决定因子变化为其更新的偏振态决定因子。

在当前优选实施方式的仿真器24中，采用具有类似于“随机游走”过程的记忆(memory)的统计分布。这可以通过使用例如基于高斯分布的条件概率分布函数来实施。在这种情形中，动态输入值等同于高斯宽度。同时，也完全可以想象，依据要模拟的数据，其它的统计分布例如洛伦兹分布也是合适的，本发明并不明确地限于高斯概率分布函数。在当前的优选实施方式中，仿真器24采用一代记忆(one-generation memory)，其中当前的转移概率仅是先前值的一个函数。本实施方式的一种变形是采用具有更长记忆(memory)的统计分布，其中当前的转移概率是不止一个先前代值(previousgeneration of value)的函数。

为了模拟架空光纤的偏振波动的动态，假设偏振控制器促使每个部分的差分群延迟在时间增量Δt之后在其先前位置τ_j(t)附近取一个新值τ_j(t+Δt)。采用高斯函数，这是因为已经发现高斯函数能够精确地描述架空光纤在预期的大气微扰如风的作用下的随机性质。高斯概率分布可以用下面具有周期边界条件 ${\mathrm{\τ}}_j=\mathrm{mod}({\mathrm{\τ}}_j,{\mathrm{\τ}}_{{j2}_{\mathrm{\π}}})$ 的条件转移概率来说明：

$P\left[{\mathrm{\τ}}_j(t_0+\mathrm{\Δt})\right|{\mathrm{\π}}_j\left(t_0\right)]=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}}}\·e^{\frac{-{[{\mathrm{\τ}}_j(t+\mathrm{\Δt})-{\mathrm{\τ}}_j\left(t\right)]}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中σ是高斯概率密度函数的宽度，τ_j2π是引起庞加莱球面上2π旋转的差分群延迟的值。

依照本发明，为了仿真这种模型，采用伪随机数字产生器来产生合适的概率值。在本实施方式中，单个伪随机数字产生器足以产生足够的伪随机数字，来设定每个挤压器16，而没有显著的延迟。使用高斯概率分布函数确定对于每个挤压器16，怎样改变施加的压力，从而确定相应偏振保持光纤部14内的差分群延迟。采用上述的测试装置10，每个挤压器16的模式耦合角的削减保持恒定，如由偏振控制器12的物理构成确定的那样。然而，完全可以想象的到，在本发明中，根据选择用于测试装置的偏振控制器的类型，或者差分群延迟或者模式耦合角可以保持恒定，或者两者都可以变化。

附录A中的Matlab^TM源代码提供一种本发明算法的一个实施例，它产生随机的差分群延迟值的分布，以用于产生合适的控制信号来控制挤压器16。所产生的分布遵从由动态输入值(即高斯宽度＝“sigmaStep”)确定的特定高斯概率分布函数。对应于该实施例的流程图示出在图2中。如图所示，输入有当前的差分群延迟“DGD”，光学角载波频率“Omega”，以及产生的随机或伪随机数字。假设所述转变具有很短的记忆，即仅基于当前值取新值。时间变量是隐含的，而不是显式的。为了说明Δt的时间演变，每个定向角都可以随每一次实现而更新。

通过操纵代表着高斯概率分布函数的宽度的动态输入值，本发明的仿真器可以被设定用来仿真不同光纤类型在变化的条件如架空、直埋、管道及海底下的动态特性。

偏振态和偏振模色散测量值选自每个时间间隔Δt。相关函数可以用来分析仿真的偏振态和偏振模色散测量值。为了分析偏振态的结果，可以使用具有固定分离时间的斯托克斯矢量之间的角度：

$\mathrm{\γ}(t_0,t)=\arccos ({\stackrel{\→}{S}}_{t0}\·{\stackrel{\→}{S}}_{t0+t})$

其中 对应于时间t₀处的归一化斯托克斯矢量，

指的是从实验偏振态数据起在时间t₀+t处的归一化斯托克斯矢量。对于固定的时间延迟t，会产生频率曲线图。

图3a和3b示出对于σ＝0.01与σ＝0.075，模型和仿真器的结果的偏振状态拟合曲线，这分别接近于直埋光纤和劣质的架空光纤的动态特性。对于直埋光纤，这种拟合显示出高度的相关性。而对于劣质的架空光纤，这些结果是更加不相关的。这可能是由于在仿真器装置中采用了仅仅五段的原因。增加N段将提高这种相关性。

图4a示出经典的仿真器的麦克斯韦拟合曲线和架空光纤的实验现场光纤拟合曲线。弧长曲线用上述的公式产生。示出在图4b中的差分群延迟曲线用麦克斯韦概率分布函数拟合(fit)和Aligent偏振计来产生。

对本领域的技术人员而言，很显然，本发明可以精确地仿真动态偏振模色散，从而可以在实验室中测试系统性能，而没有用实际光纤的现场试验的不便和努力。这种动态偏振模色散仿真器可以被光学系统设计者使用来测试具有不同动态效应量的系统，由此更加精确地测试不同类型光纤所工作的实际环境。从而，特别是对于高速光学系统，这就允许进行更加精确的偏振模色散实验室测试。同时，这还使通信公司能够研究动态偏振模色散对系统的影响。而且，光纤研究人员可以用本发明的动态偏振模色散仿真器来精确地模拟试验设置中的偏振模色散。

本发明上述的实施方式仅旨在给出一些实施例。只要不脱离本发明的范围，本领域的技术人员可以对这些具体实施方式作出各种修改、改进和改变，本发明的保护范围仅仅由所附的权利要求书来限定。

附录A：

％    inputs：  last DGD＝last calculated DGD value

％              sigmaStep＝sigma step(const)(GAUSSIAN WIDTH)

％    output：  DGD＝DGD value

％

％    note：    omega is Gaussian width(angular optical carrier frequency)

                and is a static user input constant.

      oldTheta＝((lastDGD*omega)/2

      R＝rand(1)％create random value

      if(R＞0.5)

            newTheta＝oldTheta+sigmaStep*erfinv(2*R-1)

      else

            newTheta＝oldTheta-sigmaStep*erfinv(1-2*R)

      end

％convert it to always be[0，2pi]

      newTheta＝mod(newTheta，2*pi)

％convert DGD value from[0，2pi]to a ps DGD value

      DGD＝2*newTheta/omega

Claims (20)

1.一种采用仿真器装置的动态偏振模色散仿真的方法，所述仿真器装置具有双折射部，该双折射部具有用于控制偏振态决定因子的相应偏振控制器，所述方法包括：

(i)确定所述双折射部的前一偏振态决定因子；以及

(ii)依照当前的偏振态决定因子，确定所述双折射部的更新的偏振态决定因子，所述更新的偏振态决定因子遵从期望光纤类型的动态特性的统计概率分布函数。

2.依照权利要求1的方法，其特征在于，确定所述更新的偏振态决定因子包括产生一个随机序列。

3.依照权利要求1的方法，其特征在于，所述统计概率分布函数是高斯概率分布函数。

4.依照权利要求3的方法，其特征在于，确定所述更新的偏振态决定因子包括提供一定宽度的高斯概率分布函数。

5.依照权利要求1的方法，其特征在于，确定所述更新的偏振态决定因子包括确定更新的差分群延迟。

6.依照权利要求1的方法，其特征在于，确定所述更新的偏振态决定因子包括确定更新的模式耦合角。

7.依照权利要求5的方法，还包括产生控制信号来控制与所述偏振控制器相关联的波片的双折射，从而将所述双折射部的差分群延迟改变为所述更新的差分群延迟。

8.依照权利要求1的方法，其特征在于，确定所述更新的偏振态决定因子包括基于随机序列依次为多个偏振控制器确定更新的偏振态决定因子。

9.依照权利要求4的方法，其特征在于，所述高斯宽度是对应于现场光纤的动态性能的动态输入值。

10.依照权利要求9的方法，其特征在于，所述现场光纤是架空、直埋、导管以及海底光缆中的其中一种。

11.依照权利要求7的方法，其特征在于，所述波片是光纤挤压器。

12.一种用来向仿真器装置内的控制器提供信号的偏振模色散仿真器，所述仿真器装置具有双折射部，该双折射部具有用于控制偏振态决定因子的相应偏振控制器，所述偏振模色散仿真器包括：

随机分布产生器，基于当前的偏振态决定因子确定所述偏振控制器的更新的偏振态决定因子的随机分布，所述随机分布遵从期望光纤类型的动态特性的统计概率分布函数；

信号产生器，向所述偏振控制器产生信号，以将其偏振态决定因子改变为更新的偏振态决定因子。

13.依照权利要求12的仿真器，其特征在于，所述随机分布产生器包括伪随机数字产生器。

14.依照权利要求12的仿真器，其特征在于，所述随机分布产生器确定所述偏振控制器的差分群延迟值的随机分布。

15.依照权利要求12的仿真器，其特征在于，所述产生的随机分布遵从高斯概率分布函数。

16.依照权利要求15的仿真器，其特征在于，所述高斯概率分布函数具有由用户指定的动态输入值所确定的高斯宽度。

17.依照权利要求16的仿真器，其特征在于，所述动态输入值代表现场光纤的动态性能。

18.依照权利要求17的仿真器，其特征在于，所述现场光纤是架空、直埋、导管和海底光缆中的其中一种。

19.依照权利要求12的仿真器，其特征在于，所述信号产生器产生控制信号，用来控制与所述偏振控制器相关联的多个波片的双折射。

20.依照权利要求19的仿真器，其特征在于，所述波片是光纤挤压器。

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