CN1739047A - 用于提供可控二级极化方式色散的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种方法(300)和设备(100)，用于为光纤传输系统提供可控二级极化方式色散。提供了固定的高双折射光纤部分(106)，极化控制器(104)，和可变微分群延迟模块(102)。将极化控制器(104)与光纤部分(106)相连，并将可变微分群延迟模块(102)与极化控制器(104)相连。对可变微分群延迟模块(102)进行控制，从而改变固定高双折射光纤部分(106)输出(116)处的二级极化方式色散数值。

Description

用于提供可控二级极化方式色散的方法和设备

技术领域

本发明通常涉及电信领域，并尤其涉及光纤传输系统。

背景技术

纤维光学技术和传输系统其极高的通信带宽使电信发生了巨大变化。已调制的单个激光束可承载的大量信息等于几十万个电话通话或几百个视频信道。每隔两到三年，带宽容量就会发生成倍以上的增加。

光纤传输系统通常包括光发送器，光纤，光放大器，和光接收器。

光发送器接收电数字信号，并通过将激光调制成光信号脉冲，而将该电数字信号转化成光信号，其中光信号脉冲表示光数字信号的各种数值或状态。

通过光纤对光信号脉冲进行传输，并通常利用一个或多个光放大器，在光接收器将其重又转化成电数字信号之前，对光信号脉冲进行放大。通常将这称之为光链路或光信道。

到达光接收器的光信号脉冲必须具有足够良好的质量，从而可允许光接收器能清楚地区别出由光发送器所发送的光信号的导通脉冲和截止脉冲。然而，噪音，衰减，和色散是一些减损，其可使光信号脉冲失真，使光信号脉冲在光接收器处达到临界或不可用，并使其难于或不可能精确检测或重构电数字信号。该失真不均匀地增宽，发散，或加宽各种光信号脉冲，减小脉冲间的间隔，或使它们重叠，由此致使实际上对它们无法进行区别。

通常，适当设计的光信道可保持10^-13或更好的比特差错率(“BER”)。当光信道降低为10^-8的BER时，电信系统可自动地切换到试图改善BER的相间光信道。另外，电信系统必须以减少的或降低的带宽对其进行操作，具有更低的整体系统性能。

色散是使光信号脉冲失真的主要原因，导致BER的增加。由色散所造成的失真通常随着带宽或数据速率的增大而增大，并随着光纤传输距离的增大而增大。

通常将色散确定为由(1)彩色色散所造成的，或由(2)极化方式色散(“PMD”)所造成的。

当光信号脉冲的各种频率成分，或颜色以不同速度通过光纤进行输送，并以不同时间到达光接收器时，就会发生彩色色散。发生这种现象的原因是由于材料的折射率，例如光纤的折射率随着频率或波长而变化。结果，由于彩色相关频率脉冲展宽(chromaticfrequency-related pulse spreading)使光信号脉冲失真。

对于彩色色散的一些主要解决方案包括：(1)单模式传播，(2)具有窄输出光谱的分布式反馈(“DFB”)激光，和(3)低衰减/改进色散的光纤。通过使光信号脉冲以相对较低或已减少的色散并由此以相对较低或已减少的光信号失真通过光纤，使所有这些进展均有助于增大带宽。

单模式传播(或利用窄波长)可通过单模式光纤的发展而实现。这种光纤仅允许单模式光传播通过该光纤。DFB激光提供一种与单模式光纤一起使用的光源。DFB激光产生出具有极窄输出频率和波长分布的光，从而使彩色色散问题最小化。低衰减/改进色散的光纤提供一种色散漂移的光纤，这种光纤使特定波长处的速度对波长的依赖性最小。

以前，彩色色散受到更多的关注，因为其不利影响最初更为限制在降低有效带宽和数据速率方面中。现在，PMD接收受到相当大的关注，这是由于其对光透明高速远程光波系统，以及对多信道有线电视(“CATV”)传输系统的潜在限制所造成的。

PMD涉及在由光发送器发射的极化光信号脉冲的两个正交(直角)光波成分中的失真。在理想光纤中，该光纤具有理想的圆形截面，且不承受外应力，两个极化光信号成分的传播特性是相同的。然而，在制造过程中所带来的缺陷可导致光纤不具有理想的圆形。另外，已经安装的光纤可能受到例如收缩或弯曲的外应力。这些制造缺陷和外应力导致极化光脉冲的两个极化成分具有不同的传播特征，而这又引发PMD。

除了制造引起的缺陷，光纤(对于每个光频率ω)具有两个输入状态(“极化主要状态”，或“PSP”)，其中匹配的光脉冲将不经历PMD发散。然而，可将光脉冲输入给处于任意状态的光纤，并且这使脉冲分成两个成分，它们能够以不同的速度通过光纤独立地传播。当这些成分到达光纤端部时，它们及时重新组合为两个次脉冲。将两个次脉冲间的延迟指定为微分群延迟(“DGD”)，τ。

长光纤的DGD和PSP不仅取决于光脉冲的波长和频率，还因环境变化而在时间上发生波动，所述环境变化例如温度变化，外部机械约束等等。它们的状态是随机的，既作为给定时间的波长函数，也作为给定波长的时间函数。

在光纤传输系统中，光脉冲信号具有光频率的带宽或范围。“二级PMD”说明随频率变化的PMD变化，并将其视为(i)随光频率变化的DGD变化，和(ii)随光频率变化的输出极化变化。

对在高比特率(≥10Gb/s)系统中的一级和二级PMD的影响进行分析。发现除了由一级PMD所造成的特性恶化之外，二级PMD导致重要特性损失。对于大量彩色色散的情况，二级PMD事实上成为性能降低的主要原因。此外，随着PMD补偿器的出现，该PMD补偿器通常仅对一级效应进行补偿(更高级未受影响或甚至使其增大)，预期由累积的二级PMD所造成的减损。

二级PMD是对于适当评估系统性能的一个重要方面(issue)。为了对现实光纤进行仿真，PMD仿真器不仅应包括一级，还应包括二级。当今的仿真器具有在时间和频率(波长)域中尽可能近似模拟出通过强极化方式耦合的长标准光纤性能的策略。它们通常由通过可旋转连接器或极化扰频器对其耦合的高双折射光纤的许多段组成。然而，这些PMD仿真器的瞬时PMD(DGD和二级)数值是不可知的。

由此，很明显，不仅具有可控一级DGD是很重要的，而且日益需要用于提供可控二级PMD的方法和设备。这对全面研究，分析，和测试现实光纤设备，对引起系统损失的PMD(既包括一级DGD，也包括更高级的PMD)的适当评估，以及对PMD补偿器和其它具有PMD的光网成分的测试和分析均是不可缺少的。

解决这类问题的方案是一个长期的探索过程，并且一直困扰着本领域技术人员。

发明内容

本发明提供一种用于为光纤传输系统提供可控二级极化方式色散的方法和设备。提供固定的高双折射光纤部分，极化控制器，和可变微分群延迟模块。将极化控制器与光纤部分相连，并将可变微分群延迟模块与极化控制器相连。对可变微分群延迟模块进行控制，从而改变在高双折射光纤部分输出端的二级极化方式色散数值。本发明的可控二级极化方式色散提供了以前的高速光导纤维传输系统无法得到的真实操作和实时优点。

除了前面所述的优点之外或代替前面所述的优点，本发明的某些实施例还具有其他优点。当对下面结合附图的详细说明进行阅读时，本领域普通技术人员将更容易明白这些优点。

附图说明

图1是根据本发明、用于提供可控二级极化方式色散的系统的示意图；

图2是根据本发明、用于对图1中的系统进行测量和校准的示意图；和

图3是根据本发明、用于提供可控二级极化方式色散的方法的流程图。

具体实施方式

光纤的重要特性在于，对于任何给定的光频率ω来说，总是能够发现两个正交的极化输入主状态(“PSP”)，使具有与输入PSP相匹配的极化输入状态(“SOP”)的光脉冲不经历发散。然而，通常可将具有任意SOP的输入光脉冲分解成两个与正交PSP的两个轴对准的次极化成分。这两个成分以不同的群速度通过光纤独立传播，它们将在光纤端部重新组合成为两个恰好分开的次脉冲的叠加。将在那两个次脉冲间的延迟标记为微分群延迟(“DGD”)，τ。PMD的自然测度是PMD矢量Ω(ω)，其依赖于光频率ω。PMD矢量Ω的大小等于两个PSP间的DGD，|Ω(ω)|＝τ，而其方向确定了两个正交PSP的方向，±Ω(ω)/|Ω(ω)|。

然而，长光纤的DGD和PSP依赖于根据环境变化结果而随时间发生波动的波长和频率，所述环境变化例如温度变化，外部机械约束等。它们的状态是随机的，既作为给定时间的波长函数，也作为给定波长的时间函数。幸运的是，可对这些状态进行统计学的定性。可表明的是，在实际光纤中随机改变的DGD数据的概率密度函数(“PDF”)遵循麦克斯韦密度分布。根据定义，PMD是其均方根值： $\mathrm{PMD}=\sqrt{\⟨{\mathrm{DGD}}^2\⟩}.$ 必须牢记的是DGD会随时间发生波动，并可比其均方根值或PMD小或大。

在光纤传输系统中，光脉冲信号具有光频率的带宽或范围。“二级PMD”说明随频率变化的PMD变化，并将其表示为(i)随光频率变化的DGD变化，和(ii)在邦加球(Poincare Sphere)上随频率变化的PSP旋转，结果是随改变的光频率而改变输出极化。

对在高比特率(≥10Gb/s)系统中的一级和二级PMD的影响进行分析。发现二级PMD可产生在由一级PMD引起的平均损失周围的重要波动。对于大量彩色色散的情况，二级PMD事实上成为性能降低的主要原因。此外，随着PMD补偿器的出现，该PMD补偿器通常仅对一级效应进行补偿(更高级未受影响或甚至使其增大)，预期由累积的二级PMD所造成的减损。

二级PMD是对于适当评估系统性能的一个重要方面。为了对现实光纤进行仿真，PMD仿真器不仅应包括一级，还应包括二级。当今的仿真器具有在时间和频率(波长)域中尽可能近似模拟出通过强极化方式耦合的长标准光纤性能的策略。它们通常由通过可旋转连接器或极化扰频器对其连接的高双折射光纤的许多段组成。然而，这些PMD仿真器的瞬时PMD(DGD和二级)数值是不可知的。

由此，很明显，对全面研究，分析，和测试现实光纤设备，对引起系统损失的PMD(既包括一级DGD，也包括更高级的PMD)的适当评估，以及对PMD补偿器和其它具有PMD的光网成分的测试和分析来说，不仅能够具有可控一级DGD是很重要的，而且日益需要用于提供可控二级PMD的方法和设备。

现在参考图1，以示意图的形式显示出系统100，其用于根据本发明提供可控二级极化方式色散(“PMD”)。系统100包括可变微分群延迟(“DGD”)模块102，极化控制器104，和光纤部分106。光纤部分106是固定的高双折射光纤的一段。

将可变DGD模块102，极化控制器104，和光纤部分106，以这种次序接合在一起，如图所示，极化控制器104位于可变DGD模块102和高双折射光纤部分106之间。

在一个实施例中，可变DGD模块102具有DGD数值，τ_variable，其可在0到45ps的范围内调节，并且高双折射光纤部分具有固定的DGD数值，τ_fixed，根据所提供的总的二级PMD数值的范围，将其预先设置成不同的固定数值(例如，30ps)。可从例如General Photonics得到适当变化的DGD模块。

对于极化控制器104，可从例如Corning，General Photonic，Optellios及其他公司得到可适当编程的极化控制器。可利用公知的方式，通过常规数字-模拟(“D/A”)转换器，对这种极化控制器的波板的相角进行控制，例如在CPU 110控制下的D/A转换器108，其还可如图1中所示，通过与其相连的数字I/O 112控制可变DGD模块102。

对于光纤部分106，可从例如Corning(PureMode^TM15-U40)，Fujikura(SM.15-P-8/125-UV/UV-400)，以及Fibercore(HB1500T)得到具有各种数值的适当的高双折射光纤。

然后将在可变DGD模块102中与极化控制器104相反的光链路作为系统100的输入114，并与极化控制器104相反的光纤部分106的端部作为系统100的输出116。

为可变DGD模块102和极化控制器104提供适当的电源，例如DC电源118。

为了从理论立场上理解本发明，假设可变DGD模块102的PSP与高双折射光纤部分的PSP间的耦合角是φ。那么，可将系统100的全部PMD矢量，Ω_total，描述成：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}{\stackrel{\→}{e}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}({\stackrel{\→}{e}}_1\·{\stackrel{\→}{e}}_2){\stackrel{\→}{e}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}\cos \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}\right)({\stackrel{\→}{e}}_1-({\stackrel{\→}{e}}_1\·{\stackrel{\→}{e}}_2){\stackrel{\→}{e}}_2)\\ +\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}\sin \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}\right)({\stackrel{\→}{e}}_1\×{\stackrel{\→}{e}}_2)\end{array}---\left(1\right)$

其中 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{variable}}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\stackrel{\→}{e}}_1$ 是可变DGD模块102的PMD矢量， ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{fixed}}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}{\stackrel{\→}{e}}_2$ 是光纤部分106的PMD矢量。可假设上述PMD矢量均与波长(对于高双折射光纤以及通常所使用的可变DGD模块的非常良好的一级近似)无关。根据等式(1)，可计算出二级PMD的量，

$\begin{array}{c}\left|\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ω}}{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=|-\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\sin \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}\right)({\stackrel{\→}{e}}_1-\cos \left(\mathrm{\φ}\right){\stackrel{\→}{e}}_2)+\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\cos \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right){\stackrel{\→}{e}}_3|\\ =\sqrt{(\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}{)}^2({\sin }^2\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}\right)(1+{\cos }^2\left(\mathrm{\φ}\right)-2{\cos }^2\left(\mathrm{\φ}\right))+{\cos }^2\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\mathrm{\ω}{\sin }^2\left(\mathrm{\φ}\right)\right)}\\ =\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\left|\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\right|\end{array}---\left(2\right)$

如果考虑可变DGD模块102和光纤部分106的残余二级PMD作用，0(ω)，那么可将等式(2)修改为，

$\left|\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ω}}{\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}}_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{1}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}\left|\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\right|+O\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

当对可变DGD模块102和光纤部分106问的耦合或相角φ进行优化时，等式(3)推算出总的输出二级PMD数值与τ_variable成比例，并且可在0(ω)到 的范围内调节，用0(ω)表示来自于光纤部分106和可变DGD模块102的残余二级PMD作用。

在操作中，第一步骤是获得极化控制器104在可变DGD模块102中每个DGD的最佳耦合或相角φ_optimum。当可变DGD模块102的DGD数值发生变化时，其PSP也发生变化，并由此改变φ。这样，对于可变DGD的每个数值都存在一个最佳φ，并且需要对相角进行重新调整以便使其最优化。已优化的耦合角使|sin(Φ)|的数值可预测，由此使二级PMD输出与τ_variable成线性比例。

然后，在为每个DGD数值获得φ_optimum之后，第二步骤是调到可变DGD模块102的特定预期DGD和其φ_optimum，以便在光线部分106的输出116端处得到预期的二级PMD数值。

更具体的是，首先，通过将可变DGD模块102设置为某个DGD数值，然后对在极化控制器104中波板上不同相角处的总的二级PMD数值进行测量，对可变DGD模块102的原理极化状态与光纤部分106的原理极化状态间的相角进行优化。对任何所给定DGD数值的已优化的相角是在可变DGD模块102中的那个DGD数值处得到总的最大二级PMD数值的角，并可在CPU110中电路的控制下对该相角进行识别。在对该已优化的相角进行识别之后，可确定在可变DGD模块102的每个DGD数值处的二级PMD数值，并也可在CPU110中电路的控制下提供该确定。例如，利用固定DGD数值大约为32.5ps的高双折射光纤部分，在将可变DGD模块102从0.68ps调节到45.18ps时，可将二级PMD从大约66ps²调节到784ps²。

现在参考图2，在此表示出用于对系统100进行测量和校准的示意图200。如图所示，可调激光器202向PMD分析器204提供测试光信号，PMD分析器204又与本发明的系统100相连。可从Agilent(型号8163A)得到适当的可调激光器，并可从Profile(Pat9000B)得到适当的PMD分析器。

如前面所述，通过可调激光器202产生测试光信号，由PMD分析器204为了随后的比较而对测试光信号进行初始测量，通过系统的输入114和输出116，使测试光信号穿过系统100(即，穿过可变DGD模块102，极化控制器104，和光纤部分106)。将合成信号返回到PMD分析器204，从而将该信号与由可调激光器202最初产生的信号进行比较，用以确定二级PMD数值。

现在参考图3，在此表示出根据本发明，用于为光纤传输提供可控二级PMD的方法300的流程图。该方法包括步骤302，提供可变微分群延迟模块；步骤304，提供固定的高双折射光纤的光纤部分；步骤306，提供连接在可变微分群延迟模块和光纤部分间的极化控制器；和步骤308，调节可变微分群延迟模块，从而对在光纤部分输出处的二级极化方式色散数值进行控制。

可以发现的是，当更高级PMD效应变得很明显时，纯粹的一级补偿器不再够用，而例如此处所教授的方案则变得十分重要，特别是因为，由于PMD的随机变化特性而几乎不可能推算出网络系统的瞬时DGD数值。

由此，还发现本发明的可控二级极化方式色散方法和设备提供了对于高比特率光纤光网络系统来说重要的且在此之前得不到的方案和性能。通过利用可线性调节的可变DGD模块，能够可靠地校准可控二级极化方式色散系统。

例如，通过对上述实施例中的可变DGD模块102进行线性调节，系统100表示出从大约50ps²到 $\frac{1}{2}*{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{variable}}^{\max }*{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fixed}}+{50\mathrm{ps}}^2$ 范围内的二级PMD数值，具有优于50ps²的准确度。由此，可控二级PMD系统提供公知的二级PMD数值，而不一定对其进行测量，并可将该可控二级PMD系统直接与相应的有问题的系统相连，提供在此以前未知的且得不到的真实的，实时操作功能优点。

虽然，已结合具体的最佳方式对本发明进行了说明，但是可以理解的是，按照上面所述，对本领域普通技术人员来说，多种可替换的实施方案，改进和变形是显而易见的。由此，所有这些多种可替换的实施方案，改进和变形都属于权利要求所包含的精神和范围内。这里所阐述的或在附图中所示的所有内容都解释为说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1、一种用于为光纤传输提供可控二级极化方式色散的方法(300)，其包括：

提供(302)固定的高双折射光纤的光纤部分(106)；

提供(304)与光纤部分(106)相连的极化控制器(104)；

提供(306)与极化控制器(104)相连的可变微分群延迟模块(102)；和

控制(308)可变微分群延迟模块(102)，以改变高双折射光纤的光纤部分(106)的输出(116)处的二级极化方式色散数值。

2、权利要求1中的方法(300)，还包括通过以下步骤对可变微分群延迟模块(102)和光纤部分(106)间的相角进行优化：

将可变微分群延迟模块(102)设置为预定的微分群延迟数值；

对在极化控制器(104)的不同相角处的二级极化方式色散数值进行测量(204)；和

将已优化的相角识别(110)为极化控制器(104)的相角，该相角在可变微分群延迟模块(102)的每个微分群延迟数值处给出总的最大二级极化方式色散数值。

3、权利要求2中的方法(300)，还包括在识别(110)已优化的相角之后，确定(204)在可变微分群延迟模块(102)的每个微分群延迟数值处的二级极化方式色散数值。

4、权利要求1中的方法(300)，还包括通过以下步骤对二级极化方式色散数值进行测量和校准：

提供可调激光器(202)，用于提供测试光信号；

提供极化方式色散分析器(204)，与可调激光器(202)，可变微分群延迟模块(102)的输入(114)和光纤部分(106)输出(116)相连；

对由可调激光器(202)所产生的光信号进行初始测量(204)；

光信号从可调激光器(202)传输通过可变微分群延迟模块(102)，极化控制器(104)，和光纤部分(106)；和

利用极化方式色散分析器(204)分析(204)合成光信号，将该合成信号与由可调激光器(202)原始产生的信号进行比较，从而确定出二级极化方式色散数值。

5、权利要求1中的方法(300)，还包括：

调节可变微分群延迟模块(102)；和

响应于可变微分群延迟模块(102)的调节，对合成二级极化方式色散数值进行校准(110)，从而提供与可变微分群延迟模块(102)的设置有关系的二级极化方式色散数值。

6、一种用于光纤传输的二级极化方式系统(100)，其包括

固定的高双折射光纤的光纤部分(106)；

极化控制器(104)，与光纤部分(106)相连；和

可变微分群延迟模块(102)，与极化控制器(104)相连，可变微分群延迟模块(102)包括用于对高双折射光纤(106)输出(116)处的二级极化方式色散数值进行改变的控制。

7、权利要求6中的二级极化方式系统(100)，其中可变微分群延迟模块(102)包括识别电路(110)，用于将已优化的相角识别为极化控制器(104)的相角，该相角在可变微分群延迟模块(102)的每个微分群延迟数值处给出总的

最大二级极化方式色散数值。

8、权利要求7中的二级极化方式系统(100)，其中可变微分群延迟模块(102)包括方式数值电路(110)，用于确定在可变微分群延迟模块(102)的每个微分群延迟数值处的二级极化方式色散数值。

9、权利要求6中的二级极化方式系统(100)，另外包括：

可调激光器(202)，用于提供测试光信号；和

极化方式色散分析器(204)，与可调激光器(202)，可变微分群延迟模块(102)的输入(114)，以及光纤部分(106)的输出(116)相连，该极化方式色散分析器(204)可用于对由可调激光器(202)所产生的光信号进行初始测量，并用于对合成光信号进行分析，从而确定出二级极化方式色散数值。

10、权利要求6中的二级极化方式系统(100)，另外包括：

可调激光器(202)，用于提供测试光信号；和

电路(110)，用于响应于可变微分群延迟模块(102)的控制，对合成二级极化方式色散数值进行校准(110)，从而提供与可变微分群延迟模块(102)的设置有关系的二级极化方式色散数值。

Images