（光学工程专业论文）高速光纤通信系统中的偏振模色散及其补偿技术的研究.pdf

南京邮电学院 摘要 摘要 随着社会信息化发展，用户对通信容量的需求日益增加，作为现代长途传输 骨干的光纤通信系统一直朝着高速、大容量和长距离方向发展。单信道传输速率 不断提升，现在已经达到1 0 g b i t s 、正向4 0 g b i t s 甚至1 0 0 g b i t s 发展。同时，密 集波分复用技术( d w d m ) 也同趋成熟并商用化。 在高速光纤通信系统的研究过程中，偏振模色散效应对传输的限制作用随着 系统速率的提高越来越突出，成为实现高速长距离传输必须解决的一个关键问 题，引起业界的广泛关注，成为近年来国际上光纤通信领域的研究热点。虽然现 在光纤制作工艺大大降低了光纤的偏振模色散系数，但是早期铺设的光缆线路大 多数具有相当大的偏振模色散系数，为了节约资源，希望对现有光纤传输线路进 行升级，提高其传输容量和距离，在现有的光纤线路上传输超过1 0 g b i t s 速率的 信号，就有必要研究偏振模色散及其补偿技术。 由于偏振模色散是由光纤的双折射效应引起的，导致单模光纤双折射效应的 原因复杂多样，同时会受环境温度、机械压力等因素的影响，表现出随机性，偏 振模色散效应导致传输后的脉冲展宽，引起码间干扰和系统误码率的增加。 本文将对偏振模效应进行比较详细的研究，对偏振模色散的成因、定义、导 致的脉冲展宽效应、偏振模色散统计特性及其波片级联仿真模型进行分析和介 绍。特别是对偏振模色散补偿技术进行比较详细的分析，并提出一种对高阶偏振 模色散效应具有一定补偿效果的前馈式补偿器。最后对其补偿效果进行了仿真分 析，同时对补偿器件的实用化作了讨论。 关键词：高速光纤通信系统，偏振模色散，波片级联模型，偏振模色散补偿技术 南京邮i u 学院 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hi n f o r m a t i z a t i o no ft h e s o c i e t y , s u b s c r i b e r s a r e d e m a n d i n gm o r e t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a st h eb o n et r a n s m i s s i o nn e t w o r ko fl o n gh a u lc o m m u n i c a t i o n s o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm o v i n gt o w a r dh i g hc a p a c i t y , h i g hs p e e d ，a n d l o n gh a u ld i r e c t i o n s s i n g l ec h a n n e n lt r a n s m i s s i o ns p e e dh a su dt olo g b i t sa n d 4 0 g b i t se v e nl0 0 g b i t st r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r eb e i n gr e s e a r c h e d a tt h es a m et i m e d w d mt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sb e c o m em o r ea n dm o r ep e r f e c tt ob e u s e df o i c o m m e r c i a lp u r p o s e d u r i n gt h er e s e a r c h0 1 1h i g h s p e e do p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，t h ei m p a c t o fp m do nt r a n s m i s s i o ns y s t e m sb e c o m e sm o r ea n dm o r ee n v i d e n tw i t ht h eg r o w t h o f t r a n s m i s s i o ns p e e d i t so n eo f t l l ek e yp r o b l e m st l l a tm u s tb er e s o l v e dt oi m p l e m e n t h i g h s p e e dl o n gh a u lt a n s m i s s i o ns y s t e m sa n d h a si n c u r r e dm u c ha t t e n t i o n i t so n eo f f o c u s e dr e s e a r c hi s s u ei n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o na r e aa l lo v e rt h ew o r l d a l t h o u g hm u c hi m p r o v e dm o r e d e nf i b e rm a k et e c h n o l o g yh a sd e c r e a s e df i b e rp m d c o e f f i c i e n tg r e a t l y b u tp m dc o e f f i c i e n to fm o s te a r l yb u r i e df i b e r sa r es u b s t a n t i o u s l y l a r g e t oi m p r o v es y s t e mc a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e 、t r a n s i m i td a t ar a t e s h i g h e rt h a n1o g b i t so nc u r r e n tf i b e r s i sg r e a t l yd e s i r e db e c a u s et h i si sh e l p f h lt os a v e r e s o u r c e s or e s e a r c ho np m dc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e si se s s e n t i a l s i n c ep m di sc a u s e db yb i r e f r i n g e n c ee 髓c to fo p t i c a lf i b e ra n dal o to f c o m p l i c a t e df a c t o r sc a nl e a dt of i b e rb i r e f r i n g e n c e f i b e rb i r e f r i n g e n c es h o wr a n d o m c b , a r a c t e r i s t i ca n dc a na l s ob ea f f e c t e db ye n v i r e m e n tc o n d i t i o n ss u c ha st e m p e r t u r e m e c h a n i c a lp r e s s u r e p m dc a u s e dp u l s eb r o a d e n i n gc a ne n h e n c ei n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c ea n dl e a dt oh i g hb i te r r o rr a t e s t h i sp a 口e rw i l lg i v ea ne l a b o r a t er e s e a r c ho np m d ，i n c l u d i n gc a u s eo fp m d ，i t s d e f i n i t i o n p u l s eb r o a d e n i n gc a u s e db yp m d ，s t a t i s t i c a ln a t u r eo fp m da n dp m d w a v e p l a t ec a c a t e n a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l s u b s q u e n t l y , ac o m p a r i s o ns t u d yo no p t i c a l p m dc o m p e n s a t i o nt e c h q i u e si sg i v e n h e r ew ea l s oi n t r o d u c e daf e e d f o r w a r dp m d c o m p e n s a t i o nm e t h o d t h i sp m dc o m p e n s a t o ri sc a p a b l eo fc o m p e n s a t eh i g ho r d e r p m d s i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o h et ot h i sp m dc o m p e n s a t o ra n ds o m ed i s c u s s i o no n h o wt or e a l i z et h i sc o m p e n s a t o ri sg i v e d k e yw o r d s ：h i g hs p e e do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ，w a v e p l a t ec o n c a t e n a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l ，p m dc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 x7 6 5 0 6 5 本入声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鳋 至日期：竺! ! ：竺：! 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：鱼l 导师签名：日期： 南京邮电学院倾十论文 第一章偏振模也敞概述 第一章偏振模色散概述 一光纤通信中的限制因素、研究偏振模色散及其补偿技术的必要性 随着光纤制作工艺的提高和光纤通信技术的进步，光纤通信已经成为现代 通信技术的重要组成部分，光纤低损耗、高带宽的特性使之成为最主要的长距离、 大容量传输介质。目前，光传输网已经成为骨干传输网的主要组成部分，s d h 传输系统已经得到广泛的应用。经济的发展和信息量的迅速增长对通信网的传输 质量和传输容量不断提出新的要求，在这种需求的推动下，各种通信技术不断进 步，光通信也一直沿着高速率、大容量的方向不断发展【”。 光纤通信系统中的两个最重要的限制因素是光纤的色散和损耗。损耗引起 传输过程中的光信号功率不断的衰减，为了能够难确的接收光信号，需要在链路 中加入放大器件对信号进行放大以补偿传输过程中的功率损失。在商用放大器出 现之前，长距离传输的唯一办法是在传输链路中加入中继器，以提升信号的强度。 常舰的中继器放大光信号时需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及 光电转换，该过程比较复杂，运营成本高，而且不利于在高速多波长系统应用。 光放大器的实时、高增益、高带宽、在线放大、低损耗的全光放大功能在解决光 纤损耗对光传输系统速率与距离的限制作用的同时开创了1 5 5 0 n m 波段的波分复 用技术，使得超大容量、超长距离的d w d m 传输成为现实。 光纤放大器的出现解决了损耗问题，但是色散则是另一个影响系统传输的 重要因素。光纤中的色散主要是指光脉冲中不同频谱成分具有不同的传播速度， 导致传输后的脉冲展宽。脉冲展宽的危害具有两个方面：( 1 ) 部分脉冲能量会扩 展到相邻比特中引起码间干扰，( 2 ) 脉冲展宽导致接收端判决时刻脉冲功率的下 降，这些都会引起误码率的增加。在g 6 5 2 光纤上，由于在1 5 5 0 n r n 窗口具有相 对高的色散系数( 约为1 8 p s n m k m ) ，在传输速率高于2 5 g b i t s 的传输系统中， 色散问题就会成为传输瓶颈，必须采取色散补偿技术克服色散的影响。现在已经 有了非常成熟的色散补偿技术，包括利用色散补偿光纤补偿色散( 2 】、中途频谱反 转法补偿色散口】、光纤光栅补偿色散【4 】等许多实用的色散补偿技术。 在光纤放大器和色散补偿技术消除了损耗和色散对长距离光传输系统的限 南京佣f l u 学院颂 论文 第一帝偏振模色散概述 制作用后，使得光传输系统的速率得到迅速提高，偏振模色散效应对系统的限制 作用开始变得突出。早在1 9 7 8 年s c r a s h l e i g h 和r u l r i c h t s l 就发现光纤中的 随机双折射会造成脉冲展宽，这种现象被称为偏振模色散( p m d ：p o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o n ) 。在以前的低速光传输系统中，p m d 的影响不是很明显，因为 色散效应对系统的影响作用远超过p m d 。但是随着色散补偿技术的出现与应用， 系统传输速率得到大幅度提高，随着系统速率的不断提高，人们发现p m d 效应 的影响变得越来越明显。 导致光纤p m d 效应的因素很多，也比较复杂，同时，p m d 具有随机变化 的特性，而且其变化又与光缆周围环境的温度以及光缆制造及铺设过程的许多因 素都有密切的关系，其成因的复杂性及其随机变化的特性给分析研究带来了定 的困难。在利用色散补偿光纤解决色散限制问题的光纤链路中，由于色散补偿光 纤具有较小的有效面积，因此对纤芯的椭圆度比较敏感，通常具有较大的p m d 系数。另外已经铺设的光缆大多数也具有比较大的p m d 系数，光纤通信系统中 的许多器件也具有一定的p m d 效应，随着系统速率的提高，p m d 的限制性作用 将会变得越来越明显。因此，要在现有的光纤上传输高速光信号，将系统升级到 1 0 g b i t s 甚至4 0 g b i t s 以上，就必须考虑p m d 的影响。 现在的光纤制造工艺得到了提高，目前生产的光纤的p m d 系数一般均低于 o 5 p s k m “2 ，例如南京特恩驰公司的g 6 5 2 a 型长波光纤，p m d 系数为o 2p s k m ”! 。 当传输速率低于4 0 g b i t s 时一般无须补偿。但是不可能用低p m d 系数光纤重新 组建骨干传输网，特别是在人口密集的大城市，重新埋设光缆的代价将非常大。 对早期铺设的光纤线路的升级改造以及新系统的速率到4 0 g b i t s 甚至更高时则 只能采用p m d 补偿的办法，因而有必要研究补偿技术。 二单模光纤中的双折射效应 满足严格圆对称特性的单模光纤可以传输舰i 和册i 两个简并的正交偏振 模，若光纤的圆对称性被破坏，就会表现出双折射效应，此时两正交偏振模具有 不同的传播常数旧，引起传输后的脉冲展宽，这种现象被称为偏振模色散。 光纤制造工艺并不能保证光纤纤芯几何形状的圆对称性，1 的纤芯不圆度 就可以导致明显的双折射效应。如图1 1 所示，若纤芯非严格圆对称，光纤会表 南京邮电学院硕l ：论文 第一章偏振攘也敞概述 现出线双折射效应，出这种因素引起的双折射效应与光纤的归一化结构参数、以 及工作频率都有非常密切的关系。在高阶模截止频率附近( 对于阶跃折射率光纤 赢 一j 幽1 1 光纤纤芯非圆对称 幽卜2 应力烈折射 中矿z 2 4 的情况，这也是实际应用中的常规单模光纤的：l i 作状态) ，若光纤的横 截面是椭圆形【7 j 椭圆截面的长轴和短轴分别为2 0 、2 6 ，纤芯和包层的折射率差 为a n = n 2 ，且满足( 叫6 一1 ) l 时，双折射 就对纤芯的椭圆度不太敏感了，在满足2 ( b 一1 ) 6 条件时，高阶模截止频率 附近有【s j ： a , 6 0 2 5 k o ( ”) 2 ( 1 - 2 ) 这是在单模工作状态下能够由纤芯椭圆度引起的最大双折射值。 由于光纤由纤芯、包层等掺杂度不同的多层结构组成，因此光纤拉制后的 冷却过程中会因为光纤中不同材料组成部分的冷收缩系数不同产生内部应力，对 于材料和几何形状完全对称的光纤，内部应力也是对称的，不会引起双折射效应， 但是在光纤几何形状不对称的情况下，内部应力也就不对称，从而通过弹光效应 产生应力双折射。若纤芯圆对称，包层掺杂度高且为椭圆形，其长轴和短轴的长 度, d - 另t l 为2 口和2 6 ，如图1 2 所示，则有【9 】= 俨高跳t 篙a ( 1 - s ) 口= 二= 二一口竺兰 ( 1 3 ) ( 1 一v 。) + 口 其中c 。= 。3 ( p 。一p 1 2 ) ( 1 + v 。) 2 ，式中的k o 为自由空间中的波数，p 。和p ! 为光 纤材料弹光张量中的元素，为泊松比，a a 为包层和纤芯材料之间的热膨胀系 南京邮电学院颂士论文第一帚偏振模色散概述 幽卜3 光纤受到侧压力作悄幽卜4 v 型槽中的光纤幽卜5 光纤受剑横向电场作川 数差，为光纤中高掺杂度材料的软化温度和环境温度之差，为光纤的平均 折射率，该因素引起双折射效应随周围环境温度的变化而变化。 狳 图1 6 光纤的弯曲 图卜7 光纤往张力仵川r 缠绕 如图1 3 所示的侧压力作用会使光纤产生线双折射效应，模式传播常数差为 8 】： 啊趣袅 ( 1 4 ) 其中f 表示单位长度受到的压力大小，r 为光纤的杨氏模量，约为6 5 1 0 o n m 2 ， ，为光纤的外部半径。该公式适用于压力集中于光纤上很短一部分的情况。在图 1 - 4 所示的情形下，则有陵 吼= 强( 1 - c o s 2 蹦n 国务 o - 5 ) 式子中的2 巧为矿形槽的夹角，其他参数与上面相同。由该式子不难看出，用矿 形槽夹住光纤时必然会导致双折射，当2 占等于6 0 。时，双折射最小。 在图1 - 6 所示的纯弯曲情况下，光纤外侧部分处于拉伸状态，而内侧部分处 于压缩状态，导致线双折射效应，模式传播常数差为： 蝇= e 杀 ( 1 6 ) 其中r 为光纤弯曲半径，r 为光纤半径。 如图1 7 光纤受张力作用被缠绕引起线双折射效应，模式传播常数差为： 4 r 鬯幸 南京| i | | f i u 学院坝l 论文旃一帚偏振模包敝概述 e 等素s ( 1 ， 以= e _ l s ( 1 7 ) 其中占= f 舸2 y 表示光纤受到的平均轴向压力。综合以上所述可以看出光缆铺 设过程会影响光纤中双折射效应。 害睁 图卜8 光纤扭转 圈1 9 光纤受剑轴向磁场忭州 如图1 5 所示，横向电场作用下引起的克尔效应会引起线双折射效应，双折 射大小为： 芦，? = 2 柏n e ； ( 1 8 ) 其中b 。为光纤材料的克尔电光系数。对于常规光纤来说，其克尔系数非常小， 约为2 1 0 2 2 m 2 v 2 。 光纤在图1 - 8 所示的扭转作用下会产生圆双折射效应： 口= g r ( 1 9 ) 其中g = 一 ：( p ，。一p ! ) 2 ，f 为扭转率，单位为：r a d m 。对于硅光纤，垓数值大 约为0 1 4 6 。 在图1 - 9 所示的轴向磁场可引起的法拉第效应，从而导致光纤产生圆双折 射，设磁场强度为h ，圆双折射引起的模式传输常数差【旧1 ： 口= 2 v h ( 1 - 1o ) 其中v 为光纤材料的韦代尔常数，硅材料的韦代尔常数为约4 7 1 0 1 r a d a 。 模式双折射的定义为【6 1 ： b = lp ，一，1 1 ( 2 x ；c ) ( 1 1 1 ) 五是光波的波长。当光的偏振方向和双折射轴重合时，在传输过程中偏振态不会 发生改变，若是入射光的偏振方向和双折射轴有定的夹角，传输过程中将引起 两偏振模之间产生相位差： 庐( x ) = ( 成一卢。) z ( 1 1 2 ) 南京邮电学院硕士论文 第一章偏振模色散概述 传播了一段距离后，两个偏振模之间的相位差为( l ) = 2 牙，此时的偏振态和入 射时相同。该距离被称为光纤的拍长： 厶= 2 刀妒= 捌b( 】一】3 ) 常规单模光纤的拍长大概是1 0 c m 到2 m 的量级，相当于有效折射率指数差为 1 0 。q 押，- - n 。1 1 0 。的范围，大约相当于光纤的包层和纤芯之间有效折射率指数 差的l o 。l o 。实际上，制造和成缆过程中，光纤的微弯和扭转等扰动因素使 光纤双折射发生变化，在不同的z 处，会有几何形状、材料均匀性、压力等因素 的微小变化，导致两个偏振模分量之间出现能量的随机耦合以及输出光信号偏振 态的随机性。 三光纤双折射与偏振模色散、偏振模色散的定义 对于普通单模光纤而言，由前面的分析可以知，导致光纤双折射效应的因 素很多，也比较复杂。在这些扰动因素的共同作用下普通单模光纾中的双折射轴 方向会不断的随机变化，引起两偏振模分量之间的耦合。若忽略导致双折射的各 种因素之间的相互影响，则可以将光纤中的总的双折射效应看成各种因素引起的 双折射效应之和。在实际的光纤制作过程中，不可能保证光纤材料的完全各向同 性，也不可能保证光纤截面的严格圆对称性，另外在光缆铺设过程中光纤的弯曲， 以及外部应力作用、周围环境温度的变化等因素都会导致或影响光纤的双折射效 应，而且不论是外部因素还是内部因素导致的双折射效应都具有随机性，因此光 纤轴向不同位置处的双折射轴会随机变化，对双折射轴随机变化的统计特性可以 用1 光纤的自相关长度l 描述。 双折射效应引起偏振模之间的传输时延差，并且在传输过程中，光纤局部 双折射轴的方向以及双折射强度的变化还会引起偏振模耦合效应，同时光纤局部 双折射的变化还与环境温度，外部应力等因素密切相关。光纤双折射轴方向的随 机变化给p m d 的理论分析带来了很大的困难，偏振主念( p s p ：p r i n c i p l es t a t eo f p o l a r i z a t i o n ) 的概念有助于我们理解强耦合光纤中的p m d 效应。p s p 模型指出， 对于特定的频率而言，总是存在一对正交的偏振主态，当输入光沿偏振主态方向 6 南京邮电学院硕士论文第一章偏振模也敬概述 偏振时，在出射端会映射到对应的输出偏振态，出射偏振态对角频率的一阶导数 为零，这对p s p 具有不同的传输速度，快慢p s p 之间的传输时延差被定义为差 分群时延( d g d ：d i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y ) 。 任何输入脉冲可以看作沿两个p s p 方向偏振的脉冲的叠加，入射偏振态和 p s p 重合的光脉冲在传输过程中不会发生畸变。沿快( 馒) p s p 方向偏振的分量 具有最小( 大) 的传输时延，p m d 效应表现为两个f 交偏振主态之削的d g d t ”1 ， 在输出端这两个脉冲之间会有一定的传输时延差，从而导致脉冲展宽。 一阶近似下，d g d 和p s p 在光脉冲频谱范围内为常量，与角频率无关，实 际光纤中，d g d 和p s p 都是随角频率的不同而随机变化的，d g d 及p s p 表现 出的频率相关性被称为高阶p m d 效应。对于特定角频率处的p s p 和d g d 也会 在环境因素变化的影响下随机变化，因此p m d 具有统计特性，对其进行理论研 究必须借助概率和随机过程方面的理论。 对强模耦合光纤的研究结果表明，特性类似的同一种光纤，特定角频率处 的d g d 服从麦克斯韦分布【1 3 ，同一根光纤中，不同角频率处d g d 的统计分布 和特定角频率处的d g d 随时间变化的统计分布也可以用麦克斯韦分布i t 3 描述。 对于保偏光纤或者是长度远小于光纤自相干长度( l l 。) 的普通光纤来 说，双折射轴的方向是固定的，其d g d 随光纤的长度线性增加： f = f b c ) l ( 1 1 4 ) 其中日为光纤的双折射强度，c 为光速，为光纤的长度。对于长度远大于光纤 自相干长度的光纤，d g d 的均方根值( r m s ：r o o tm e a ns q u a r e ) 与光纤长度的 关系为【“1 ： f 。= ( 吃c ) 4 h l ( 1 - 1 5 ) 其中b 。，为平均双折射强度，h 为平均模耦合长度。在光纤的长度远大于自相关 长度的情况下，可以定义p m d 系数皿 x = ( b 。e ) 4 h ( 1 - 1 6 ) 从而光纤中p m d 的均方根值表示为： r 一= x 三 ( 1 - 1 7 ) 南京| i f i j l 乜学院硕士论文 第一章偏振模色散概述 假设没有偏振相关损耗( p d l ：p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ) ，在光纤轴向任 在输出端得到两个具有一定传输时延差的正交子脉冲，传输过程中，当双折射轴 群时延大于光源的相干时间或者是输入脉冲宽度足够窄，使得这些子脉冲之间不 同，这种效应和多模光纤中的模间色散大致相似。由于各个子脉冲到达时间的不 同，检测到的光强必然是随时间变化的，输出脉冲的强度为p ( t ) ，此时p m d 定 义为输出子脉冲时延分布的均方差： 一f 需一 器 2 。2 m 对超短脉冲经过光纤后的输出r m s 脉冲展宽进行测量就可以得到光纤中 的平均d g d ，被称为干涉测量法。对于保偏光纤，p ( f ) 有两个峰值，d r 就是两 个峰值之间的时延，对于强耦合光纤，尸( f ) 接近于高斯线型。理论分析得到曲和 光纤长度，、光纤的平均模耦合长度h 、单位长度光纤引入的平均时延差d 之间 的关系为 15 】： ( 占r ) 2 = d 2 ：h 2l ( 2 l - 一- + e 二孚 ( 1 1 9 ) 当考虑实际的光纤通信系统时，光源的相干时间通常大于光纤双折射导致 的偏振模之间的传输时延差，因此传输过程中不但会有偏振模耦合效应，也会有 偏振模之间的干涉，可以证明这种情况下存在一对正交的p s p 1 6 】，它们之间的传 输时延差为a t ( c o ) ，是角频率的函数，这时p m d 定义为两正交p s p 之间的传输 时延差在频域的统计平均值，m ：一q 足够大时曲和f 旧) 之1 自j 的关系为： 曲：坠兰 f 1 2 0 ) 2 一1 在光纤输入端采用高相干光源时，在输出端用波长扫描极值法【1 8 1 可以测得 南京邮电学院硕士论文 第一章偏振摸色散概述 a r ( a j ) 在很大角频率范围内的平均值，即： f 2 a r d a ) ( a r ) = 盅一 ( 1 2 1 ) 2 一i 出于a r ( o j ) 服从麦克斯韦分布，因此对于同一根光纤，前一种方法的测量结果大 约是后一种结果的3 万8 倍。 四偏振模色散对光纤通信系统的影响 光纤中的p m d 会导致很多危害因素【”1 ，光纤中存在一对f 交的输入偏振主 态，沿主态方向偏振的输入光在输出端会映射到另一对f 交的输出主态。输入脉 冲的可以分解为两个偏振态分别和p s p 重合的两个子脉冲，一阶p m d 使沿两个 偏振主态方向偏振的分量之间产生传输时延，从而在输出端两个子脉冲具有不同 的到达时问，两者叠加会形成一个展宽的脉冲，脉冲展宽的直接后果就是符号间 干扰，使系统误码率增加。 利用偏振主态模型可以很方便的分析p m d 导致的系统代价，假设输入脉冲 在两个p s p 之问的功率分配比为y ：1 一y ，o 2 ( 1 - 2 3 ) 其中( r 。 = 广t p ( t ) d t ，输出端脉冲的各阶时间矩分别为： ( f ：。) = 帆o + r 2 ) + 0 二y ) 只，o a r l 2 ) d t = 圪( r ) 出 ( 屯) = f 隐( t + a r l 2 ) + ( 1 一y ) 只o a f 2 ) k = ( 卜皿f + a r 2 ) p , 。( t ) d t ( 1 ，2 。) = 厂t 2 b 屹o + 2 ) + ( 1 一y ) 昂。一a t 2 ) k ：广( f 2 2 y t a r + t a r + a r 2 1 4 ) 只，( o a t 代入式( 1 2 3 ) 可得输出脉冲的r m s 展宽与输入脉冲r m s 展宽之间满足的关系： 9 南京邮1 u 学院硕十论文 第一章偏振模色散概述 盯。2 w = 仃f j l 2 + a t 2 r ( 1 一，)( 1 2 4 ) 可定义系统代价如下： 缒a警21av2yf(1-7)or ( 1 - 2 5 ) ，2 盯：z 吒 可以看出p m d 造成的系统代价与d e a d 的二次方成正比，与入射脉冲的波形以 及在p s p 上的功率分配比有关，当入射脉冲在两个p s p 上的功率相等时造成的 功率代价最大。 对于眼图代价，也有十分相似的表达式： e o p a 口= a ( a r t b r ) 2 z ( 1 一y ) ( 1 2 6 ) 其中4 是与脉冲波形有关的因子，b r 为系统的速率。因此对r m s 脉冲展宽的 研究结果和系统性能密切相关。 在波分复用系统中，经常控制光发射机使相邻信道中的光信号具有正交的 偏振态，因为这样可以有效地抑制四波混频( f w m ：f o u rw a v em i x i n g ) 、交叉相 位调制( x p m ：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 等非线性效应。对于简单的两信道的波 分复用系统，若相邻信道中光信号的偏振态正交，则系统中没有f w m 效应，同 时x p m 效应的强度也降低为原来的一半，由于f w m 和x p m 是恶化w d m 系 统性能的最主要因素，因此保证相邻信道中光信号的正交性对于提高系统的传输 性能是有用的。但是光纤中的p m d 会引起光信号的偏振态在传输过程中发生变 化，且各个信道中光信号偏振态在传输过程中的变化是不同的，从而不能够保持 各个信道中光信号的正交性，甚至会增强f w m 。从而破坏这种f 交性，数值仿 真表明，假设每个信道的功率和p m d 固定，随着信道间隔的增加，相邻信道输 入光信号偏振态正交和平行两种情况下的系统q 值的差别越来越小，因此必须 选择合适的信道间隔。利用偏振主态理论可以估计到系统信道间隔应小于为【2 2 】： a u = ( 4 a t ) ，该近似表达式和数值模拟的结果相当一致。当然信道间隔也不能 太小，太小了会增加信道问干扰。另外在p m d 和x p m 的共同作用下，光信号 的偏振态在传输过程中会迅速改变，有时候相邻的两个脉冲也会有不同的偏振 态，在接收机对信号的偏振态敏感的情况下，是非常不利的，而且这也会给p m d 补偿带来极大的困难。由于p m d 会引起传输过程中的偏振模耦合，因此在偏分 南京邮电学院硕士论文第一章偏振模色散概述 复用系统中，p m d 会导致复用信道之间的互相干扰。 另外光发射机导致的光信号的时间和幅度抖动也会增加p m d 引起的系统 损伤，特别是瞬时d g d 比较大的时候。在发射机完全理想的情况下，具有3 d b 光信噪比( o s n r ) 裕度的系统的性能和只有l d b 功率裕度并具有p m d 补偿器 的系统的性能是一样的，但是若发射机的特性不理想，则需要大约5 d bo s n r 裕度1 2 3 1 。而且测量结果显示，一阶p m d 对归零码( r z ：r e t u r nt oz e r o ) 和非归 零码( n r z ：n o dr e t u r nt oz e r o ) 导致的功率代价和判决门限及接收机的电子带 宽也具有很大的相关性1 2 。 五抑制偏振模色散的方法简介 数字光纤通信系统向长距离，d w d m 、高比特率方向迅速发展，模拟光纤 通信系统也已经成为c a b l et v 分布网的主干网，这样的发展趋势对传输光纤、 发射机、以及网络设备等提出了严格的要求【25 1 。为了提高系统的传输性能，减 小p m d 对传输的影响，就必须研究抑制和补偿p m d 的方法。 首先可以采用p m d 系数比较低的光缆作为传输介质，当然要求研究光纤制 作工艺，制作出低p m d 光纤。研究表明，在拉制光纤的同时旋转光纤可以有效 的降低光纤中的p m d 系数，而且旋转速率周期性变化比按照固定速率旋转会产 生更加好的效果i z ”。 p m d 对系统传输性能的影响和脉冲波形具有一定的关系，比较一致的观点 2 7 1 【3 2 1 是在受p m d 效应限制的传输系统中，使用r z 调制格式可以获得更好的传 输性能。对两种调制格式给定相同的功率裕度( 例如在误码率为1 0 “2 时的输入 功率的基础上增大2 d b ，则给定的功率裕度为2 d b ) ，然后分别计算采用这两种调 制格式传输时的系统中断概率或者误码率，结果表明【33 】给定相同功率裕度时， 脉冲的宽度越窄，系统的中断概率越小，对于占空比为2 0 的r z 码来说，在容 许相同中断概率的情况下，r z 码能够比n r z 码多传输7 2 的距离，因此p m d 对 r z 码比n r z 码的影响小，一种解释是r z 码的比特能量更加集中于比特码元的中 心，在d g d 大小相同时，r z 码的能量不容易泄漏到相邻的比特槽，因此引起的 码间干扰小。但是脉冲的宽度越窄，对应地在频域就具有更宽的频谱，因此更加 容易受到高阶p m d 的影响，理论分析表明占空比存在最优值，该数值和光纤的 南京邮电学院硕士论文第一章偏振模色散概述 平均d g d 成比例【3 3 】。另外提高功率裕度可以增加系统的p m d 容限，例如对于n r z 码，若将功率裕度从2 d b 增j j l l 至i j 7 d b ，则相同中断概率情况下传输距离可以增加 为原来3 4 倍。 但是通过增加功率裕度或采用短脉冲调制格式的方式来补偿p m d 恶化效应 的方法是相当昂贵的，而且非常复杂，特别是在w d m 系统中。 在误码率比较大的系统中采用前向纠错( f e c ：f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 的 方法也非常有效 3 4 】，综合采用f e c 、增加功率裕度和采用短脉冲调制格式的方 法，设定所能容许的中断概率的情况下，系统的传输速率可以增大为原来的7 5 倍，相当于一阶p m d 补偿的效果。 在p m d 补偿技术研究领域内，近年来相继提出基于光域、电域或二者混合 的自适应p m d 的补偿方法。p m d 电域补偿方法可以分为两类：用分集接收机接 收的方法和用电均衡器对信号在电域进行均衡的方法。由于p m d 会和光纤中的 非线性、色散以及光发射机导致的初始脉冲啁瞅发生相互作用，呈现出复杂的行 为，因而也有人提出在发射端调节脉冲的偏振态和啁啾抑制p m d 的恶化作用f 3 ”， 或者利用非线性克尔效应抑制p m d 效应【3 “。 分集接收方法 3 7 l 的优点是可以将p m d 补偿和接收集成，同时可以利用对信 号按偏振态分解的过程实现对光信号偏振度的快速测量，缺点是需要对多个检测 器进行校准。与分集接收技术不同的是电域均衡技术中只用一个检测器对信号进 行检测，但是需要对信号进行电子处理以提高信号质量或者需要智能的判决电路 进行判决。目前主要报道的技术有：横向滤波器【 8 】，反馈判决均衡器及极大 似然检测器【4 0 1 。其中横向滤波器由抽头延迟线组成，均衡过程中，横向滤波器 根据不同的链路p m d 值动态调整各延迟单元的加权系数，从而使滤波器的传输 矩阵近似与光纤的传输矩阵互逆，以消除p m d 的影响。反馈式判决均衡器主要 是由利用已经检测过的比特所携带的信息动态调整判决门限。通常反馈式判决均 衡器的性能可以超过横向滤波器。极大似然检测方法主要是用维特比解码方法， 对几个比特作为整体进行检测来代替对通常对单个比特进行检测，从而可以利用 比特组之间的相关性信息消除p m d 导致的码元干扰，降低误码率。 在光域进行p m d 补偿可以在发射端进行补偿或者在接收端进行补偿。在发 射端进行补偿的方法主要通过调整输入端的偏振控制器( p c ：p o l a r i z a t i o n 南京邮电学院硕士论文第一章偏振模色散概述 c o n t r o l l e r ) ，使输入信号的偏振态与光纤的p s p 重合，从而可以消除一阶p m d 对信号的影响。该方法需要从接收端引入反馈信号到输入端，因而对于长距离通 信系统，反馈信号从接收端传输到输入端的时延比较大，不能根据链路中的p m d 变化及时调整输入端的p c ，从而影响补偿效果。 接收端补偿的方法主要是在接收端引入时延单元，若把补偿器和传输链路 看做一个整体，则在光域的p m d 补偿方案是通过调节补偿器，使其p m d 最小， 从而减小p m d 对信号的恶化作用。为了产生可调的时延，可以采用保偏光纤、 l i n b 0 3 晶体h 2 1 或者是布拉格光栅h 3 1 。补偿器中的双折射元件越多，就越有可能 对高阶p m d 产生好的补偿效果，但是同时也增加了控制的难度。也可以使总的 p m d 与信号的输入偏振态方向一致，类似于主态传输补偿p m d 。光时延单元可 以是固定的也可以是可调节的，对补偿装置的调节需要通过反馈环路根据链路中 的p m d 值对补偿器进行动态控制以达到最佳补偿效果，也可以通过计算获得补 偿参数从而实现前馈式控制。 本文主要研究了p m d 导致的脉冲展宽效应和光纤中p m d 大小的关系以及 p m d 的光域补偿技术，并提出了一种对高阶p m d 有补偿效果的前馈式补偿器， 同时也对p m d 光域补偿器的实用化问题作了一些探讨。本文的内容是这样安排 的： 第一章讨论光纤通信系统中的偏振模色散效应，包括光纤中的双折射效应 及其随机性，偏振模色散产生的机理，偏振模色散效应对光纤通信系统的影响， 补偿的必要性以及各种补偿方法的简介和简单比较。 第二章介绍偏振现象的描述方法，描述偏振模色散的基本方程，研究偏振 模色散问题的理论方法和数值仿真模型，并比较仿真模型和理论分析得到的偏振 模色散的统计分布特性。 第三章分析偏振模色散导致的脉冲展宽效应以及考虑色散的情况下高斯脉 冲的有效展宽度的分布情况，并结合数值模拟加以验证。 第四章研究偏振模色散光域补偿方法，包括补偿器的基本结构，监测信号 的选择，补偿器跟踪控制算法，并提出前馈式补偿方法。 第五章讨论光域中偏振模色散补偿技术的实用化问题，并提出前馈式补偿 器的实现方案，以及偏振模色散补偿器中的关键元件( 主要是偏振控制器和光时 南京邮i b 学院颂上论文 第一辛偏振模色散概述 延单元) 的工作原理。 小结 多种复杂的因素导致了单模光纤的随机双折射特。t i ，引起传输后的脉冲展 宽，增大了码间干扰和误码率，使系统传输性能下降。在光纤长度远大于光纤的 自相干长度的情况下，光纤中的平均群时延和光纤长度的平方根成f 比，比例系 数被称为光纤的p m d 系数。在数字通信系统中，偏振模色散导致的功率代价与 脉冲的r m s 宽度的平方成反比，和光纤中的d g d 值的平方成正比。在w d m 系统以及偏分复用系统中，p m d 会导致复用信道之间的互相干扰。抑制p m d 对 系统的影响可以采用低p m d 系数光纤、选择受p m d 限制作用较小的调制格式、 f e c 和p m d 补偿等多种办法。目前在补偿技术方面已经提出了电域横向滤波、 反馈式判决、主态传输、光域p m d 补偿等多种技术。 南京邮i 乜学院顺上论文第一章偏振摸也敞概述 参考文献 韦乐平，光纤通信的现状与展望光通信研究，2 0 0 0 年第三期，i 1 0 f 2 1 王林，方玲，杨恩泽等，光纤通信系统中的色散补偿，光通信研究，1 9 9 8 年第五期，1 1 ，1 5 f 3 1 陈根祥，简水生，利用中途频谱反转实现的光纤色散补偿，光通信技术，1 9 9 4 第二期，7 9 8 7 【4 】杨秀峰，余有龙，李智红等，光纤通信系统中的色散补偿的研究，光电子。 激光，第九卷，第四期，1 9 9 8 ，2 8 8 2 9 0 5 1r a s h l e i g hsca n du l r i c hr p o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o ni ns i n g l