（物理电子学专业论文）光纤通信系统中偏振模色散补偿及算法的研究.pdf

本论文的资助来源为： 摘要 1 国家“8 6 3 ”基金项目( 项目编号：2 0 0 1 a a l 2 2 0 4 1 ) 光纤偏振模色散自适应补偿技术 2 国家自然科学基金课题项目( 项目编号：6 0 0 7 2 0 4 2 ) 高速光纤通信系统中偏振模色散自动补偿技术的研究 随着光通信系统中码速率不断提高，偏振模色散成为系统中限制1 0 g b s 或 以上光纤通信系统长距离传输的重要因素之一。本论文的重点阐述偏振模色散： 包括偏振模色散的原理、偏振控制器的实用技术、逻辑控制单元和对搜索补偿算 法( 粒子群优化算法) 在偏振模色散补偿实验中的运用。在二阶段偏振模色散补 偿实验中，搜索补偿时间大约3 0 m s 左右，如何提升偏振模色散补偿是下一段的工 作任务，本论文的研究工作主要归结为如下几点( 黑体部分为创新性工作) ： 偏振模色散的概念和基于偏振度作为补偿方式傲了归纳 控制偏振控制器的二、三个自由度及其各自的性能分析 二阶偏振模色散腔码在通信系统中补偿实验的研究 首次提出粒子群优化算法( p s 0 ) 作为搜索补偿算法，并成功应用 关键词：偏振模色散光纤通信偏振控制器粒子群优化算法r z 码反馈控制 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r e s u p p o r t e db yf o l l o w i n g f o u n d a t i o n ： n a t i o n a l8 6 3h i g ht e c h n o l o g yp r o j e c t n o 2 0 0 1 a a l 2 2 0 4 1 t e c h n o l o g i e s 0 fa d a d t i v ec o m p e n s a t i o i lf o rp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a 。n o 5 0 0 7 2 0 4 2 ，t h es t u d v o nt h et e e h n o l o g i e so fa u t o m a t i cc o m p e n s a t i o nf o rp o l a t i z a t i o r lm o d e d i s p e r s i o ni nh i g hb i tr a t eo p t i c a lf i b e tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i 也t h ei n c r e a s i n go f b i t - r a t e 。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 佃m d ) h a s b e c o m e o n eo fs e r i o u so b s t a c l e si nl o n gd i s t a n c ef i b 盱c o m m u n i c a t i o ns y s t e r n se s p e c i a l l yf o r 1 0 g b i t so rb e y o n d t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h et o p i co f p m d ，w h i c hi n c l u d e t h ep r i n c i p l e so f p m d ，t h e p r a c t i c a lt e e h n o l o 百髓o f p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，l o g i c a l c o n 拉o lu n i ta n d 也es e a r c he o m p e r m a t i o na l g o r i t h m ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n li n t h ee x p e r i m e n to f p m d c o m p e n s a t i o n i n o u re x p e r i m e n to f 2 ”o r d e l p m d c o m p e n s a t i o n t h es e a r c hc o m p e n s a t i o nt i m e w a sa b o u t3 0 m s 。h o wt ou p g r a d e 也e m e t i l o do f p m d c o m p e n s a t i o ni nn e x ts t a g e ，t h er e s e a r c hw o r k i nt h ed i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h eb a s i cc o n c e p t so fp ma n dt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o dd e p e n do nd o p a r e s u m m a r i z e d t w oa n dt h r e ed e g r e e so ff r e e d o mo np o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rh a si n d i v i a l c h a r a c t e r s as e r i e so fp m d c o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n tu pt o2 - o r d e ri n4 0 g b sr z c o d e t r a n s m i s s i o ns y s t e m s f o rt h ef i r s tt i m e , p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a st h es e a r c h c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m w a s s u c c e s s f u l l yr e a l i z e d k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o n f i b e rc o m m u n i c a t i o n p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e rp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n r zc o d ef e e d b a c kc o n t r o l 论文资助来源 国家“8 6 3 基金项目 光纤馕舅l 模色散自适应带q 套鲎p k ( 项目编号：2 0 0 1 a a l 2 2 0 4 1 ) 国家自然科学基金课题项目 高速光纤通信系统中馕氟模色散自动补偿技术的研究 ( 项目编号：6 0 0 7 2 0 4 2 ) 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：g 譬建落日期：逊墨臼幽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授 日期： 日期： 北京邮电太学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节偏振模色散研究背景 近年来，为满足日益增长的带宽需求，光纤通讯系统已取得了巨大的进展。 单模光纤( s m r ) 系统性能的主要限制因素包括衰减、色散和非线性，以及最 近引起注意的偏振模色散俾m d ) 。 对于操作在1 3 1 0 r i m 窗口的传统单模光纤系统，由光纤衰减引起的光功率损 失限制了系统的传输距离。在此波段中，单模光纤具有零或非常低的色散，系统 的传输速率也较低，且操作在单一波长上。在高传输速率、长距离的应用中，更 多的系统操作在衰减较低的1 5 5 0 n m 窗口。光放大器的发明以及激光源和接收器 的改进，促使了长距离、高速率密集波分复用( d w d m ) 系统的应用。在这些系统 中，色散和非线性成为主要的考虑因素。为了减少色散和非线性对系统性能的限 制，非零色散位移光纤州z d s f ) 相继推出，例如康宁公司的l e a f ( 大有效面积 非零色散位移光纤) 。 这些新型光纤以及色散管理技术，已被有效地应用于商用单模光纤系统中。 激光发射器和接收器技术的发展，对光纤的要求已趋其理论极限。p m d 也 成为长距离、高数据率( 1 0 g b s ) 数字系统和放大调频模拟( i g h z ) 和图象传递 系统的主要限制因素之一。 随着各种补偿技术的发展，群速度色散( g v d ) 不再对系统的性能造成大的影 响。特别是高速、长距离通信系统的快速发展，p m d 的影响逐渐重要起来，尤 其是通信速率达到1 0 g b s 时，在上世纪9 0 年代初及其之前铺设的光纤必须考虑 p m d ；在通信速率达到4 0 ( m i t s 时，在近年铺设的光纤也必须考虑p m d 。但是 p m d 对外界影响敏感，随时间和外界环境的影响的随机变化，补偿起来非常困 难。所以p m d 的影响是限制高码率传输的最终限制因素。 研究p m d 对系统的影响，有的是不考虑其他效应p m d 单独的影响，也有 的是和其他效应共同的影响。单独考虑p m d 的影响时，可以是差分群时延( d g d ) 的影响，也可以是二阶p m d 的偏振主态( p s p ) 旋转率的作用【8 】，也可以分析 一阶补偿的限制 8 】，还可以研究不同的调制码型对p m d 的抵抗能力【9 】。当考虑 与其他效应的共同作用时，可以是p m d 与色散、非线性的影响，一种特殊的情 况是研究孤子系统对p m d 的抵抗能力 1 0 ，1 1 ，偏分复用系统的性能 1 2 ，1 3 ，如 果是线性系统，可以考虑p m d 与色散、啁啾的共同作用【1 4 ，1 5 】，在p d l 存在的 条件下，p m d 对系统的影响及p m d 补偿系统性能的变化 1 6 1 7 1 。对于多信道的 情况，p m d 补偿效果与交叉相位调制( ) a ，m ) 1 8 ，1 9 】的关系。p m d 对w d m 系 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 统中四波混频( f w m ) 效应的影响【2 0 。总的说来，近年对于p m d 的研究迅速 成为热点，主要来自以下几个方面的原因： 1 建立全光通信网 掺锤光纤放大器( e d f a ) 和r a m a n 放大器减小了光纤损耗的限制，能在很宽 的波长范围提供高增益。光纤通信系统码率的不断提高和e d f a 的应用，全光通 信网的建立带来一个严重问题：使原本微小的偏振效应，如p m d 、偏振相关损 耗( p d l ) 等不良效应在传输链路上不断积累，最终对光纤通信系统产生了不容忽 视的影响，从而成为下一代光纤通信系统必须考虑的重要因素之一。 2 高速率和长距离 由于社会信息量的爆炸式增长的驱动和多种光通信技术的不断成熟，光纤 通信正在朝着单信遭高速率和长的无电中继距离发展。特别是波分复用( w d m l 系统技术发展十分迅速 1 2 】。可以肯定e d f a + w d m 已是当前世界光通信发 展的潮流和趋势。在采用密集波分复用( d w d m ) 系统信道的间隔比较窄，p m d 会导致系统频谱的交叠，光脉冲展宽，脉冲之间产生干扰，使系统性能造成影响， 限制了码速率的提高，增加了误码率。 3 充分利用现有光纤网络 由于过去在比特率比较低的情况下，p m d 并不会对系统造成影响，所以在 二十世纪9 0 年代之前铺设的光纤，p m d 系数都比较大，有的甚至超过 o 8p s 赢。铺设新光缆每l k m 花费数万元费用，在大城市每铺设l k m 所占用 的地下管道也需要数万元费用，利用这些光纤传输商比特率信号，p m d 是必须 考虑的因素之一。所以对现有的光缆的改造是成本低，见效快的方式。 第二节偏振模色散研究的进展 偏振模色散是由光纤不圆度、光纤内部残留应力、环境温度变化等因素引起 相互芷交的两个偏振基模因传输速度不同面导致的脉冲展宽。在2 5 g b s 以下的 光纤通信系统中几乎感觉不到偏振模色散的存在。当传输码率大于1 0 g b s 时， 偏振模色散对系统的损害就明显地表现出来。 随着光通信系统的飞速发展，对于p m d ，特别是补偿方面的研究刻不容缓。 从8 0 年代起，人们就开始对于p m d 进行了理论研究，主要包括成困、特性、 测量和对系统影响等几个方面。随着码率的不断提高，p m d 对系统影响逐渐严 重。但是由于p m d 具有其他光纤参数所不同的特性，即随机性，使得对p m d 的定量分析及补偿都异常困难。在实验室条件下的p m d 补偿技术已经日趋完善， 相信真正实现p m d 的商用化并不遥远。 我国对p m d 的研究起步比较晚，早年出现了一批文章。这些文章主要分为 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 三类。一是一些综述文章：二是理论文章，主要集中在p m d 特性方面；三是 些实验文章。几乎全部集中在p i v l d 测量及随机各种条件变化方面。在最近几年， 对p m d 的研究发展得非常迅速，通过发表在杂志和国际会议的文章逐年增多， 在o f c2 0 0 1 ，总共6 0 6 篇的文章里面，关于p m d 的文章达到3 6 篇，提到p m d 的文章为6 8 篇，0 f c 2 0 0 3 ，关于p y d 的文章达到5 l 篇，0 f c2 0 0 4 年分4 个组， 关于p m d 方面的文章3 6 篇。在p o s t e rs e s s i o n1 0 7 篇文章中关干p m d 的有9 篇。这说明p m d 在高速光纤通信系统中的重要性。 研究p m d 对系统影响的方法，除了用实验方法之外，还有：解析方法，最 典型的是分析系统脉冲宽度在p l v l d 下的影响 4 1 7 阳w d m 系统中平均斯托克斯 ( s t o k e s ) 参量的演化情况【5 】，虽然解析法具有概念清晰的优点，然而适用的范 围毕竟很小，因此在大多数情况下采用的是级联双折射光纤的数值模型 3 ，用 它取得p m d 的统计样本，然后计算系统在这些样本点下的性能参数，这些表征 系统性能的参数可以是误码率，q 因子，或者脉冲展宽等等参数，由于p m d 的统 计特性，这些被测的系统参数也表现出统计特性，平均值或者故障概率( o u t a g e p r o b a b i l i t y ) 6 等具有统计概念意义的参数是描述p 如影响时常用的指标。另 外一种重要的方法是基于耦合的非线性薛定谔方程( c n l s ) 的模型，与此有关的 是粗步长法 6 和m a n a k o v 方法 7 ，这种方法易于研究p m d 与其他效应共同作用 时对系统的影响，不利的一面是它无法区分是一阶还是高阶p m d 的作用。总的来 讲，用数值方法需要很大的计算量才能满足统计规律的要求。 第三节论文主要工作及结构安排 本论文主要围绕偏振模色散的自适应补偿技术而展开，重点讨论了自适应补 偿方式、反馈控制算法和对偏振控制器进行了研究，以及与之对应的一些实验， 论文主要工作及结构安排如下： 第一章为绪论，内容包括 偏振模色散研究背景 偏振模色散研究的进展 论文主要工作及结构安排 第二章对偏振模色散补偿技术作了一个概述，介绍偏振控制器的原理和应 用，并介绍了在一阶段和二阶段偏振模色散补偿的理论和算法的研究，提出用偏 振度椭球最为反馈控制信号的初步研究 3 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 偏振模色散的基本理论 单模光纤中的双折射引起偏振模色散现象 偏振主态( p s p ) 的概念 偏振模色散补偿方式 d o p 作为反馈控制信号 偏振模色散补偿实验 偏振控制器进行简介 二阶段偏振模色散补偿的实验的研究 以偏振度椭球作为反馈控制信号 第三章对反馈控制算法进行研究，主要包括以下内容 算法实现的实验安排 搜索补偿算法 p s o 算法原理 p s o 算法的拓扑结构 l p s o 和c s o 算法的比较 4 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 参考文献 1 r e s c h u h ，x u e k a n gs h a h ，a n da s s i d d i q u i ， p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o ni n s p u n f i b e r sw i t hd i f f e r e n tl i n e a r b i r e f r i n g e n c e a n ds p i n n i n g p a r a m e t e r s ”，j = l i g h t w a v et e c h n o l ，1 9 9 8 ，v 1 6 ，n 9 ，p p i 5 8 3 1 5 8 8 2 】b w e d d i n ga n dc n h a s l a c h ，“e n h a n c e dp m dm i t i g a t i o nb yp o l a r i z a t i o n s c r a m b l i n g a n df o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，o f c 2 0 0 1 ，w a a i 1 ( 3 】n g i s i n ，j p p e l l a u s “p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ：t i m ev e r s u sf r e q u e n c y d o m a i n s jo p t c o m m u n 1 9 9 2 ，8 9 ，p p 3 1 6 3 2 3 【4 m k a r l s s o n ， p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n i n d u c e dp u l s eb r o a d e n i n gi no p t i c a l f i b e r s ”，o p t 厶舱，1 9 9 8 ，v 2 3 ，n 9 ，p p 6 8 8 6 9 0 5 e m - i c of o r e s t i e r i ，g i a n c a r l o p r r a t i e x a c ta n a l y t i c a le v a l u a t i o no fs e c o n d - o r d e r p m di m p a c to nt h eo u t a g ep m b a l i t yf o rac o m p e n s a t es y s t e m j o u r n a lo f “g h t w a v et e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ，2 2 ( 4 ) ：9 8 8 1 4 9 1 6 】p k a w a i ，c r m e n y u k , a n dh h c h e n ，“s t a b i l i t y o fs o l i t o n si nr a n d o m l y v a r y i n gb i r e f r i n g e n tf i b e r s ，”o p t l e t t ，1 9 9 i ，v 0 1 1 6 ，p p l 2 3 1 1 2 3 3 7 】d m a r c u s e ，c r m e n y u k a n d p k a w a i ，“a p p l i c a t i o n o ft h e m a n a k o v e q u a t i o n t os t u d i e so fs i g n a l p r o p a g a t i o n i n o p t i c a l f i b e r sw i t h r a n d o m yv a r y i n gb i r e f r i n g e n c e ：j ：z i g h t w a v e t e c h n o l ，l9 9 7 ，v 1 5 ，n 9 ， p p l 7 3 5 1 7 4 6 【8 】d m a h g e r e f t e h ，c r m e n y u k , e f f e c to f f i r s t - o r d e rp m d c o m p e n s a t i o no nt h e s t a t i s t i c so fp u l s eb r o a d e n i n gi n af i b e rw i t hr a n d o m l yv a r y i n gb i r e f i i n g e n c e ， i e e ep h o t o n t e c h n o ll e t t 1 9 9 9 ，v ll ，n 3p p 3 4 0 - 3 4 2 9 h s u n n e r u d ，m k a r l s s o na n dp a a n d r c k s o n , “ac o m p a r i s o nb e t w e e nn r z a n dr zd a t af o r m a t sw i t hr e s p e c t t op m d i n d u c e d s y s t e md e g r a d a t i o n ， o f c 2 0 0 0 ，w t 3 - 1 1 0 】c x i e ，m k a r l s s o n ，p a a n d e r s o n ，e ta l ，“r o b u s t n e s so fd i s p e r s i o n - m a n a g e d s o l i t o n st ot h ep o l a r i z a t i o n - m o d ed i s p e r s i o ni no p t i c a lf i b e r s ，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 1 ，v 1 3 ，n 2 ，p p l 2 1 - 1 2 3 ll 】h s u n n e m d ，j l i ，p a a n d r e s o n , e ta l ，“e x p e r i m e n t a lq u a n t i f i c a t i o no f s o l i t o n r o b u s t n e s st o 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 i n d i s p e r s i o n - m a n a g e ds y s t e m s ”， i e e ep h o t o n t e c h n o ll e f t ，2 0 0 1 ，v 1 3 ，n 2 ，p p l1 8 - 1 2 0 12 】x z h a n g ，m k a r l s s o n ，p a a n d e r s o n ，“p o l a r i z a t i o n - d i v i s i o nm u l t i p l e x e d s o l i t o n si no p t i c a lf i b e r s w i t hp o l a r i z a t i o n - m o d e d i s p e r s i o n ”，i e e ep h o t o n 5 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 t e c h n o ll e t t ，1 9 9 8 ，v 1 0 ，n 1 2 ，p p l 7 4 2 - 1 7 4 4 【1 3 】c a e l e f f h e d a n o s ，d s y v r i d i s ，t s p h i c o p o u l o s ，e t a 1 ，“i n f l u e n c e o f p o l a r i s a t i o nm o d ed i s p e r s i o no nt h et r a n s m i s s i o no fp a r a l l e l a n do r t h o g o n a l l y p o l a r i s e ds o l i t o n sa t4 0 g b s o p t c o m m u n ，1 9 9 8 ，1 5 4 ，p p l 4 1 8 1 4 s l a n n e ，d p e n n i n c k x ，j p t h i e r y , e ta l ，“i m p a c to nc h i r p i n go np o l a r i z a t i o n d i s p e r s i o nc o m p e n s a t e ds y s t e m s ”，i e e e p h o t o n t e c h n o ll e t t 2 0 0 0 ，v 1 2 ，n ll ， p p 1 4 9 2 1 4 9 4 15 】y z h e n g ，c y l i ，b 。j y a n ga n dx g z h a n g ，“i m p a c t so fp m d o nt h e p u l s e w i d t h w i t h c o n s i d e r i n g i n i t i a l p u l s e c h i r p a n df i b e r g v d ”，o p t c o m m u n 2 0 0 1 ，2 0 0 ，p p l 9 3 1 9 9 f 1 6 1h f h a n n s t e i na n dh m k a l l e r t ，“i n f l u e n c eo fp m d o nt h ep e r f o r m a n c eo f o p t i c a lr a n s m i s s i o ns y s t e m s i nt h e p r e s e n c eo f p d l ”，o f c 2 0 0 1 ，w t 4 1 【l7 】l 一s y a h , q y u , y x i e ，a n d 丸e 。w i l i n e r , “s t a t i s t i c a lm e , a s u r c m e n to f t h e c o m b i n e de f f e c to f p m da n dp d l u s i n ga1 0 g b sr e e i m u l a t i n gl o o pt e s t b e d ， o f c 2 0 0 1 、坩5 - i 1 8 r k h o s m v a n i ，y x i e ，l s y a h ，y w s o n g ，a e w i l i n e r , a n dc r m e n y u k , “l i m i t a t i o n st of i r s t - o r d e rp m dc o m p e n s a t i o n i nw d ms y s t e m sd u et o x p m - i n d u c e dp s p c h a n g e s ，o f c 2 0 0 1 ，w a a 5 - l 【1 9 】z p a n ，q y u ，a n da e w i u n e r ， f a s t x p m i n d u c e d p o l a r i z a t i o n - s t a t e f l u c t u a t i o n si nw d m s y s t e m sa n d t h e i rm i t i g a t i o n ”，o f c 2 0 0 2 ，t h a 7 2 0 】h s u r m e r u d ，j 。h a n s r y d ，p a a n d r e k s o n a n d m k a r l s s o n ，“i m p a c to f p m d o n f w mc m s s t a l ki nw d m s y s t e m s ”，o f c 2 0 0 0 ，t h b 5 - 1 6 北京邮电大学硕士论文 第二章偏振模色散补偿技术概述 第二章偏振模色散补偿技术概述 偏振模色散的研究在l o g b i t s 及以上的高速光纤通信系统的长距离传输应 用性很强，因为p m d 限制了系统传输距离的进一步增加。光通信的发展一日千 里，当未来的光通信系统传输速率会达到4 0 g b i t s 或者更高，偏振模色散的影响 将不容忽视。因此国内对这方面的