（电磁场与微波技术专业论文）关于高速光通信系统中偏振模色散若干关键技术的研究.pdf

中文摘要 本论文的资助来源为国家“8 6 3 ”计划资助项目，国家自然科学基金，教育部博士 点基金和北京邮电大学校基金。 本论文主要分析和研究了高速光纤通信系统中的偏振模色散。对解决偏振模色散 问题所涉及的一系列关键技术进行了分析和探讨。研究的内容包括偏振模色散的理论 分析，偏振模色散模拟、测量和补偿技术。以下是本人的主要工作f 黑体部分为创新 性贡献) ： 1 采用统一的定义和方法，系统全面地介绍了p m d 的一些基本概念和基本理论。包 括在j o n e s 空间和s t o k e s 空闻中偏振光的表示，偏振光在光纤中的传输中是如何 被描述成它的s t o k e s 矢量的旋转过程的，偏振主态模型，p m d 矢量的四种不同坦 紧密联系的表示法，它们是不同实验方法的理论基础，例如在时域和频域里面的 p m d 测量。光纤长度或频率发生微小变化时应满足的动态p m d 方程，双折射矢量。 输入和输出p m d 矢量的关系，作为分析p m d 矢量随光纤长度演化规律，统计的p m d 模型、进行p m d 模拟、设计多级p m d 补偿器的理论基础的p m d 矢量级联规律，它 包括一阶和二阶p m d 矢量求和，微分，积分公式等。 2 采用偏振控制器级联保偏光纤的方案，数值模拟了p m d 模拟器偏振模色散值的统 计分布，通过一种优化算法，使其分布接近于麦克斯韦分布。在国内首次实现了p m d 模拟器。实验结果表明，这种模拟器插损低，可控性好，变化迅速，d g d 分布皎 为理想，有一定的实用价值。 3 建立了在四信道的d w d m 系统中处理p m d 的模型。利用这个模型，分析了p m d 对d w d m 系统的影响。在d w d m 系统中，p m d 使脉冲展宽和变形，p m d 系数越大，脉冲展宽 就越严重。同时，p m d 限制了最大传输距离。最大传输距离随着p m d 值的增加而减 少。另一方面，信道间距越小，平均最大传输距离的也越短。这个结论对光纤通 信系统的设计有一定的参考作用。 4 介绍了s a g n a c 干涉仪法测量p m d 的主要工作原理，国内第一次实现通过s a g n a c 干涉仪法测量偏振模色散，得到p m d 的抖动满足麦克斯韦分布。并与固定分析仪 法进行对比，说明了s a g n a c 干涉涉法不仅实现起来简单，测量频谱更具有可读性， 并且在偏振模色散比较小的情况下，s a g n a c 千涉仪法所得的结果更可靠一些。 5 介绍了偏分复用孤子法测量p u d 的主要工作原理，国内第一次实现通过偏分复用 孤子法测量偏振模色散，多次测量结果满足麦克斯韦分布。 6 利用琼斯矩阵特征值法测量了光纤的p m d 。琼斯矩阵特征值法能给出光纤有关偏 振模色散的全面的信息，除了光纤的p m d 夕 ，还有光纤的p m d 矢量，光脉冲的 斯托克斯矢量，光纤的传输矩阵等，并可以分析p m d 随着频率的变化情况。琼斯 矩阵特征值法也是以上几种方法中精度较高，测量范围较宽的，但是同时，它也 是测量时间较长的。国内已经有介绍用其中的一些方法测量光纤p m d 的报道，但 是利用琼斯矩阵特征值法测量光纤的p m d 的报道似乎还未见过。鉴于琼斯矩阵特 征值法测量光纤的p m d 的许多优势和它在测量光纤p m d 的诸种方法中具有重要 的地位，实际利用它测量光纤的p m d 具有重要的意义， 7 用自相关函数研究了偏振模色散的漂移。偏振模色散随时间发生漂移，漂移快慢从 几分钟级到几天。这种漂移可以用偏振态和p m d 矢量的自相关函数来描述，自相 关函数里的特征漂移时间给出了平均漂移时间的量度，特征漂移时间不能由已知 的光纤参数来预测和估计，因为它和光纤铺设的一些因素如环境扰动等有关。只 可由实验测得。漂移程度随光纤的p m d 系数和光纤长度的增加而增加，在温度变 化是漂移的主要原因情况下，折射率的微小变化会导致偏振态大的变化。偏振态 的漂移和p m d 矢量的漂移是紧密联系的，前者比后者稍快。 8 从理论上分析了光补偿法实现p m 0 自动补偿的原理，建立2 5 g b s 自适应偏振模 色散补偿试验系统，首次在国内成功进行了2 5 g bi t s 偏振模色散自动补偿。实 验结果表明，全光补偿方法是一种较有效的偏振模色散补偿方法。 9 采用十段高双折射光纤级联而成的p m d 模拟器模拟实际光纤，从信号中提取基带 频率分量作为反馈信号，对2 5 g b i t s 系统进行了p m d 自动李p 偿实验，并对反馈 前后的系统进行了系统代价的测量和比较。实验结果表明，p m d 自动补偿器能较大 幅度的提高系统的p m d 容限值。 1 0 在国内首次完成了1 0 g b s 光纤通信系统偏振模色散的自动补偿，眼图及系统 误码率的测量，结果显示自动反馈补偿系统具有非常好的补偿效果。 1 1 介绍了我们正在进行的4 0 g b s 偏振模色散自适应补偿系统，包括p m d 模拟器， 自适应偏振模色散补偿方案，反馈信号的选择与自适应算法。可调时延器，偏振 模色散测量技术，4 0 g b s 自适应偏振模色散补偿试验系统，p m d 对w d m 系统影响 及补偿方案等。 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u p p o s e db yt h en a t i o n a l “8 6 3 ”f o u n d a t i o n ，b yt h e 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 ，b yt h ep h d f o u n d a t i o no fm i n i s t r yo f e d u c a t i o na n db yb u p ts c i e n t i f i ct e c h n o l o g yf o u n d a t i 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 ( p m d ) i sa n a l y z e di n t h i sd i s s e r t a t i o n s o m e k e y t e c h n o l o g i e so fp m d a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gp m dt h e o r y , p m ds i m u l a t i o n ， p m dm e a s u r e m e n ta n dp m d c o m p e n s a t i o n t h em a i ni n n o v a t i v er e s u l t so f t h ed i s s e r t a t i o n a r el i s t e da sf o l l o w ： 1 b yu s i n gu n i f i e dn o t a t i o na n dm e t h o d o l o g y , b a s i cc o n c e p t sa n dt h e o r i e so fp m d a r e i n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y t h ed i s c u s s i o ni n c l u d e st h er e p r e s e n t a t i o no fp o l a r i z a t i o ni n j o n e sa n ds t o k e ss p a c e sa n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h et w o ；h o wt h ec h a n g eo ft h e p o l a r i z a t i o no fl i g h to n t r a n s m i s s i o nt h r o u g haf i b e ri sd e s c r i b e da st h er o t a t i o no fi t ss t o k e s v e c t o r ；t h ep r i n c i p a ls t a t eo f p o l a r i z a t i o nm o d e lo f p m d ；f o u rm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sf o r t h ep m d v e c t o r , w h i c hc o r r e s p o n dt of o u rd i f f e r e n ty e tc l o s e l yr e l a t e dv i e w so fp m da n d f o r mt h eb a s i s f o rd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a la p p r o a c h e s ，s u c h a st i m e - d o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i np m dm e a s u r e m e n t s ；t h ed y n a m i c a lp m de q u a t i o nf o ras m a l lc h a n g e i n f i b e rl e n g t ho rf r e q u e n c y ；t h eb i r e f r i n g e n c ev e c t o r ；t h er e l a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t p m dv e c t o r s ；t h ep m dv e c t o rc o n c a t e n a t i o nr u l e sw h i c ha r et h e t h e o r yb a s i sf o rt h e a n a l y s i so f t h ee v o l u t i o no ft h ep m dv e c t o r i v i t hf i b e rl e n g t h ，s t a t i s t i c a lp m d m o d e l i n g ， p m ds i m u l a t i o n ，a n dt h ed e s i g no fm u l t i s e c t i o np m d c o m p e n s a t o r s ，i n c l u d i n gt h es u m ， d i f f e r e n t i a l ，a n di n t e g r a l f o r m u l a t i o n sf o rb o t ht h ef i r s t o r d e ra n ds e c o n d o r d e rp m d v e c t o r s 2 u s i n g as c h e m eo fp m fc a t e n a t e dw i t l lp c s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h e s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fap m de m u l a t o rw h i c hr e s u l t si n1 0o p t i m i z e dl e n g t h so fp m f t h r o u g h as p e c i a l a l g o r i t h m s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep m d s t a t i s t i c a lc h a r a c t i s f i c sa c c o r d s 谢也m a x w e l ld i s t r i b u t i o n ，a n dh a sm e r i t so fl o wl o s s ， c o n t r o l l a b i l i t y , b e i n ga b l et oc h a n g er a p i d l y 3 am o d e lf o rt r e a t i n gp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o ni nf o u r - c h a n n e ld w d m s y s t e mi s e s t a b l i s h e d b ya p p l y i n gt h i sm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o no n 4 4 0 g b sd w d m s y s t e m i si n v e s t i g a t e d i ts h o w st h a tp m di n d u c e sp u l s ed i s t o r t i o na n d b r o a d e n i n ga n d t h a tp u l s eb r o a d e n i n gi n c r e a s e sa l o n g 、；v i t l lp m dc o e f f i c i e n ti n c r e a s i n g a t t h es a m et i m e ，p m dl i m i t st h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei nt h a ti td e c r e a s e sa l o n g 、v i t i lp m dc o e f f i c i e n ti n c r e a s i n g o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec h a n n e ls p a c i n gi st h em o r e s m a l l ， t h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei st h em o r es h o r t t h i sc o n c l u s i o nh a ss o m er e f e r e n c e u s ef o rf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sd e s i g n 4 t h em a i np r i n c i p l eo fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e rf o rm e a s u r e m e n tp m di sm e n t i o n e d i j ； a b s t r a c t f i r s t l y i ti st h ef i r s tt i m ei no u rc o u n t r yt h a tt h em e a s u r e m e n t o fp m d ，w h i c hs a i l s t i e st h e m a x w e l ld i s t r i b u t i o n i sr e a l i z e db yas a g n a ci n t e r f e r o m e t e r c o n t r a s t i n g 谢mf i ) 【e d a n a l y z e r , t h er e s u l t ss h o w t h a tas a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sr e a l i z e de a s i l y , a n dt h es p e c t r u m i sr e a dr e a d a b l y , n a y , t h er e s u l to b t a i n e db yas a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sm o r ec r e d i t a b l et h a n t h a to f af i x e d a n a l y z e r 5 t h em a i np r i n c i p l eo fp o l a r i z a t i o n - m u l t i p l e x i n gs o l i t o nf o rm e a s u r e m e n tp m di s i n t r o d u c e d t om e a s u r e m e n tp m d b yt h i sm e t l l o di sc a r r i e do u tf o rt h ef i r s tt i m ei no u r c o u n t r y 6 n l ea u t o m a t e dm e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n u s i n gj o n e sm a t r i x e i g e n a n a l y s i sm e t h o d i sr e a l i z e d b yu s i n gj o n e sm a t r i xe i g e n a n a l y s i sm e t h o d ，w ec a l lg e t t h em o s t c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o na b o u to p t i c a lt i b e r sp m d ，s u c ha sf i b e r s d g d ，p m d v e c t o r , s t o k e sv e c t o ro fp u l s ea n dt i b e r st r a n s m i s s i o nm a t r i c e s ，a n dw ec a na n a l y z eh o w p m d c h a n g ew i t hf r e q u e n c y t h i sm e t h o dh a sv e r yh i g hp r e c i s i o na n db r o a dm e a s u r e m e n t r a n g e ，h o w e v e ri t sm e a s u r e m e n tp e r i o di sr e l a t i v e l yl o n g e r 7 t h ed r i f to fp m di ss t u d i e db y u s i n ga u t oc o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( a c f ) t h ea c f o ft h e m u e l l e rm a t r i xo ft h ef i b e rg i v ei n f o r m a t i o na b o u tt h ed r i f to ft h ea b s o l u t ep o l a r i z a t i o n s t a t e ，a n dt h ea c f o fp m dv e c t o rg i v ei n f o r m a t i o na b o u tt h ed r i f to fp m d v e c t o r p m d d r i f tw i t ht i m e ，t h er a t eo f t e m p o r a lc h a n g eo fw h i c hi so v e rm i n u t e so rs h o r t e r , o ro v e r d a y sa n dm o r e 肠et y p i c a ld r i f tt i m eg i v e sam e a s u r eo ft h ea v e r a g ed r i rt i m eo fb o t ht h e a b s o l u t ep o l a r i z a t i o ns t a t e sa n dt h ep m d - v e c t o nt i l i sp a r a m e t e rc a n n tb ee x p e c t e dt ob e p r e d i c t e d o re s t i m a t e df r o mk n o w n f i b e r p a r a m e t e r s ，s i n c e i t d e p e n d s o n i n s t a l l a t i o n - s p e c i f i c d a t as u c ha st h ea m o u n to fe n v i r o n m e n t a l p e r t u r b a t i o n s a n d d i s t u r b a n c e s ，s oi ts h o u l db em e a s u r e dd i r e c t l y t h ed r i f tb e c o m e sf a s t e rw i t ht h ep m da n d f i b e rl e n g t hi n c r e a s i n g o n l ya v e r ys m a l lc h a n g ei nt h ei n d e xd i f f e r e n c ew i l lg i v er i s et oa l a r g ec h a n g ei nt h ea b s o l u t ep o l a r i z a t i o ns t a t e t h ed r i f to f t h ea b s o l u t ep o l a r i z a t i o ns t a t e a n dt 1 1 ed r i f to fp m dv e c t o ri sr e l a t e dc l o s e l y , t h ef o r m e ri ss o m e w h a tf a s t e rt h a nt h e b e h i n d 8 t h ep r i n c i p l eo ft h em e t h o do fa l l - o p t i c a l c o m p e n s a t o ri s i n t r o d u c e d a2 5 g b i t s a d a p t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t i la u t o m a t i cp m dc o m p e n s a t i o ni s d e m o n s t r a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e mc a n c o m p e n s a t ep m ds u c c e s s f u l l y 9 t h er e a lf i b e ri se m u l a t e d b yu s i n g ap m de m u l a t o rc o n c a t e n a t e d b y1 0p i e c e so f p m f , a n df r e q u e n c yc o m p o n e n t si se x t r a c t e df r o ms i g n a la st h ef e e d b a c ks i g n a lt oc o m p e n s a t e t h ep m d ，a n dt h e s y s t e mp e n a l t yw i t ha n dw i t h o u tp m dc o m p e n s a t i o nr e s p e c t i v e l yi s m e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep m d c o m p e n s a t o rc a ni n c r e a s et h e m a x i m a lt o l e r a b l ep m dv a l u ei nt h es y s t e m s u b s t a n t i a l l y 1 0 as u c c e s s f u le x p e r i m e n to fa u t o m a t i cc o m p e n s a t i o no fp m d i n1 0 g b so p t i c a lf i b e r a b s t t a c t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sp e r f o r m e d e y ed i a g r a ms h o w e dt h a tp m d o fa ne m u l a t o rw a s s u c c e s s f - ，d lc o m p e n s a t e db ya u t o m a t i cf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m 11 4 0 g b sp m da u t o m a t e dc o m p e n s a t i o ns y s t e mw h i c hw ea r ec a r r y i n gt h r o u g h i s i n t r o d u c e d i n c l u d i n gp m de m u l a t o r , a u t o m a t i cp m dc o m p e n s a t i o np r o j e c t ，s e l e c t i v i t yo f f e e d b a c k s i g n a l a n dc o n t r o l a l g o r i t h m ，t u n a b l e t i m e d e l a yl i n e ，e l e c t r i c a l c o n t r o l l e d p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , p m d m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g i e s 4 0 g b s p m da u t o m a t i c c o m p e n s a t i o ns y s t e m s 北京邮电大学博士论文 绪论 绪论 第一节研究背景及其意义 1 1 作为p m d 研究背景的光纤通信发展现状及趋势 近二十年来，传统话音业务的年增长率只有5 - 1 0 ，而以i n t e m e t 为代表的数据业务的年增 长率为2 0 - 3 0 。数据业务将成为网络第一大业务 1 1 。目前我国干线网数据带宽己超过话音，预 计今后几年全网的数据业务量将会超过话音业务量，业务总量将有几十上百倍的增加。数据通信 业务量如此高速，持续增长的最直接动力来自于i n t e m e t 业务量以指数级的增长，9 0 年代中以来， i p 业务以每年3 0 0 的速度爆炸式的增长，而且由于网络业务分布特点，也就是核心网和接入网流 量倒置，为8 ：2 左右，另外由于i p 业务的不确定性，使网络资源不平衡，网络的这种生存性需 要消耗大量容量，需要冗余3 6 1 3 0 的余量，还有，宽带新业务如h d t v ( 1 6 m ) ，战场通信( 2 8 t ) ， t e l e p r e s e n c e ( 1 5 t ) 等新应用，宽带接入网如a d s l 的发展，带宽换q o s 的轻载网新思路( 在传输成 本不断降低的发展趋势下，只要成本可接受，靠带宽的低利用率换取好性能) ，都需要更大的带宽， 这一切对通信系统容量尤其是骨干网提出了前所未有的压力和需求。而在目前所有可用的电信技 术中，只有光纤具有满足不断增长的带宽需求的能力，于是具有超大传输带宽，带宽利用高，通 信质量好的光纤通信系统应运而生，迄今已成为现代通信网的基本组成部分 2 】，也是将来最具吸 引力的宽带信息平台解决方案。目前光纤通信商用系统主要为( 1 6 - 4 0 ) x 2 5 1 0 g b s 。光纤通信具 有能传送超长距离( c o r v i s 在b r o a d w i n g 网络4 0 0 0 公里线路上传送1 0 gw d m ) ，超高密度( n t 的1 6 0 1 7 6 x 1 0 g 已开始商用，l t 的1 0 2 2 x 3 7 m 实验室试验成功) ，超大容量( 实验室最高水平 7 0 4 t ( 1 7 6 x 4 0 g ) 5 0 k m ( s i e m e n s ) ，3 2 8 t ( 8 2 x 4 0 g ) 3 0 0 k m ( l t ) ，3 2 t ( 1 6 0 x 2 0 g ) 1 5 0 0 k m ( n l e o , 现场最高 水平：西门子的3 2 t ( 8 0 x 4 0 g ) 在w o r l d c o m 网一根g 6 5 2 光纤上现场传送2 5 0 k m ( 3 段) ) 的特点。 但和光纤传输容量的实际上限2 0 t b s ( 假设全部可用频段5 0 t h z ( 1 2 8 0 1 6 2 5 n m ) ，无水峰，最高 频谱效率0 4 b s h z , 每路4 0 g b s ) 相比，光纤通信潜力还远未发挥。光纤通信传送的信息容量和传 输距离受限于四波混频( f w m ) ，光放大器( 掺铒光纤放大器( e d f a ) 和拉曼放大器) 的平坦度， 波长稳定性，光源稳定性，滤波器形状和稳定性，电子电路，以及色度色散 2 】，偏振模色散( p m d ) 等。在色散方面，单模光纤中的群速度色散( g v d ) 随着各种补偿技术的发展，不再对系统的性 能造成大的影响，随着高速、长距离通信系统的快速发展，p m d 的影响逐渐重要起来，在终极意 义上讲，p m d 可能是光纤传输容量的上限的最终限制因素。因此攻克p m d 难关，对光纤通信而 言，具有深远的现实意义和历史意义。 1 2 偏振模色散对光纤通信系统的限制作用 自从1 9 7 8 年第一次报道单模光纤中的p m d 以来 3 ，人们经过了很长时间才意识到p m d 是 光纤通信系统的一个重要问题。随着高速、大容量的光纤通信系统的迅速发展，偏振模色散已成 为实现未来超高速光纤通信系统的主要障碍之一。原因是偏振模色散在高速光纤通信系统中由于 产生模式耦合引起附加损耗，降低信噪比，另一方面引起脉冲展宽，增加误码率，从而限制了通 第1 页 北京邮电大学博士论文 信容量的迸一步提高。一般认为最大p m d 许可值( 定义为长期d g d 平均值) 应当小于b “周期 的1 1 0 1 4 。否则，p m d 引起的脉冲展宽将使误码率严重增高，必须对p m d 进行补偿。而且，由于 p m d 的统计性，这种补偿应该是自适应的。对2 5 g b ，s 系统岱t m - t 6 1 0 c 一4 s ) ，由于较早铺设的光 纤，偏振模色散系数可达2 p s 4 k m 5 】，在我国这样幅员辽阔的国家，若传输2 5 0 0 k m ，平均群时 延差( d g d ) 即可达l o o p s 上，超过了1 b i t 周期的1 ，4 而且。在这种高p m d 光纤中，瞬时d g d 随时间而波动，有时可达平均值的三倍以上，几乎足以使眼图闭合。在我国己建立的2 5 g b i t s 光 通信系统中，已发现p m d 造成的系统损伤超过了规定值。所以即使2 5 g b i t s 系统也需要进行p m d 补偿。此外对4 0 g b i t s 以上系统。和早期光网上建立的1 0 g b i t s 系统更需要考虑偏振模色散的 影响并进行补偿 1 3 偏振模色散的研究现状 自从1 9 8 6 年p o o l e 和w a g n e r 较早考虑单模光纤中p m d 对光波传输影响后，十多年来对p m d 的研究已取得较大发展。在1 9 9 4 年以前人们重点研究光纤中偏振模色散产生的机理和测量方法。 人们提出多种测量方法，这些测量方法分为两大类，一类是时域测量法，另一类是频域测量法。 1 9 9 4 年后重点转向开展p 岫对光纤通信系统传输性能影响的研究，并研究降低p m d 的各种方法。 特别注意研究对早期铺设的光缆通信系统升级对约p 黝补偿的研究。 偿方法大致分前补偿与后 补偿。前补偿利用偏振控制器使光脉冲沿偏振主态方向入射；后补偿是在光缆后加p i d d 补偿器。 绝大部分是对一阶p m d 的补偿。由于单信道为4 0 g b i t s 的太比特传输系统已经或即将商用，p m d 补偿技术的研究开始升温，在o f c 2 0 0 i 会议上，有关p 补偿文章就有近4 0 篇之多，p 鼢的十偿 技术更是被许多研究机构和大的通信公司认为是4 0 g b i t s 大容量光纤通信系统和下一代光传送网 络中需解决的几项关键技术之一。在专利方面，1 9 9 8 年美国l u c e n t 公司和日本的f u j i t s u 公司分 别就他们做出的1 0 g b i t s 和4 0 g b i t s 一阶偏振模色散补偿系统申请了专利。t 9 9 9 年法国的 a l c a t e l 公司将他们利用一个p m d 补偿器对多路进行补偿方法申请了专利。在产品方面，c o r n i n g 公司推出了补偿1 0 g b i t s 系统p k ) 补偿器：y a n e t w 北公司推出y a f o l 0 也属于1 0 9 b i t s 的 p i a i ) 补偿器。在0 f c 2 0 0 1 会议上y a f 0n e t w o r k 演示了4 0 g b i t s 系统的p i d d 补偿器y a f 0 4 0 。就当 前p m d 补偿的特点来看，一个是对4 0 g b i t s 系统p y d 的补偿技术研究，个是对高阶p m d 的研究， 另一个值得研究的同题是寻求最经济的方法补偿f y d m 系统中的p r o 。 由于我国光通信系统的码速率滞后于发达国家，因此在偏振模色散研究方面也有一个明显的 浠后。前几年主要限于p 她的测试方法研究。例如武汉邮科婉光缆部和北方交通大学光波历开展 利用光谱法测量p 蛐。近两年来国内才开展偏振模色散补偿的研究，例如北京邮电大学和清华大学 都建立了一阶p m b 补偿实验系统，进行了初步的补偿实验，目前正在进行自适应补偿系统的研究。 1 4 p m i ) 研究在经济上的意义 传统的光纤通信发展每当传输速率提高4 倍，传输每比特的成本大约降低3 0 4 0 。因而高 比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，为解决通信容量不足，可沿主要线路敷设新的光缆。 新光纤的p m d 系数一般比较小，大郡小于0 5 k s 七阳。然而，敷设新光缆既费钱又费时，即使 在我国的沿海地区，每敷设l k m 光缆需要数万元费用。在特大城市，每敷设l k m 光缆所占用的地 下管道也需要数万元费用。显然，代价高昂使得人们不得不利用现有已铺设的光纤。在全璋己铺 设好的光纤达至上亿公里。由于过去在比特率比较低的情况下p m d 并不会对系统造成髟响，因 此在制造光纤时并不把p m d 列为设计指标之一，所以在二十世纪9 0 年代之前铺设的光纤p m d 系数大都比较大有一部分甚至超过0 8 p s 、，勋t 。利用这些光纤传输高比特宰信号，p m o 是必 须考虑的因素之。 第2 页 北京邮电大学博士论文 绪论 第二节解决p m d 问题需要考虑的三种技术 2 i p m d 测量技术 偏振模色散的产生有其内部因素，也有外部影响。内部因素主要是指光纤在制造过程中几何尺 寸不规则和光纤中残留应力导致折射率分布的各向异性。外部影响主要包括外部压力不均匀、弯 曲、扭转、机械震动、环境温度变化和光纤老化等各种因素。一般来说，当单模光纤受到外界的 应力作用时，方面引起偏振效应的增加，另一方面又加强了两个正交偏振模之间的耦合。另外， 当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时，由于器件结构和材料本身的不完 善，也会产生p m d 。 上面所述各种因素的影响导致偏振模色散不再是固定值，它随各种条件的变化而发生波动。 由于偏振模色散的随机性，如何实现其准确测量与其它光纤参数的测量原则有很大区别，使得它 的测试复杂程度及成本远远高于其它参数的测量。并且使得偏振模色散测量成为研究偏振模色敞 的一个重要方面。虽然p 佃测量方法各异，但是都可以归结为两大类，一是时域法，二是频域法。 时域法是建立在对光纤中的偏振模耦合过程进行统计处理的基础之上的。频域法是以偏振态( s o p ) 的演变随频率( 波长) 的变化而变化，利用这神变化测量p 如。但总的说来，无论是哪种方法都是 寻找测量两个偏振主态之间的差分群时延( d g d ) 。时域法中有脉冲延迟法 6 、干涉法( 7 一1 3 ，偏 振0 t d r 法 “一1 6 等。频域法中有邦加球法 1 7 1 0 、琼斯矩阵法 2 0 - 2 2 、固定分析法 2 3 2 5 ( 也 称光谱分析法) 等。 在学术界对这些方法进行分析比较的同时【2 6 2 8 ，国际电信联盟0 t u ) 也正在致力t - $ l i 定光纤 中偏振模色散的有关标准。在1 9 8 9 年，i t u 第1 5 研究组开始着手研究偏振摸色散的测量方法及 其规范值，并于1 9 9 6 年提出了6 2 2 m b i t s ，2 5 0 b i f f s 和1 0 g b i t s 的相应光缆中继段的光纤偏振模色 散的规范草案【2 8 】。利用上述方法对全球已铺设光缆的p m d 测量结果表明【2 6 】，2 0 世纪8 g 年代中 期以前生产和铺设的光纤光缆的p m d 值大，对系统的影响也比较大。其典型p m d 值大约为 2 p s 4 - 历。在1 0 g b i t s 系统中，接收灵敏度功率代价大于4 d b 。2 0 世纪8 0 年代中期以后生产和铺 设的光缆，偏振模色散的影响较小，其典型值大约为o 1 叫历，对于6 2 5 k m 光纤，其平均d g d 值为2 ，5 p s ，按照国际标准技术规范小组的观点，当时延差达到一比特周期的0 3 倍时，将引起l d b 的功率损失。而偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的三倍，这样为了保证功率损耗小于l d b ， p m d 的平均值必须要小于一比特周期的十分之一( 此时由p m d 造成的功率损失低于1 d b 的概率 为9 9 9 9 4 ) ，即 p m d , 。= 去( 础- ) _ l 式中b r 为系统比特率。 根据现有各种单模光纤的制造技术水平并考虑到1 0 g b i t s 系统传输建立的可能性，i t u t 规定 单模光纤的p m d 系数必须小于0 5p s s 4 k m ，并且这一规定已成为行业标准。根据上面的公式， 第3 页 北京邮电大学博士论文 在比特率为1 0 g b i t s 时，p m d 为0 5p s ，丽，功率损耗为l d b 时的传输距离为4 0 0 k i n 。 由于p m d 的统计特性，实时测量其瞬时值是没有意义的。所以无论那种测量方法，都是测量 p m d 的统计平均 6 3 4 。这一平均可以是一组相同的单模光纤在同波长处测量结果，也可以是在 根单模光纤中，同一波长处在不同时间的测量结果，或者是同一单模光纤在不同的波长处的测 量结果。从理论上说，这些方式都是等价的，与系综平均类似。并且在实验上也证实这几种方法 是等效的。具体地说，根据p m d 的这个特殊性质，有以下几个必须在测量过程中注意的原则： 1 ) 必须考虑光纤p m d 的统计特性，处理统计变化的结果。 2 ) 必须具备预测光纤全量程p m d 的能力。 3 ) 必须了解光纤p m d 的性质，适当的选择光纤的取样方案。 早期的测量研究主要集中在短光纤。近年来，随着光通信的发展，注意力已转移到长距离光 纤的测量上面。在长距离光纤中一般测量光纤时延差的平均值或时延差的方均根，因为普遍认为 这两个量对于一根给定的光纤，不会随着时间或光源的变化而变化。两者的关系为 3 5 = 厕= 等( r ) 在各种测量方法中，国内对固定分析仪法做了一些报道【3 1 3 6 】，主要原因是此种方法具有对器件 要求不高，结构简单，国内一些实验室的现有条件就能实现的优点。国外制造的单模光纤偏振