（物理电子学专业论文）光纤通信系统中偏振模色散和偏振相关损耗的研究.pdf

a ! 盏竖垫盘堂垫璺 摘要 本论文的资助来源为：国家自然科学基金( 项目编号：6 0 3 7 8 0 1 1 ，6 0 3 7 7 0 2 6 ) ， 国家8 6 3 计划( 项目编号：2 0 0 1 a a l 2 2 0 4 1 ) ，北京市教委共建项目( x k 1 0 0 1 3 0 4 3 7 ) 。 本论文从偏振模色散的理论分析出发，全面系统地研究了偏振模色散的特 性，分析了偏振相关损耗对光纤通信系统的影响；分析了偏振模色散和偏振相关 损耗共同作用对波分复用光纤通信系统的影响；讨论了波分复用系统中的偏振模 色散补偿方案和改进方案；探讨了相位敏感放大器在光纤通信中的应用。本论文 的工作主要包括以下几个方面的内容( 其中黑体字为创新的研究工作) ： 一、p m d 理论分析 系统全面地介绍了p m d 的基本理论，产生双折射的各种原因，p m d 的起 因。 介绍了常用的表征p m d 对光纤通信系统影响的主要参量及指标，建立了 分析p m d 对系统影响的数值计算模型。 系统阐述了p m d 的偏振主态模型，光纤级联模型，并由此模拟了一阶及 二阶p m d 的统计分布，模拟结果表明一阶偏振模色散符合麦克斯韦分布。 二、建立了理论模型分析了p d l 对光纤通信系统的影响，提出较为简单的分 析模型，分析了高阶偏振模色散对信号的影响。 建立了p d l 分析的琼斯矩阵模型，并对几个模型进行讨论。 依据建立的模型展开讨论，并进行了数值分析。 研究了p d l 存在对p m d 测量的方法的影响。 三、建立了理论模型分析了p m d 和p d l 共同作用对波分复用光纤通信系统的 影响，提出了波分复用光纤通信系统中偏振模色散的补偿方案，并提 出优化一种改进方案。 建立了多信道w d m 通信系统的p a d 和p d l 共同作用的理论模型，用数值 计算方法得到了8 4 0 g b s 波分复用系统传输的波形及眼图，分析了各 信道波形及眼图的特点，发现p m d 和p d l 共同作用对各信道的影响是不 同的，为波分复用通信系统中p m d 和p d l 共同作用的补偿的改进提供理 i ! 盏塑垫盘生 担璺 论依据。 依据波分复用通信系统中p m d 和p d l 共同作用的特点，提出了波分复用 通信系统中p m d 补偿的最坏信道补偿法的改进方案。 四、关于相位敏感放大器的探讨 对相位敏感放大器在光纤通信系统中的应用进行了探讨。 本文提出一种新的脉冲压缩器，即在梳状色散光纤压缩器中加入相位敏 感放大器( p s a ) 来对的压缩脉冲进行了研究。理论研究表明p s a 不但对 群速度色散( g v d ) 引起的脉冲展宽有补偿作用，而且对自相位调制( s p m ) 引起的脉冲展宽有抑制作用。因此它能较大改善梳状色散光纤压缩器的 效果。 关键词：波分复用，偏振模色散，偏振相关损耗，相位敏感放大器 a ! 盏竖垫盘生 a b s t r a e t a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r k sa r es u p p o s e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rg r a n t6 0 3 7 8 0 11a n d6 0 3 7 7 0 2 6 ，b yt h en a t i o n8 6 3h i 曲t e c h n o l o g yp r o j e c t u n d e rg r a n t2 0 0 1 a a l 2 2 0 4 1 ，b yt h ep r o g r a mo fj o i n td e v e l o p m e n to fb e i j i n g m u n i c i p a lc o m m i s s i o no f e d u c a t i o nu n d e r g r a n tx k1 0 0 1 3 0 4 3 7 t h ec o m b i n a t i o ne f f e c t so fp m da n dp d li nt h e h i g h s p e e do p t i c a l c o m m t m i c a t i o na n di t si n f l u e n c et ow d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ep m dc o m p e n s a t i o n e n h a n c e dm e t h o di nw d m o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e r nc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e si s d i s c u s s e d a tl a s td i s c u s s i o no nt h ea p p l i c a t i o no fp h a s e s e n s i t i v ea m p l i f i e r si s p r o p o s e d t h er e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e ra r es u m m e du pa sf o l l o w i n g ： 1 t h e t h e o r ya b o u tp m d 2 t h eb a s i ct h e o r ya b o u tp m d s u c ha st h eb a s i cc o n c e p t i o no fp m d t h e e x p r e s s i o no fp m d t h eo r i g i n o fp m da n dt h em o d e l su s e di nt h er e s e a r c h a r et o t a li n t r o d u c e d t h em a i np a r a m e t e ra n dt i l en u m e r i c a lm o d e lf o ra n a l y z i n gt h ee f f e c t i v e n e s s o fp m do no p t i c a lc o m r n u n i c a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d t h em o d e lo ft h ep r i n c i p a ls t a t e so fp o l a r i z a t i o n ( p s p 、a n dt h en u m e r i c a l m o d e lo ft h ec o n e a t e n a t i o no fb i r e f r i n g e n c ef i b e r sa r ei n t r o d u c e d b yt h i s m o d e l t h ed i s t r i b u t i o no ff i r s t a n dh i 吐e r - o r d e rp m da r eo b t a i n e dt h e s t a t i s t i cr e s u l ts h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no f p m di sm a x w e l l i a n a n a l y s i so ft h ec o m b i n e de f f e c t so fp m da n dp d lu s i n g j o n e sm a t r i x t h ei n t e r a c t i o no f 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( p m d )a n d p o l a r i z a t i o n m o d ed e p e n d e n tl o s s ( p d l ) i sa n a l y z e db ya n a l y t i c a la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ac l e a rr e s u l to ft h ec o e f f e c to fp m da n dp d li ns y s t e mw a sg i v e n t h r o u g ha n a l y t i c a li nm a t r i xw a y am o r ed e t a i ld e s c r i p t i o no ft h ee f f e c t s o fc o m b i n e dp m da n dp d li ns i n g l em o d eo p t i c a lf i b e rn e t w o r k si s p r e s e n t e d c o m p a r e dt op u r ep m dc o n d i t i o n ，s y s t e md i f f e r e n t i a lg r o u pd e l a y ( d g d ) w i l lb es h a r p l yi n c r e a s e di ni n d e xw a yi nc o n d i t i o nw h i c hw i t hp d l e i x t s 一t t t i 室竖鱼盘生 a b s t r a e t t h ei m p a e t i o no fp d l0 1 1t h em e a s u r e m e n to fp m d t h et h e o r e t i ca n a l y s i so i lt h ec o m b i n e de f f e c t so fp m da n d p d lo nt h ew d m o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ep m d c o m p e n s a t i o nm e t h o di nw d mo p t i c a ls y s t e mw i t hp d l t h et h e o r e t i c a lm o d e lf o ra n a l y s i s i n gc o m b i n e de f f e c t so fp m da n dp d l o i lm u l t i c h a n n e lw d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sf o u n d e d t h ew a v e s h a p e s ，f r e q u e n c ys p e c t r a ，a n dt h ee y ed i a g r a mo fe i g h tc h a n n e l si n8 4 0 g b sw d m s y s t e mt h a tt r a n s m i ti ns m f a r eg i v e n t h em o s ti m p o r t a n t c o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tt h ec o m b i n e de f f e c t so fp m da n dp d lo n e i g h tc h a n n e l sa r ed i f f e r e n t ，w h i c hw i l lb ec o n s i d e r e di nd e v e l o p m e n to fa h e wp m dc o m p e n s a t i o nm e t h o di nw d m o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ew o r s tc h a n n e le q u a l i z a t i o nm e t h o di s p r o p o s e d a n das c h e m e e n h a n c e di sa n a l y z e d d i s c u s s i o no nt h ea p p l i c a t i o no fp h a s e s e n s i t i v ea m p l i f i e r s t h eb a s i ct h e o r ya b o u tp h a s e s e n s i t i v ea m p l i f i e r si si n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no fp h a s e - s e n s i t i v ea m p l i f i e r si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si s d i s c u s s e d an e w c o m p r e s s o r t h a t c o m b i n e sc o m b 1 i k ef i b e rc h a i nw i t h p h a s e - s e n s i t i v ea m p l i f i e r s i s p r o p o s e d i nt h i s p a p er t h e o r y a n d s i m u l a t i o na n a l y s e sf i n d st h a tt h ea p p l i c a t i o no fp h a s e s e n s i t i v ea m p l i f i e r s ( p s a ) i nc o m b l i k ec o m p r e s s o rc a nc o m p e n s a t ep u l s eb r o a d e n i n gi n d u c e d b yg r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n ( g v d ) a n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) t h i sk i n do fc o m p r e s s o rc a np r o v i d eab e t t e rq u a l i t yo fp u l s ec o m p r e s s i o n t h a nw h a tt h ec o m b - l i k ec o m p r e s s o rd o k e y w o r d ：w d m ，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 ) ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n t l o s s ( p d l ) ，p h a s e s e n s i t i v ea m p l i f i e r sr p s a ) 。 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。 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 本人签 导师签 a ! 室塑垫盘堂笠二室缱逢 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信是以光波作为载频以光导纤维( 简称光纤) 为传输媒质的通信方式。 1 8 7 0 年，j o h nt y n d a l l 用容器喷出的水流做了世界上第一个关于光波导的试验。 然后，j l b a i r d 申请了世界上第一个关于光纤的专利。1 9 6 6 年，高锟和h o c k h a m 指出如果介质的损耗从1 0 0 0 d b k m 降到2 0 d b k m ，那么就可以利用透明的绝缘介 质传输信息1 9 7 0 年，c o r n i n g 公司制造出损耗小于2 0 d b k m 的光纤。 可以发现，最初限制光纤通信发展的主要因素就是光纤损耗。在1 9 7 0 年， 通过提纯后的光纤的损耗下降到了2 0 d b k m 。随着光纤提纯技术的进步，在1 9 7 9 年光纤在1 5 5 v m 处的损耗已经降低到0 2 d b k m ，此时已接近光纤的固有损耗极 限。图1 给出了典型的光纤损耗特性曲线，可以看出在1 3 帅和i 5 5 啪附近存 在两个极小值，它们对应于光纤的两个低损耗窗口，相应为光通信的长波波段。 然而发展的脚步并没有就此停止不前，1 9 9 8 年朗讯科技( l u c e n tt e c h n o l o g i e s ) 发明了一种新的超高提纯技术，使用这一技术可以消除1 4um 附近的水分子的 吸收峰，从而使得第二个窗口和第三个窗口连成统一的传输波长区，这比传统的 单模光纤的传输带宽要宽l o o n m 以上，这种光纤称为全波( a 1 lw a v e ) 光纤。 t i 庞荔 l 励汤豺铴 6 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0l 1 0 01 2 0 01 3 0 0i 4 0 01 5 0 01 6 0 0 波长n m 图1 1 典型光纤损耗曲线 不仅如此，二十世纪八十年代掺铒光纤放大器( e d f a ) 的发明和产业化，进 一1 一 gp)谴曙 a ! 室坚垫盘堂茎二童缝逢 一步解决了光纤通信中损耗的问题。 第一条商用光纤通信系统建立于1 9 7 8 年，到了今天光纤通信已经成为现代 通信网络中最基础的组成部分 1 。社会在发展，人们交换信息的需求也越来越 大，不但在方式上推陈出新，而且总量也不断爆炸式的增加，全球数据业务量几 乎半年左右就翻一番，i p 网络从2 0 世纪9 0 年代开始进入一个大发展的时代， 其用户量以1 6 5 的年增长率在全球扩展，成为当前网络通信业务的主要增长因 素 2 。这一切对通信系统的容量尤其是骨干网提出了前所未有的压力和需求。 光纤通信至今经历了由短波到长波、多模光纤到淡漠光纤、短距离小容量到 长距离超大容量的发展历程，并进一步由光电混合向全光网络的发展。目前超大 容量超长距离通信以密集波分复用( d w d m ) 技术为代表。商用最高光纤传输容量 达到了1 6 t b s ，朗讯和北电网络提供的该类产品都采用1 6 0 * l o g b s 的方案 3 。 目本n e c 和法国a l c a t e l 分别在l o o k m 的距离上实现了总容量为1 0 9 t b s ( 2 7 3 * 4 0 g b s ) 和总容量为1 0 2 t b s ( 2 5 6 * 4 0 g b s ) 的传输 4 。前者每个波长 的速率为4 0 g b s ，共2 7 3 个波长，间隔5 0 g h z ，覆盖了c 、l 和s 波段；后者利 用锗硅技术实现每个波长4 2 7 g b s 的速率，其中前向纠错编码( f e c ) 的开销占 7 共2 5 6 个波长，7 5 和5 0 g h z 信道间隔交替使用，采用了残留边带过滤和偏振 复用技术，频带利用率高达1 2 8 b ( s * h z ) ，覆盖了c 和l 波段。 目前，提高点根光纤传输速度的主要方式有： ( 1 ) 提高单个波长的传输速率。电时分复用( e t d m ) 的速率在1 0 年内从 i 5 5 m b s 、6 2 2 m b s 、2 5 g b s 、1 0 g b s 发展到4 0 g b s 。目前也在进行1 6 0 g b s 的e t d m 和光时分复用( o t d m ) 实验。 ( 2 ) 减少波长间隔，提高频带利用率。采用超密集不分复用( u d w d m ) 技术， 将波长间隔从i o o g h z 向5 0 g h z 、2 5 g h z 、1 2 5 g h z 推进。 ( 3 ) 扩展使用波段。d w d m 可使用的波段有c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 、l 波段 ( 1 5 6 5 - 1 6 2 5 ) 、s 波段( 1 4 6 0 1 5 3 0 h m ) 、u 波段( 1 6 3 5 1 6 7 5 ) 、e 波段( 1 3 6 0 1 4 6 0 n m ) 。 目前使用的是c 波段，l 波段和s 波段正在开发之中。 ( 4 ) 采用新的复用技术，如偏振复用技术可使容量加倍。 d w d m 系统除了波长数和传输容量不断增加外传输距离也大幅增加，现在已 扩展到2 0 0 0 k m 以上 5 。随着技术和社会需求的发展，波分复用( w d m ) 技术正 从长途网向城域网扩展。在点到点w d m 系统的基础上，以波长路由为基础，引入 光交叉连接( 0 x c ) 和分插复用( o a d m ) 结点，建立具有高度灵活性和生存性的 光网络。随着网络业务量向动态i p 业务的汇聚，目前的趋势是在光网络中引入 自动波长配置功能，即所谓的自动交换光网络( a s o n ) 5 。 。2 i 室塑垫盘堂 簋二至缝逢 1 2 研究光纤中偏振现象的现状和意义 第一次报道光纤中的偏振模色散是1 9 7 8 年 6 ，只是高速率、大容量的光纤 通信系统的迅速发展，才使人们逐渐意识到p m d 是光纤通信系统的一个重要的问 题。最大p m d 值( 定义为长期d g d 平均值) 应当小于比特周期的i i 0 7 ，否则， p m d 引起的脉冲展宽将使得误码率大大增高，所以偏振模色散必然是发展未来超 高速光纤通信系统的主要障碍之一。 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 相互正交的两个偏振基模因传输速度不同而导致的脉冲展宽。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l o g b s 时， 偏振模色散对系统的影响就明显地表现出来。 1 9 8 6 年p o o l e 和w a g n e r 就对单模光纤中p m d 对光波传输影响有所研究，接 下来的这些年年来对p m d 的研究更是有了较大的发展。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。1 9 9 4 年以后重点转向开展p m d 对光纤通信系统传输性能影响的研究，并研究各种降低p m d 的方法。在最近几年， 通过发表在杂志和国际会议的文章逐年增加，特别是在国际会议上，近两年都要 分成几个小会场加以讨论，在最近召开的通信方面最著名的会议之一0 f c 2 0 0 3 ， 关于p m d 的文章达到5 1 篇，o 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 篇文章中关于p m d 的有9 篇，这说明p m d 在高速光通信 系统中的重要性。就当前p m d 的研究来看，一个是对4 0 6 b i t s p m d 补偿技术研究， 一个是对高阶p m d 及补偿的研究，另外一个值得研究的问题是p m d 对w d m 系统的 影响，以及寻求最经济的方法补偿w d m 系统中的p m d 。 除了p m d ，近些年人们对光纤传输系统中的另一个偏振相关现象偏振相 关损耗( p d l ) 已开始有所研究。人们发现当p m d 和p d l 共同作用时将使系统的 性能进一步劣化，所以对它们的研究也是十分必要的。 下面就从p m d 统计特性、p m d 测量技术、p m d 对系统的影响以及减小p m d 影 响的技术等几个方面介绍一下国外研究p m d 的进展情况。 p 旧统计特性 c d p o o l e 等人提出的偏振主态模型 8 是研究p m d 统计特性的代表，研 究的的方法主要是动态方程 g 或级联的双折射晶体模型 1 0 。在o f c 2 0 0 1 和 2 0 0 2 上出现了一种i m p o r t a n c es a m p l i n g 1 1 的计算方法，使用这种方法可以让 我们的计算量大大降低，但是它要求事先知道被研究对象的统计分布。 目前，关于p m d 统计特性的研究的包括了一阶p m d 的统计特性 1 2 ，二阶 一 一 a ! 立竖鱼盘鲎笙= 至缱逢 p m d 两个分量的统计特性 1 3 ，1 4 ，一阶和二阶p m d 之间的相互关系 1 5 ，p m d 的频率自相关特性 1 6 ，p m d 随距离 1 0 和时间变化 8 的统计特性，偏振相关 损耗( p d l ) 的统计分布 1 7 ，1 8 ，在p d l 存在条件下的p m d 分布 1 9 等等。 我们研究p m d 及它的统计特性离不开p m d 模拟器，用它我们就可以模拟p m d 的统计特性。它应具有这样几方面的特征 2 0 ： ( 1 ) 可控制，可重复，可快调整； ( 2 ) 有一定模拟规模和范围； ( 3 ) 差分群延时( d g d ) 具有麦克斯韦分布； ( 4 ) 能够模拟二阶甚至更高阶的p m d 特性； ( 5 ) 自相关函数平方散落( o u a d r a t i ef a l l o f f ) ： ( 6 ) 插入损耗尽可能小。 实现时，可以采用一个偏振控制器和8 1 0 个双折射晶片级联的方式来对实 际光纤中的一阶和高阶p m d 效应模拟，其优点是对每个晶片的控制比较容易，缺 点是损耗较大；另外，也可以采用8 一1 0 段标准单模光纤( s m f ) + 保偏光纤( p m f ) 级联的方式，其优点是全光纤化，损耗小，宜于实现。 目前，能商用的偏振模色散( p m d ) 值较大的光纤还未出现，而进口一个p m d 模拟器需要几十万，这是十分昂贵的，因此研究具有统计分布的又经济的p m d 模拟器具有重要意义。 p m d 的测量技术 实验测量是研究p m d 的重要手段，国际标准组织( i e c ，t i a ，i t u ) 推荐了 三种测量单模光纤p m d 的方法：j o n e s 矩阵特征分析法( j m e ) 2 1 ，干涉仪法 ( i f ) 2 2 和波长扫描周期读数法( w s c c ) 2 3 。i t u 建议j m e 和i f 为基准测 量方法。 用j o n e s 矩阵分析法可以得到被测光纤中与p m d 有关的许多重要参数，如偏 振度( d o p ) 、s t o k e s 参数、d g d 以及光纤中偏振相关损耗等；而且j m e 法的测量 范围大，可测量的色散时延范围为0 0 0 5 p s 4 0 0 p s ；另外，通过j m e 测得的数 据还可以计算得到二阶甚至更高阶的p m d 。而后两种方法都只能测平均的d g d ， 精度也比不上j m e 法，因此j m e 法与其它几种p m d 测量方法相比具有一定的优越 性，它是测量p m d 的代表方法。它的缺点在于对测试条件和测试设备要求比较高。 干涉法用于测量单模光纤或光缆的p m d 平均值。在模耦合比较弱时，p m d 时 延由被测光纤的差分群时延，即从中心位置延迟的2 个干涉伴峰的间距决定。此 4 。 i ! 室坚垫盘鲎笠= 童缱鱼 时，差分群时延( d g d ) 等效于p m d 时延：在模耦合强时，确定p m d 时延以干涉 条纹图为基础，由干涉图的高斯拟合曲线的宽度参数，即高斯曲线的标准偏差确 定。s a g n e c 干涉仪法 2 4 就是干涉测量法的一种。 波长扫描周期读数法也是i t ug 6 5 0 规定的单模光纤偏振模色散测量方法之 一。按频谱和时域的不同分为极值数计算法和傅立叶变换法。极值数计算法测量 p m d 是通过一定频率范围内功率比曲线的极值数来计算。傅立叶变换法是利用傅 立叶变换来直接得到光纤的p m d 。这两种方法的优点在于无论是实验仪器还是数 据分析上都很简单、易行。但是，缺点是测量结果是平均的p m d ，有关d g d 与波 长的变化关系的信息完全被掩盖，并且测量期间需要稳定的光纤。 另外还有一些其他的方法，诸如偏分孤子法 2 5 、邦加球法 2 6 等等。 除了上面的方法以外还有一些测量光纤分布参数( 例如光纤偏振的耦合长 度) 的方法，例如偏振光时域反射计( p - o t d r ) 法 2 7 ，与一般的o t d r 不同的 是，p - o t d r 中的光源是偏振光源，探测器对偏振敏感。另外一种方法是偏振光 频域反射计( p o f d r ) 法。与p - o t d r 类似，不同的地方是将p - o t d r 的脉冲光源 变成连续波光源，并且波长可调 2 8 。测量的长度范围是激光器的相干长度，可 用于测量本地双折射的耦合长度，还可以测线双折射和圆双折射。 p 肋对系统的影响 除了用实验方法研究p m d 之外，我们还可以用解析法来研究。用解析法可以 分析p m d 对系统脉冲宽度的影响 2 9 和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 3 1 。虽然解析法具有概念清晰的优点，然而适用的范围有限。在大 多数情况下采用级联双折射光纤的数值模型 1 0 ，用它来取得p m d 的统计样本， 相当于p m d 模拟器。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，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 ) 3 2 等具有统计概念意义的参数是描述p m d 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 2 4 ，3 2 和m a n a k o v 方法 3 3 ，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，不利的面是它无法区分是阶还是高阶p m d 的作用。 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 3 5 ，也可以分析一 阶补偿的限制 3 5 ，还可以研究不同的调制码型对p m d 的抵抗能力 3 6 。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 5 一 i ! 室竖垫盘堂箜= 童缝逾 是研究孤子系统对p m d 的抵抗能力 3 7 ，3 8 ，偏分复用系统的性能 3 9 ，4 0 ，如果 是线性系统，可以考虑p m d 与色散、啁啾的共同作用 4 l ，4 2 ，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 4 3 4 4 。对于多信道的情 况，p m d 补偿效果与交叉相位调制( x p m ) 4 6 ，4 7 的关系，p m d 对w d m 系统中四 波混频( f w m ) 效应的影响 4 8 。 减小p m i d 影响的技术 减小p m d 影响的技术大致可分为两类；一类是改进光纤的结构，来降低光纤 本身的p m d 系数 4 9 ，这从根本上消除了p m d 的影响，但对于已铺设的光纤意义 不大；另外一类在传输编码 5 0 ，5 1 或者补偿方面 5 2 ，5 3 来减小p m d 的影响，这 类方法又可分为：( a ) 利用特殊的编码方式或特殊系统 5 4 5 7 来抵抗p m d 的影 响，在这种方式中，光纤链路的p m d 是不改变的；( b ) 利用p m d 补偿器来减小整 个链路的p m d ，以此来减小p m d 的影响。 对于第二类方法中的( a ) ，采用归零码的数据传输方式，结合孤子通信系统 3 7 ，3 8 、前向纠错码 5 0 ，5 1 、双二进制码 5 7 、高功率极限传输等方式，脉冲 在传输过程中可自行抑制系统中的p m d ，而不必再进行补偿，已经证明归零码传 输在抑制p m d 上优于非归零码。 第二类方法中的( b ) 是现在研究的重点。目前有两种可能的补偿方案，一 是在光域上插入一个与p m d 光纤传输特性肼( ) 相反的线性传输矩阵 ( ) ， 可称之为光补偿 5 8 ；另一种是在电域的光接收机后插入与整个系统传输函数 h ( i ) 特性相反的日( 厂) ，称之为电补偿 5 9 。无论采用哪种方法，由于传输 函数或者传输矩阵都是时变的，因此必须都要求能够自适应，因此特性相反的传 输函数或者矩阵一是靠反馈信号 6 0 6 2 来调整，另一种是依据实时测量光纤线 路中的p m d 的大小和方向来调整。前者称为反馈方式自适应补偿，后者称为前馈 方式的自适应补偿 6 3 ，6 4 。 自适应的补偿单元的作用是使得p m d 光纤加上补偿器以后总的p m d 最小。补 偿单元主要由高双折射光纤，或铌酸锂时延线 6 2 ，或布拉格光纤光栅 6 3 等加 偏振控制器组成。理论上，双折射元素越多，能够补偿p m d 的阶数越高，代价是 控制的难度加大。如果采用可调谐双折射光纤光栅，可构成可变d g d 的补偿器 6 3 。偏振控制器也是补偿器的重要器件，要求响应速度快，如基于铌酸锂的偏 振控制器 6 4 。 电补偿适合于传输速率低的系统，它的目的是减小码问干扰 6 5 。这种补偿 器由线性均衡器和判决反馈均衡器组成 6 6 ，6 7 ，线性均衡器采用的是自适应权 重抽头的横向滤波器，判决反馈均衡器随着反馈电路的阈值变化。 i ! 室塑垫盘茎 笠二童缱逾 反馈方式补偿要求反馈信号能够反映出p m d 对系统的影响，首先应该对p m d 的变化灵敏，其次，它的大小应该与误码率有高的相关关系，第三，响应时间要 足够短。反馈信号的形式可以是偏振度( d o p ) 6 0 ，电信号谱宽度 6 1 ，总的 电功率，或者误码率、q 因子 6 0 等等。对于高阶p m i ) 补偿，应该有能反映高阶 p m d 的反馈信号 6 8 ，6 9 。 反馈方式需要自适应算法，自适应算法一般由两部分构成：搜索算法和跟踪 算法。起始经过搜索算法的搜索，让补偿单元收敛到系统的最佳工作点，然后跟 踪算法驱动补偿单元跟踪p m d 的变化。但是反馈方式的p m d 补偿的反馈信号容易 受到高阶偏振模色散的影响，而使得算法陷入局部极大值的可能。对算法的基本 要求是最好避免陷入局部最佳点 7 0 。 前馈方式补偿要求能及时测量p m d 的大小和方向。前馈方式的所消耗的时间 主要取决于取样的时间，而补偿过程所耗的时间极短，几乎可以忽略不计。而反 馈方式所消耗的时间主要取决于反馈取样以及补偿过程的搜索时间，搜索过程需 要不断取样，不断调整补偿器的过程，直至找到反馈信号的最佳值。前馈方式最 大的优点是在补偿过程不受高阶偏振模色散的影响，不会陷入局部极大值，补偿 时间快。 以上所讨论的是单信道的补偿，对于多信道的补偿，总结起来大致两种基本 方案，一是使用解复用器，对解下来的每一路信号都补偿 7 5 ，另一种是使用较 少的补偿器，只对性能最坏的一个或者几个进行补偿 7 6 - 8 1 。对于多信道补偿 无论采用哪种方式，也采用单信道的补偿方式。而要同时补偿几个信道则需要增 加补偿器的带宽，也要求能同时补偿一阶以及高阶p m d 。 国内对p m d 的研究起步比较晚，只是在近几年才出现了一些文章。这些文章 主要可以分成三：一是一些综述性的文章 7 6 8 2 ，其中包括对p m d 概念、现象、 对系统影响及国外研究现状的介绍；二是理论文章e 8 1 - 8 6 ，主要集中在p m d 的 特性方面和补偿方案方面；三是一些实验文章，大部分集中在p m d 测量 8 7 9 0 ， 还有一些补偿实验的报道 9 卜9 3 。前几年主要限于p m d 测试方面的研究，例如 武汉邮科院和北方交通大学光波所开展利用光谱法测量p m d 。近二年来国内才开 展p m d 补偿的研究，北京邮电大学和清华大学等都建立了自适应补偿的实验系统 9 4 ，采用反馈控制方式，能够补偿一阶及部分高阶偏振模色散，但离实用化还 有一定的差距。对于波分复用系统的p m d 研究还刚刚开始e 9 5 9 7 。 研究表明，p d l 与p m d 共同作用将导致系统性能的进一步劣化，所以要使系 统稳定，要更好的进行p m d 的补偿，p d l 的研究也是必要的。 总的来说，与国外的研究状况相比，如果我们不投入足够的人力和物力加以 研究，必将在发展下一代高速光通信系统上受到限制。因此，加强对p m d 的起源、 一7 一 i 室坚鱼盘堂 箜二主缱途 影响和补偿的研究，对争取自主的知识产权具有重要意义。 1 3 本论文的结构安排 本论文针对p m d 并1 3 p d l 的基本理论、统计特性、对系统的影响以及p m d 、p d l 的补偿理论和算法方法几个方面展开了讨论，重点研究了p m d 和p d l 对单信道和 w d m 系统的影响，每一章节的具体安排为： 第一章绪论，主要内容包括 ( 1 ) 引言，主要讨论偏振模色散和偏振相关损耗的研究背景和意义： ( 2 ) 国外、国内对偏振模色散和偏振相关损耗的研究进展，主要讨论了p m d 统计特性、p m d 预g 量技术、p m d 对系统性能的影响以及减d , p m d 影响的技术等几方 面进行了总结； ( 3 ) 本论文的工作安排。 第二章偏振模色散的基本理论，主要内容包括 ( 1 ) 偏振光、偏振器件的表示以及偏振度的定义，包括琼斯空间和斯托克斯 空间两类表示偏振光和偏振器件传输特性的方法，介绍了两种表示法之间的联 系，并给出了两类表示法的旋转矩阵，为讨论p m d 作基础； ( 2 ) 光纤通信中偏振模色散的起因及基本概念，包括光纤残余双折射和随机 耦合模式的影响，从理论上研究了p m d 的偏振主态模型； ( 3 ) 研究p m d 的模型，讨论了几种研究p m d 的数值方法： ( 4 ) 建立了研究p m d 对系统影响的数值模型，介绍了评价p m d 对系统影响所采 用的一些常用参数的计算方法。 第三章偏振模色散和偏振相关损耗联合作用光纤通信系统的影响研究，内容包 括： ( 1 ) 概述，描述了p d l 研究的必要性。 ( 2 ) p m d 希i j p d l 联合作用光纤通信系统影响的研究，提出研究p d l 的理论模型 并进行了数值模拟，并对两种p m d 测量的实验方法结果进行分析比较。 第四章偏振模色散和偏振相关损耗联合作用对波分复用系统的影响及补偿方 案的研究 ( 1 ) p m d 和p d l 联合作用对波分复用系统信号的影响研究，采用分步傅里叶变 a 盏竖童盘茔 笠二主缱鱼 换法对多信道非线性薛定谔方程进行数值模拟，得到了8 4 0 g b s 波分复用光纤 通信系统中，在考虑p m d 和非线性效应共同作用下和p m d 和p d l 以及非线性效应共 同作用下，频谱和波形及眼图的变化，为多信道p m d 孛j 偿的最坏信道补偿法以及 对补偿系统改进的必要性提供了理论支持。 ( 2 ) 波分复用偏振模色散补偿的方案研究，描述了一种基于最坏信道补偿法 的补偿方案。 ( 3 ) 考虑p d l 时的改进，提出了考虑p d l 时系统的补偿的改进方案。 第五章关于相位敏感放大器的研究 ( 1 ) 关于相位敏感放大器的基本理论，介绍了关于相位敏感放大器的基本理 论及数学模型。 ( 2 ) 关于相位敏感放大器在光纤传输系统中的应用，介绍了相位敏感放大器 在光纤传输系统中的应用及好处。 ( 3 ) 关于相位敏感放大器在脉冲压缩中应用的探讨，提出了使用p s a 对梳状 色散光纤脉冲压缩进行整形的模型，并对模型进行了数值模拟，对结果进行讨论。 9 a b 室竖垫盎主 笠= 童缝逾 参考文献 1 王则民，特大容量通信对光纤性能的要求( 上) ，现代有线传输