（通信与信息系统专业论文）高速光纤通信系统系统中pmd的补偿.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着近几年来业务数据量的急剧增长，对网络的传输速率、吞吐量等都提 出了新的要求。4 0 g b i t s 速率的光通系统己投入商用，1 6 0 g b i t s 甚至更高速率 的传输系统也在进行研制。全光通信网络随着光网络技术的发展也日趋成熟， 已成功的解决了光信噪比、色度色散等问题。但是，随着单信道传输速率的提 高和模拟信号带宽的增加，偏振模色散p m d 逐渐成为制约高速光纤通信系统 吞吐量和传输距离的主要瓶颈。 首先，论文通过对光波导传输理论的研究，详细地介绍了p m d 的产生原理。 并分析了p m d 如何导致通信传输系统中信号脉冲的展宽。通过公式推导，研 究了双折射、模式耦合等因素与p m d 的相关性，分析了其统计分布规律。通 过邦加球，s t o c k s 参数，j o n e s 矩阵等方法对光波导的传输以及偏振主轴p s p 进 行了描述。从而更全面地对p m d 进行了研究，为整个论文架构奠定了理论基 础。 其次，论文从预制棒生产过程和已铺设的光纤通信系统运营过程中，归纳 并分析了各种针对p m d 的补偿方法。然后客观地比较了各种方法的优劣。目 前，已铺设的光纤通信系统存在三种常见的p m d 补偿方案：电域补偿、光域 补偿和光电结合的补偿方式。本文针对未来大容量高速率的全光传输系统，详 细阐述了全光补偿方案在速度以及损耗方面的优势。 最后，论文着重研究了偏振模色散的反馈控制算法，通过理论推导建立了 补偿控制器的搜索函数。对近几年来较为流行的智能优化算法进行了研究与总 结。改进了反馈控制算法，第一次引入了c p s o 和a s p s o 两种混合算法作为 反馈控制算法的第一阶段，同时提出了新的权重因子以及收缩因子。使用测试 函数分析了改进算法的性能。数值分析的结果表明了改进算法能在跳出局部极 值干扰的情况下，更快更好的搜索到全局最优值，具有较高的稳定性。将反馈 补偿器封装在m a t l a b 模块内部联合o p t i s y s t e m 搭建了速率为4 0 g b i t s 4 的 光通信仿真系统，实现了两个软件的联合仿真。使用b e r 、眼图等对补偿前后 的信号进行了对比分析，发现取得较好的结果。也同时证明了算法的可行性和 优势。 关键词：偏振模色散，全光网络，光域补偿，c p s o ，a s c p s o 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dg r o w i n go fb u s i n e s sd a t aq u a n t i t yi nr e c e n ty e a r s ，m a n yn e w d e m a n d sa r ep u tf o r w a r d e di nn e t w o r kt r a n s m i s s i o n , s u c ha st h eh i g ht r a n s m i s s i o n r a t e ，t h r o u g h p u t , e t c 4 0 g b i t sr a t eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e np u ti n t o c o m m e r c i a l ，16 0 g b i t so re v e nh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t es y s t e mi sa l s o u n d e r d e v e l o p m e n t w i t ht h eh i g h l yd e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a ln e t w o r k ，t h ef u l ll i g h t c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e c o m e sm u c hm o r em a t u r et h a nb e f o r e 0 s n r , c h r o m a t i c d i s p e r s i o na n do t h e rp r o b l e m sh a v eb e e nr e s o l v e ds u c c e s s f u l l y p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o np m d h a sg r a d u a l l yb e c o m eab o t t l e n e c ko ft h r o u g h p u ta n dd i s t a n c ei n l l i g h - s 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 mw i t ht h ei m p r o v i n go ft r a n s m i s s i o n r a t eo ft h es i n g l ec h a n n e la n dt h eb a n d w i d t ho f a n a l o gs i g n a l f i r s t l y , i nt h i st h e s i s ，w eu s et h et h e o r yo fo p t i c a lw a v e g u i d et r a n s m i s s i o nt o a n a l y s i st h ep r i n c i p l e so ft h ep m dg e n e r a t i o ni no p t i c a ls i g n a la n dt h ed e t e r i o r a t i o n w h i c hi sc a u s e db yi t se x i s t e n c ei nt h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t hf o r m u l a d e d u c t i o n , w ea n a l y s e st h ep m di n f l u e n c ef a c t o r ss u c ha sb k e f r i n g e n c ea n dm o d e c o u p l i n g ，a n dt h e ng e tt h es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o nr u l e s w ea l s od e s c r i b et h ep r i n c i p l e o fw a v e g u i d et r a n s m i s s i o na n dp o l a r i z a t i o ns p i n d l ep s pw i t hb a n g i a r - b a l l ，s t o c k s p a r a m e t e r sa n dj o n e sm a t r i x w ed e e p l ys t u d yt h ep m da n dl a i dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ew h o l et h e s i sf r a m e w o r k s e c o n d l y , w ed e e p l yr e s e a r c h e dt h ep r e f a b r i c a t e dg r e a tp r o d u c t i o nf r o mw h i c h i sa l r e a d yl a i di no 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 mt oa l ls o r t so fi n h i b i t i o ni n p m d ，a n dc o m p e n s a t i o nm e t h o do ft h ev a r i o u sm e t h o d sj u d g eo b j e c t i v e l yc o m p a r e c u r r e n t l yt h e r ea r et h r e eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e ds c h e m eh a sb e e nl a y i n go p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o m p e n s a t i o n ：e l e c t r i cd o m a i nc o m p e n s a t i o n ，l i g h t d o m a i nc o m p e n s a t i o n ，p h o t o e l e c t r i cc o m b i n a t i o no ft h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d s b a s e do nt h ef u t u r eo fl a r g ec a p a c i t y , h i g hr a t ef u l lo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m , d e s c r i b e st h ea l ll i g h tc o m p e n s a t i o np l a ni ns p e e da n dl o s sa d v a n t a g e s f i n a l l y , t h i s t h e s i si s f o c u s i n g o nt h ef e e d b a c kc o n t r o l a l g o r i t h mo ft h e p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n , c r e a t e sas e a r c hf u n c t i o no fc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s i tr e s e a r c h e sa n ds u m m a r i z e st h ep o p u l a ri n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i nr e c e n ty e a r s t h et h e s i s i m p r o v e sf e e d b a c kc o n t r o l a l g o r i t h ma n di n t r o d u c e dt w oh y b r i da l g o r i t h m s i ti n 仃o d u c e sc p s oa n da s p s oa s 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ef i r s t p a r t o ff e e d b a c kc o n t r o la l g o r i t h m i ta l s o p r o p o s e sn e wi m p r o v e d w e i g h t i n gf a c t o ra n ds h r i n k a g ef a c t o r a n dt h e nt h et e s tf u n c t i o ni su s e dt oa n a l y s i s p e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h m t h en u m e r i c a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h mc o u l dj u m p o u to ft h ei n t e r f e r e n c ei nl o c a lm i n i m aa n ds e a r c ht o t h eg l o b a lo p t i m a lv a l u ef a s t e ra n db e t t e r , w i t hm o r es t a b i l i t y t h ef e e d b a c k c o m p e n s a t i o np a c k a g e di nt h em a t l a bm o d u l eu n i t e d0 p t i s y s t e mb u i l tt h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mi n s i d e 、加mr a t eo f4 0 g b i t s 4a n di m p l e m e n t e d t h ec o - s i m u l a t i o no ft h et w os o f t w a r e s u s i n gt h eb e r , e y ed i a g r a m sc o m p a r a t i v e a n a l y s i s o ft h es i 罂a a lb e f o r ea n da f t e rc o m p e n s a t i o n , w eg o tr e m a r k a b l ea n d r e a s o n a b l er e s u l t s ，w h i c hp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n d a d v a n t a g e so fa l g o r i t h m k e yw o r d 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 ，a l l - o p t i c a ln e t w o r k s ，o p t i c a ld o m a i n c o m p e n s a t i o n , c p s o ，a s c p s i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早强v 匕 近年来，因特网的迅速普及，网络通信数据业务的飞速增长，如企业网、接入 网的网络传输、路由选路与交换等都对网络吞吐量提出了新的要求。现有的网络技 术已经难以满足急剧增长的数据业务量对速度和带宽的需求。目前光网络交换技术 发展趋于成熟，全光网络将逐渐承载起我国通信骨干网主要传输任务，成为现代通 信网的主要组成部分。随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已提 高了近1 0 万倍，从m b i t s 发展到n s 的单位速率【l 卜【2 】。目前，单一波长的传输容 量已达到4 0g b i t s ，1 6 0g b i t s 的研究也日趋成熟嘲。由于w d m 传输损耗低，加之 具有带宽方面的优势，采用w d m 系统加速了光传输系统容量的增长，将不再受制 于存在于其他传输方式的电子瓶颈和电子极限。通过减小信道间距、扩展信道带宽、 采用混合复用技术来提高w d m 系统的信道容量h 。w d m 技术使得光信号交换和 控制的方式多样化，可以从空间、时域和码域等不同角度出发拓光通信系统的容量。 这项技术近年来发展十分迅速，在o f c 2 0 0 0 光纤同心会员上，l u c e n t 公司发表了最 高速率为3 2 0 g b i t s 的光时分复用系统和4 0 g b i t sx8 2 ( 3 2 8 t b i t s ) 的密集波分复用系 统，而富士通则实现了速率为1 2 8 t b i t s 无中继传输数据公里数达8 4 0 k m 的系统 【5 卜【6 】 o 全光网络中的光信息流从发送端到接收端的整体传输过程始终在光域内，无需 经过受制于电子瓶颈以及交换瓶颈的o e 和e o 转换。同时，光网络技术随着光 信息处理能力的提高，不再被限制在物理层，逐渐进入数据链路层和网络层。光纤 通信系统承载p 协议的方式最初i p a t m s d h 光网络，随着光网络技术的发展， i p m p l s 光网络也逐渐成型【7 j 。未来全光网络的实现，高速骨干传输高速率的、大 容量的发展对光纤提出了新的要求。 由于光传输材料的特殊性，在光信噪比的问题得到解决后，色度色散和偏振模 色散逐步成为限制高速光纤通信系统实用化的两大因素。色度色散和偏振模色散对 信号的影响都随比特率的平方增长，当传输速率达到t b i t s 这种代价将是不可估量 的。随着色散补偿光纤的的使用和合色散补偿技术的应用，非线性效应和色的色散 的问题已经得到了极大的改善。于是偏振模色散逐步成为钳制现代通信系统向大容 量、长距离、高带宽迈进的瓶颈，受到越来越多的关注。偏振模色散也一直制约着 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 光时分复用以及对脉冲宽度有更高要求的光弧子通信以及未来的商业应用前景。如 果光纤的偏振模色散为0 1 ，若以平均差分群时延( d g d ) d , 于信号比特周期的1 1 0 作为p m d 对系的限制( 不产生码间干扰i s i ) ，则4 0 g b s 信号无电中继的最大传输距 离仅为6 2 5 k m ，1 0 0 g b s 仅能传输1 0 0 k m 。不仅如此，由于其的随机分布特性，如 何有效的测量和补偿p m d 尚存在很多需要克服的技术难点。 最初在2 0 0 0 年i t u ts g l 3 会议上提出的自动交换光网络( a s o n a s t n ) 是智能 光网络的主流方向，近两年更是飞速发展。网络结构核心的特点就是不需要人工干 预，具备选路和管理的高级智能。智能交换设备将根据当前的状态向光传输网络提 出带宽资源的申请，信令系统以及智能管理设备根据业务数据量在网络拓扑中动态 的分布需求建立或者拆除光信号通道。但与此同时，动态路由的改变会导致偏振模 色散、偏振相关损耗等效应的累积。由此可见。偏振模色散可能严重制约整个全光 网络的发展。虽然目前已经研制出许多性能更优化的光纤，但在我国已大量铺设的 g 6 2 5 单模光纤传输网络上对偏振模色散进行补偿是最行之有效、也是最经济、最 实用的方法。 1 2 国内外研究现状 偏振模色散p m d ( p o l a r i s a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 自光纤诞生以来就一直存在，但 是由于早期的通信系统速率低，可以忽略，随着光纤传输系统速率的飞速提高，p m d 开始成为制约通信系统传输速率的重要因素之一。近几年，o f c 和e c o c 等光通信 会议都出现了对p m d 研究的热点关注，国外对p m d 的研究涉及到p m d 的成因、 p m d 的统计分布理论、p m d 的测量、p m d 的仿真模拟、p m d 的代价、p m d 的抑 制和补偿方法等各个方面。国内对偏振模色散的研究因为起步较晚，在高速光纤通 信系统的补偿器件中尚没有自主知识产权的成果，与国外先进水平存在很大的差距， 因此对p m d 补偿系统的研究更加迫在眉睫。 s c r a s h l e i g h 于1 9 7 8 年首先提出了p m d 的概念，指出单模光纤中存在的两个 基模【引。随后c d p o o l e 于1 9 8 6 年首次提出了偏振主态p s p ( p r i n c i p a ls t a t eo f p o l a r i z a t i o n ) 的概念利用动态光波导方程和n 个双折射晶体模拟光纤中光波导的传输 过程，得到偏振模在光纤中演变的动态方程并得出了偏振模的服从者都是按照麦克 斯韦函数分布。c d p o o l e 提出的静态偏振模理论已成为现在广泛运用于p 加测试 技术。随后在o f c 2 0 0 1 和o f c 2 0 0 2 上又提出来重要性抽样( i m p o r t a n c es a m p l i n g ) 计 算方法，研究内容包括了一阶和二阶p m d 之间的相关性以及推导公式，p m d 频率 的自相关特性，p m d 随传输距离呈平方增长的特性，p d l ( 偏振相关损耗) 的统计分 布1 9 。g i n s i n 等人第一次引入了主态向量p s v ( p r i n c i p a ls t a t ev e c t o r ) 的概念，并将在 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 得出了p d l 的情形下动态方程。1 9 9 6 年e k a w a i 等人在非线性条件下推导出了偏 振模色散下耦合的非线性薛定谔方程【1 0 1 。与此同时，p m d 的产生原理和测量方法 得到广泛的关注，i t u 规范和完善了p m d 的标准测量方法和代替测量方法，总的 来说，p m d 的测量方法分为时域法和频域法1 1 1 1 。 9 0 年代中后期，p m d 的研究逐渐从测试方法过渡到p m d 对传输性能影响，p m d 补偿方面的研究。国际上承认的补偿方法大致可以分为三类：光域补偿，电域补偿， 光电混合补偿。光域补偿是在光的传输线路上插入光学器件偏振控制器等对信号进 行补偿。 1 3 论文工作内容及组织结构 本论文主要完成的工作任务：研究偏振模色散对光纤传输系统的影响，如何抑 制偏振模色散以及偏振模色散的电域补偿、光域补偿、混合补偿的变得三种主要补 偿方法，针对光域补偿的反馈控制单元提出补偿算法的改进。 第一章主要介绍了课题的背景和研究意义，国内外研究现状，本论文完成的主要 工作以及各章节的主要安排。 第二章主要在光波导内对偏振模色散进行了的公式推导和理论分析，阐述了偏 振模色散的原理，并概括了其分类。讨论了各种可能导致偏振模色散恶化的因素。 第三章主要介绍了偏振模色散测量方法、抑制方法以及电域补偿、光域补偿、 混合补偿三种主要补偿方法，分别分析了各种抑制和补偿方法程度性能并进行了对 比。 第四章在光域补偿的基础上着重分析了偏振模色散自适应补偿单元，现有个各 种反馈补偿算法的原理，并对比分析了不同补偿算法的性能，提出了新算法的改进。 并使用测试函数对改进算法进行了性能的测试，取得了良好的效果。 第五章根据改进的算法使用m a t l a b 和o p t i s y s t e m 进行光纤传输系统内的仿真， 并对结果进行了理论分析，最后验证了算法的可行性和优越性，。 第六章对整篇论文进行了总结，讨论了待解决的问题和未来即将展开的工作。 重庆邮电大学硕士论文 第二章偏振模色散理论分析 第二章偏振模色散理论分析 2 1 偏振模色散的原理 光信号传输过程中由于受到偏正模色散的影响，随着传输距离的增加，脉冲谱 宽随之增宽，距离越长，增宽越显著，同时脉冲峰值点也会发生偏移。下面是偏振 模色散制约传输距离和速度的公式： b 删d 扛= 1 0 2 ( 2 1 ) 可以看出偏振模色散对传输系统的影响，随着速度的增加，传输距离呈平方倍 减小。 早在上世8 0 年代就已经开始了对光纤偏振模色散的理论研究，九十年代伊始， c d p o o l e ，h k o n g e l n i k 等人做出经过大量实验和理论分析，首次提出了主偏振态 p s p 的概念1 1 2 ，奠定了现在作为光纤通信系统偏振模色散研究的理论基础。 2 1 1 光波导中偏振态的概念 光纤通常是在光波波段工作的一种圆柱形介质波导。当光纤的工作频率满足 v 石远( ，为光 纤长度，万为偏振模耦合长度) ，因此： 尸m d ”= 等同两了丽瓦面万羽( 2 4 9 ， 根据( 2 3 4 ) 式，可得二阶p m d 与光纤各传输参数为： 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章偏振模色散理论分析 娥- 2 = d 2 h 4 1 7 3 一万5 l + 萨1 2 1 _ 8 e - 4 ( t h ) _ 2 e - 2 ( t h ) _ 亿5 。， 式中，d = e 眵2 ( ) 】， 为模耦合长度。二阶p 色散对系统的影响相比较一p m d 要小很多，但是随着传输距离和容量的要求，补偿二阶p m d 甚至更高阶的p m d 已 成为近年来的研究热点。 2 2 3 模式耦合理论 上世纪8 0 年代，美国与英法之间总长度为6 7 0 0 公里的跨洋海底光缆( t a t - 8 ) 系 统正式铺设。( 该光缆由3 对光纤组成，每对的传输速率为2 8 0 m b s ，每6 7 公里设 置一个中继) 。随着亚欧海底光缆于2 0 0 0 年开通了上海登陆站，光纤的超长距离传 输成为必然结果。已知单模光纤主要由两个偏振模式组成，在进行传输时两个模式 并不是相互独立的，由于光纤本省的不均匀性和本省光信号之间的扰动，着两个模 式会不断变换甚至出现能量转移或交换，这就是模式耦合。 两个相互正交的偏振模在沿单模光纤在进行信号传输时，会发生模式耦合，正 交模式之间随着距离的增长会不断进行能量转移和交换，并可能出现周期性。由于 模式耦合的存在，差分群时延d g d 与光纤长度的关系是呈非线性的。从而构成模 式耦合方程： 孕= 一j f l , a ，+ k q ( 2 5 1 ) ，工yy 、 式中巳( 口，) 3 0 x ( y ) 模式耦合的幅度，耦合系数： b 2 堕4 j pe ( 刀2 一瑶) l 霞己+ 摹露易j 出砂。式中，刀为非圆对称光纤 折射率，n o 为圆对称光纤折射率。己为沿工轴的场强分量，雷w 为沿y 轴的场强分 量，p 代表功率。该方程反映出了光信号沿x 轴和y 轴偏振的两个模式之间的功率 变化，相互之间的耦合程度，以及总功率传输前后的变化。单模光纤中，尼和 艇 两个模式沿x 轴场强的内积为零，或雷w = 0 。则上式变为： k = 鲁等氇易姗 l i e ( , 和兄w 两个模式的场强分量为： e x = e o jq ( u r , o ：o ( u 、 1 l = 一j ( e o k a n ：) c o s 妒如。( u r a ) d 。 ) 】 重庆邮电大学硕士论文 第二章偏振模色散理论分析 k e y 胁= e o ：j o j ( e o ) s i ns 。p 圳 u d 榴, 帆。) 】 ( 2 5 3 ) 1 e = 一 施，z ：0 a ) 山0 ) 】 u j 州 l i th e i , 和脚 两个模式之间的耦合系数为： k ：竺丝尘4 剑r 。瓦b c o s ( 2 + 刀2 矽 (254)d4 i n 由 “ ， 、 ， 、7 将( 2 41 ) 式代入( 2 6 8 ) 式有： k = 瓣u 2 w 2 fr 万s i i l 矽c 。s 矽s i i l ( 2 + 州2 脚= 丽u 2 w x f ( 2 5 5 ) 因此，模式耦合过程就是光纤内模式之间功率不断的转移和交替的过程。经过 研究，发现当模式耦合程度越高，光纤整个传输过程会相对均匀，p m d 反而较小。 反之，p m d 会相对较大。因此，也可以从加强单模光纤中两个基模相互之间的扰动 来加强模式耦合以达到减缓偏振模色散的结果。 2 3 偏振模色散的测试方法 随着偏振模色散对同光传输系统的影响越来越显著，i t u t 于1 9 9 6 规定了单 模光纤偏振模色散的四种测试方法：琼斯矩阵分析法、固定分析器法、干涉法、主 偏振态法。一般情况可以把这几种测量方法成为时域和频域测量法，实际上这几种 测试方法原理都是相似的，区别是以不同的形式对d g d 进行描述。琼斯矩阵可以 在邦加球内表示。i t u t 又于2 0 0 0 年确定了偏振模色散的测试方法以及其替代方 法，斯托克斯参数法为基准方法，第一替代法为偏振态法，第二替代法为干涉法【l 丌。 2 3 1 干涉法 干涉法是测量p m d 最快同时也是应用最为广泛的方法，其特点是测量速度快、 测试设备体积小，适合现场操伊1 8 】。测试设备易于实现端到端的测试，因为其接收 端和发送端是相互分离的，同时测试人员能够直接从仪表上读取某段光纤的p m d q 系数，几乎不会受震动和不利环境的影响。 测试原理：当光纤一端用宽带光源照明时，在输出端测量电磁场的自相关函数 或互相关函数，从而确定p m d ，在自相关干涉仪表中，干涉图具有一个相应于光 源自相关的中心相干峰【l 引。测量值代表了在测量波长范围内的平均值。不同仪器在 1 3 1 0 h m 1 5 5 0 n m 窗口都有一定的波长范围。采用干涉法进行测量，测试仪表一般 包括l e d 光源、p m d 测试单元( 主机) 、数据处理设备( 计算机) 等三个模块。 m i e h e l s o n 干涉仪实验装置如图2 3 所示： 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章偏振模色散理论分析 ， 单 l e d g 匕源 条纹干涉探测器 2 3 2 偏振态法 图2 3m i c h e l s o n 干涉仪实验装置 偏振态法是斯托克斯测量法的第一替代测试方法，其测量原理是：对于固定的 输入p s p ，当输入光信号的波长或者频率发生变化，在s t o c k s 三维空间里邦加球上 被测输出光信号的p s i ) 也会随之不断变化，并且沿p s p 参量的方向进行旋转，速 度取决于差分群时延d g d ：时延越大，旋转越快u 。测量相位角频率变化a c o 和邦 加球上p s p 参量的旋转角度p ，就可以得到d g d r = i 目圳u 列。 偏振态法直接给出了被测试p s p 间差分群时延d g d 与波长或时间的函数关系， 通过在时间或波长范围内取平均值得到p m d 。 光纤 率夕日掣皿皿日匝 l _ j lj l e d y f 燎 连接器，接头 图2 4 偏振态法分析测量实验装置 2 3 3 斯托克斯参数测定法 斯托克斯参数测定法是测量单模光纤p m d 值的基准试验方法，它的测试原 理是在一波长范围内以一定的波长间隔测量出输出偏振态随波长的变化，通过琼斯 矩阵本征分析和计算，得到p m d 的系数值。 斯托克斯参数测定法多用于实验室测试，其测量试验设备及装置如图2 5 所示。 重庆邮电大兰堡主垒奎 篁三皇堡堡堕鱼墼里笙坌堑 _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ l _ _ - - _ _ l _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 一一 一一 立夕 可调l e d 光源 线性偏振器 连接器，接头 图2 5s t o c k s 参数测定法实验装置图 1 6 o 爪u o n u 钙八9护 重庆邮电大学硕士论文 第三章偏振模色散的主要抑制方法以及各种补偿方法的分析 第三章偏振模色散的主要抑制方法以及各种补偿方法的分析 光信号在整个通信系统中进行传输，会受到偏振模色散的影响而产生脉冲展宽。 由于脉冲展宽造成码间干扰，从而大大增加了系统的噪声和损耗。因此，如何抑制 和补偿p m d 效应逐渐成为近几年来的热点关注的话题。同时也涌现出了各种针对 p m d 效应的补偿方法。下面将进行详细的阐述。 3 1 生产及铺设过程中对p m d 的抑制措施 在拉丝过程中对p m d 效应进行抑制是目前光纤生产厂家积极研究的领域。使用 p m d 系数优良的光纤将可以省去光纤成缆铺设后的补偿。目前用于生产过程中抑制 光纤p m d 效应的方法主要包括：从物理上改良纤芯圆度、芯( 包) 同心度等光纤几何 参数，控制并在光纤制造过程中尽可能释放应力；在拉丝过程中增加光纤的模式耦 合，通过在拉丝塔增加旋转或扭转装置，使光纤发生扭转或者旋转【1 9 1 。 3 。1 1 光纤预制棒制造的改进方法 对光纤预制棒的制造的改进方法就是m c v d ( 改良化学汽相淀积) 工艺，使用 m c v d 工艺从理论上可以精准的控制折射率分布以及光纤的成分比例，通过改进几 何尺寸制造出低双折射率低损耗的光纤，使纤芯近似于理想正圆。改进几何尺寸虽 然可以对p m d 的产生造产生一定抑制作用，但是相比较后期对光纤进行加工、光 缆铺设等过程中造成的外部挤压、扭转带来的双折射相比，改变几何参数的效果并 不明显。除此之外，m c v d 工艺控制过于复杂，虽然在一定程度上降低p m d ，稳 定性不强。在随光纤折射率分布的进行设计是必须保证截止波长c w ( c u t - o f f w a v e l e n g t h ) 、零色散波长z d w ( z e r od i s p e r s i o nw a v e l e n g t h ) 以及色散斜率 d s ( d i s p e r s i o ns l o p e ) 等其他相关性能【2 0 】，因此想要通过改进预制棒的制造来抑制 p m d 有一定难度，在此不在讨论。 3 1 2 光纤拉丝工艺的改进方法 ( 1 ) 使光纤自旋的理论分析 旋转光纤的意义，如何控制自旋参数： 1 7 重庆邮电大学硕士论文第三章偏振模色散的主要抑制方法以及各种补偿方法的分析 a ，k g 图3 1 椭圆偏振光 嗍= 睁特( 糌卜 - ， 嗍= 睁咎( 糕卜b 2 ， 若恰有工2 = 厶则p m d l + p m d 2 = o 。 要使得上述等式成立需要满足a 波和b 波在光纤旋转时，恰好交替州2 的角度。 旋转参数的选择将会非常关键，当旋转参数不恰当时会出现下面状况，旋转光纤的 时候，a 、b 波的偏振极化面随之进行同步旋转，快波和慢波抑制保持原有状态无 获得改变。从而无法对p m d 效应进行抑制。 ：霎篙(indexindexlower一 弯曲引起的双折射向量 、 馒轴h 目h 酊) f 辜- 矗 怖() 卜7 i 南啪m 弩由方一 l 窜舫向、蝴m ：_ ，一7 蠹多二壬， 图3 2 不圆度与p m d 系数之间的关系 椭圆偏振面内短轴处于光纤的弯曲面内，弯曲对短轴的压力会加剧光纤的椭圆 度；反之，当椭圆偏振面长轴处于光纤的弯曲面内时，弯曲对长轴的压力缓解了光 纤的椭圆度。当对光纤进行旋转或扭转的时候，使椭圆偏振面的长短轴交替出现， 整个光源的偏振特性将更加均匀。因此从另一个角度抑制了p m d 效应。目前使光 纤发生这种匀化旋转的方法主要有两种：自旋法和搓扭法【2 l h 2 2 。 ( 2 ) 旋转法 最早出现的一种方法是，当光纤进行拉制时，在拉丝炉上方给光纤预制棒施加 j f b 重庆邮电大学硕士论文第三章偏振模色散的主要抑制方法以及各种补偿方法的分析 一个周期性的旋转。一些制造厂商在早期采用这种对光纤预制棒的旋转来生产稳定 且p m d 效应很小的光纤。旋转阀生产出来的光纤就叫做自旋光纤( s p u nf l b e r ) ，模双折 射值约4 3 x 1 0 。9 1 。同样，对于参数旋转螺距尸、光纤拍长印的改变可以对旋转进 行调整，这种方法降低了光纤内部由形状和应力引发的双折射。当p 4 ( 4 6 ) 将p s o 算法对社会形态的模拟归纳为，微粒个体虽然是总群的一部分，但是有 自我意识，能够对每一个可能的微粒个体所分享的搜索空间进行选择。微粒个体也 可能根据一下三个因素对其认知状态进行修改： 第一，来自环境状态以及其他微粒的信息，也就是它的f i t n e s sv a l u e ； 第二，微粒个体自己之前的历史状态，也就是改微粒的记忆； 第三，来自于该微粒邻居之前的历史状态，体现了一种群体对信息间共享力。 重庆邮电大学硕士论文 第四章偏振模色散补偿控制算法分析研究 单个微粒个体的邻居，可能有几种不同的方法去配置给个体的“社会网络 。是 否与所有微粒，部分微粒或者是单独个体进行相互作用选择不同的邻域拓扑结构( 环 形，星形等) ，都是根据以上三点决定。微粒不断调整速度和位置，从而搜索到问题 的最佳解。 p s o 算法搜索性能的实现是通过选取合适的控制参数，一旦达到全局和局部搜 索能力的统一。它的优点：原理简单，易实现；算法灵活，可以适用于多种不同问 题空间；能够记忆多数个体以及整个微粒群的最佳值信息；相邻微粒间彼此共享最 佳值信息，并利用个体和整体两个最佳值来进行搜索参照。 但是，在对p m d 进行反馈补偿的同时我们也发现了p s o 的不足之处：比如在 局部微粒空间搜索能力相对较弱，容易陷入局部极值无法跳出；不能确保搜索精度， 搜索得到的结果不一定是全局空间最佳值。 4 4 2 改进的c p s o 算法原理 结合p s o 算法的优点，有人提出了种新的结合混沌算法的c p s o 搜索算法l 4 4 j 。 论文第一次将该算法引入p m d 的补偿。虽然混沌算法( c l s ) 的搜索轨道几乎能够覆 盖整个问题空间，能够避免陷入局部极小值。纯粹的c l s 法对初始值过于依赖，并 且经常需要经过繁复的迭代搜索过程才能获得比较理想的值。因此将结合两种算法 的优势，取长补短。采用两阶段的混沌群离子c p s o 算法。其中，p s o 算法主要负 责全局搜索，锁定下一步c l s 算法进行局部搜索的范围。随后，c l s 算法根据p s o 的搜索加过执行搜索。同时，为了增加搜索的分散性，保留部分数量优秀的微粒。 参照粒子群最优化位置动态收缩区域，在搜索区域内随机产生微粒代替性能较差的 微粒。混沌算法流程如图4 6 。 流程图中，将混沌变量s ：+ 1 根据( 4 7 ) 式转换换为决策变量x ：+ 1 ： x ；“= x 咄，+ j j k + 1 ( x 。x ，一x 咄) ，一，= 1 , 2 ，阼 在改进的算法中，首先由新的p s o 算法进行搜索区域范围的收缩划定， 一步c l s 算法执行任务。已知在原始的混合算法中，搜索区域搜索公式为： ( 4 7 ) 以便下 x n t i a ，5m a x 讧m 吣，x g 一，( x 删一x 珊咄) ；o ， 1 ( 4 8 ) x 峨，= 比扛嘁，x g + ，( x 毗厂x 衄，) 鼻o ， 否 是 满足终止条件，输出结果 图4 6c l s 算法流程图 c l s p s o 算法的流程如下： s t e p l 预估函数值并对粒子群中微粒的位置和速度进行初始化； s t e p 2 对所有微粒的f i t n e s sv a l u e 进行评估，同时把当前各微粒的位置和 f i t n e s sv a l u e 储存于其对应的p b e s t 中，比较所有p b e s t 中f i t n e s sv a l u e ，将最优个体 位置和f i t n e s sv a l u e 储存于g b e s t 中； s t e p 3 修改所有微粒的速度，并更新其位置； s t e p 4 计算所有微粒的f i t n e s sv a l u e ，然后保留群体中性能最佳的2 0 的微粒； s t e p 5 在局部空间对粒子群中最优微粒执行混沌搜索，更新p b e s t 及群体的 g b e s t ； s t 印6 如果满足停止条件，则终止搜索，输出最优值结果，否则转s t e p 7 ； s t e p 7 根据收缩因子以及公式( 4 1 1 ) 、( 4 1 2 ) 收缩搜索区域： 重庆邮电大学硕士论文 第四章偏振模色散补偿控制算法分析研究 工m 虹j = 似k m 咄，x g 一，宰( x m 戤，一x 蚵轧) ；o ， 1 x 峨= 此扛哦j ，k + ，幸( x m a ) 【- - x m i n , m o ， 厶 a s p s o 算法采用新提出的非线性指数权因子： w m a x + w m i n f w = w 似一w m i p 一1 ) ”( 4 2 1 ) 表4 1 各优化算法参数的选择 p s oa s p s oc p s o n 3 5n1 5 0n3 5 c 1 ，c 2o 3 ，o 8c 1 ，c z 0 3 ，o 8 c 1 ，c 2 o 3 ，o 8 w2w h a z ，w m i n2 1 ，2 0 1w h a x ，w m i n2 0 9 ，2 0 5 m5 0m5 0m5 0 参数选择的选择见表。三个问题的维数d 分别为2 ，2 和6 。总共对各种算