（物理电子学专业论文）波分复用光纤通信系统中偏振模色散及补偿的研究.pdf

北京邮电大学博士论文 摘要 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 0 7 2 0 4 2 ，6 0 3 7 7 0 2 6 ) ， 国家8 6 3 计划( 项目编号：2 0 0 l a a l 2 2 0 4 1 ) ，教育部博士点基金( 2 0 0 0 0 0 1 3 0 1 ) 。 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 析了偏振模色散对波分复用光纤通信系统的影响，详细地讨论了波分复用系统中的偏 振模色散补偿方案和高阶偏振模色散自适应补偿技术。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 的一些基本理论，产生双折射的各种原因，p m d 的起 园。 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，建立了分折 d 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 m d 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，分折了高阶偏振模色散对信号的 影响。 建立了多信道w d m 通信系统的p m d 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 对各信道的影响是不同的，为波分复用通信系统中p m d 补偿提供理 论依据。 依据波分复用通信系统中p m d 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，并提出了具体的补偿方案。 分析了一阶偏振模色散的局限性，提出了在波分复用系统中补偿一阶偏振模 色散的同时，必须补高阶偏振模色散，这样可提高单个p m d 补偿器的带宽。 分析了高阶偏振模色散对信号波形及眼图的影响的具体特征。 三、采用反馈取样的高阶偏振模色散自适应补偿技术 系统介绍了各种减少p m d 影响的方案，详细介绍了一阶及高阶p m d 补偿原 理。 北京邮电大学博士论文 摘要 比较了用偏振度和电带宽信号作为反馈信号的性能，分析了偏振度作为反馈 信号的优点。 数值模拟分析了d o p 随p m d 变化的规律，分析了常见的n r z 码及r z 码系统中 高阶p m d 对d o p 的影响，结果表明高阶偏振模色散对r z 码影响比n r z 码明显。 数值模拟了以d o p 作为反馈信号，以p s o 算法作为搜索算法的自适应p m d 补 偿系统的特性，分析了二段补偿器及三段补偿器对n r z 码和r z 码的补偿效果， 结果表明对n p , z 码补偿效果要优于对r z 码的补偿。 在实验中提出数字中值滤波的方法大大提高了测量d o p 的精度，并提高了p m d 补偿效果。 首次提出了采用适当带宽的光带通滤波器，以及选择合适脉冲宽度的光源的 方法来提高r z 码的偏振度对p m d 的响应范围，从而提高对r z 码的p m d 补偿 效果，并在实验中得到验证。 首次分析偏振度作为反馈信号的二种取样方式的特性，分析了采用固定偏振 度取样方式使得补偿算法陷入局部极大值的可能性，并分析了采用偏振度椭 球作为反馈信号的优越性。 四、采用前馈取样的高阶偏振模色散自适应补偿补偿技术 首次分析了从偏振度椭球中提取p i v l i ：) 矢量信息的方法，并以此为基础提出 了一阶前馈p m d 自适应补偿的方法。对这种方法进行了数值模拟，结果表 明这种方法是非常有效的。 关键词：波分复用，偏振模色散，偏振主态，偏振度，偏振模色散自适应补偿 p hdd i s s e r t a t i o no f b u p t a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o na r e s u p p o s e d b y n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n t6 0 0 7 2 0 4 2a n d6 0 3 7 7 0 2 6 b yt h en a t i o n8 6 3h i 吐 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 j m 2 2 0 4 l ，b yt h er e s e a r c hf u n df o rd o c t o r a l p r o g r a mo f h i g h e re d u c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fp m di nt h e h i g h - s p e e do p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n di t s i n f l u e n c et ow 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 ma r es 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 d o nt 1 1 et h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e p m i d c o m p e n s a t i o n m e t h o di nw d mo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ea d a p t i v eh i g h - o r d e rp m d c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e sa r e m a i n l yd i s c u s s e d a b o v ea 1 1 t h er e s e a r c hw o r k 血t l l ed i s s e r t a t i o na r es u m m e du oa sf o l l o w i n g ： 1 t h et h e o r ya b o u tp m d 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 ee x p r e s s i o n o fp m d t h eo r i g i no fp m da n dt h em o d e l su s e di nt h er e s e a r c ha r et o t a l i 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 h en u m e r i c a lm o d e if o ra n a l y z i n gt h ee f f e c t i v e n e s so f p m do no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a 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 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 lm o d e lo f t h ec o n c a t e n a t i o no f b i r e 丘i n g e n t f i b e r sa r e i n t r o d u c e d b y t h i s m o d e l ，t h e d i s t r i b u t i o no ff i r s t a n dh i g h e r o r d e rp m da r eo b t a i n e d t h es t a t i s t i cr e s u l ts h o w s 血a tt h ed i s t r i b u t i o no fp m di sm a x w e l l i a n 2 t h et h e o r e t i ca n a l y s i so nt h ee f f e c to fp m do nt h ew d m o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ep m dc o m p e n s a t i o nm e t h o d i nw d m o p t i c a ls y s t e m t h et h e o r e t i c a lm o d e if o ra n a l y s i sp m di um u l t i - c h a n n e lw d mo p t i c a l c o m m u n i c a t i o na r ef o u n d e d t h ew a v es 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 e d i a g r a m o f e i g h tc h a n n e l si n8 x 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 e g i v e nt h e m o s ti m p o r t a n tc o n c l u s i o na r eo b t a i n e dt h a tt h ei n f l u e n c e so fp m d o l l 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 o u l d b ec o n s i d e r e di nd e v e l o p m e n to fan e w p m d c o m p e n s a t i o nm e t h o d i n m m o p t i c a l f 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 da r ep r o p o s e d ，a n dad e t a i l e d s c h e m e i sg i v e na n da n a l y z e d b v a n a l y s i s o ft h el i m i t s o ff t r s to r d e rp m dc o m p e n s a t i o ni nw d m s y s t e m t h ei d e a st h a tt h ef i r s ta n dh i g h e r - o r d e rp m d m u s tb e c o m p e n s a t e d a t t h es a m et i m e sa r e p r o p o s e d s oa st o c o m p e n s a t em o r ec h a n n e l sb yap m d c o m p e n s a t o r t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a v es h a p ea n de y ed i a g r a mi n d u c e db y p hdd i s s e r t a t i 叽o f b u p t a b s t r a c t s e c o n dp m da r ea n a l y z e d 3 t h ef e e d b a c ka d a p t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e so f h i g h e r - o r d e r p n ) t e c h n i q u e s t o m i t i g a t e o rt o c o m p e n s a t e p m da r er e v i e w e d w h e r et h e e m p h a s i si sp u to n t ot h ep m dc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s t h er u l e sa b o u td e g r e eo f p o l a r i z a t i o nv a r y i n g w i t hp m da l ea n a l y z e d a n d t h ee f f e c to fh i g h e r - o r d e rp n mo nd o po fn r za n dr zc o d ea r ea l s o n u m e r i c a la n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fp h mo nd o po f r zc o d ea r cm o r ee v i d e n tt h a nt h a to i ln r zc o d e af e e d b a c kp m dc o m p e n s a t i o ns y s t e mm o d e lw i t hd o p a sf e e d b a c k s i g n a l a n dp a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ( p s o ) m e t h o d a st h es e a r c h i n ga l g o r i t h m s i sn u m e r l t a l l ya n a l y z e d t h ee f f e c t so fp m d c o m p e n s a t i o nb yt w o s e c t i o n a n dt h r e e - s e c t i o np m dc o m p e n s a t o ra r ec o m p a r e di nr zc o d ea n dn r z c o d es y s t e m t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t sf o r r z s y s t e ma r ee x c e l l e dt h a nt h a t f o rn r z s y s t e m w e p r o p o s e dt h ei d e at o u s em i d d i ev a l u en u m e r i c a lm e t h o di na d a p t i v e p m d c o m p e n s a t i o ns y s t e mt of i l t e rn o i s ei nd o pm e a s u r e m e n t ，s ot h a tt h e p m d c o m p e n s a t i o n e f f e c ti sl a r g e l yi m p r o v e di ne x p e r i m e n t f o rt h ef i r s tt i m e w ep r o p o s e dt w om e t h o d st oi n c r e a s ed o p r e s p o n s e r a n g e si nr zs y s t e m ，t h ee x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a lr e s u l ts h o w s t h a tt h e s e m e t h o da r e v e r y u s e f u li n i m p r o v i n gp m dc o m p e n s a t i o n e f f e c ti nr z s y s t e m f o rt h ef i r s tt i m e w ec o m p a r et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et w os a m p l i n gm o d e b vd o pa sf e e d b a c k t h ef i x e dp o l a r i z a t i o ns t a t ea n dt h ed o p e l l i p s o i d 。 4 t h ef e e d f o r w a r da d a p t i v ep m d c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s f o rt h ef i r s tt i m e t h em e t h o dt oo b t a i np m dv e c t o rf r o md o p e l l i p s o i da r e a n a l y z e d ，a n da f e e d - f o r w a r d a d a p t i v e f i r s tp m dc o m p e n s a t i o nm e t h o da r e p r o p o s e d t h ee m u l a t i o n r e s u l t ss h o w 廿l a lo u rm e t h o di sv e r ye f f e c t i v e 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 r i n c i p a ls t a t e o f p o l a r i z a t i o n ，d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n ，a d a p t i v ec o m p e n s a t i o n o fp m d 4 北京f 电大学博士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 偏振模色散的研究背景和意义 近几年来，随着经济的发展和技术的进步，人们对语音、图像、数据等信息的需 求量呈现爆炸式的增长，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f 1 。这一切对通信系统的容量尤其是骨干网提出 了前所示有的压力和需求。 在目前所有可用电信技术中，只有光纤具有满足不断增长的带宽的能力，于是具 有超大传输带宽，带宽利用率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，也是将来最具吸引力的宽带信息平台解决方案。为了满 足对通信容量的需要，发达国家电信骨干网上单通道传输速率正在从o c 一4 8 l25 g b s ) 转向采用o c 1 9 2 ( 1 0 g b s ) 的波分复用或者o c 一7 6 8 ( 4 0 c b s ) 方向发展。 光纤通信产品的市场份额也在不断的增长，2 0 0 0 年全球陆地光通信市场约为3 2 0 亿 美元，2 0 0 1 年通信市场下滑的情况下，其市场份额仍然达到3 7 0 亿美元，预计到2 0 0 4 年或2 0 0 5 年，其市场份额将进一步的加大1 2 。光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发 展的新局面，其发展速度不仅超过了由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速 度，而且电超过了数据业务的增长速度，成为近几年来发展最快的技术。纵观国内外 光通信的研究及开发成果，呈现出下面一些新特点： 长距离和大容量 光纤的优势在于有巨大的带宽和低的传输损耗，提高光纤传输容量有两种途径： 一是利用波分复用系统；二是提高单信道的速率。 对于波分复用系统，目前主要集中在低损耗波长( 1 5 5 0 h m ) 区，已经不能满足当 今社会对信息的需求，这就要求传输系统在以往相同的时间间隔内信息码率和信息流 量能得到成倍的提高。提高通信容量主要通过压窄信道间距、扩展通信带宽和采用混 合复用技术来实现。从o f c 2 0 0 1 3 ，4 和0 f c 2 0 0 2 5 的相关文献报道中来看，复用信 道间隔已经越来越窄，最低信道间隙达到了2 5 g h z ，并有向信道间隙1 2 5 0 h z 的趋势 发展。这说明了在以往的通信带宽不变下信道数目有了较大的提高。同时光纤系统传 输的相关实验也已经超过电信常规的c 波段( 1 5 2 8 n m 1 5 6 5 n m ) ，分别往相应长波波 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 段l ( 1 5 7 0 n m 1 6 1 0 h m ) 与短波波段s ( 1 4 5 0 n m 1 5 2 0 n m ) 发展，现已实现s + c + l 波 段信号的同时传输，相应的宽带技术就成为关键技术之一。w d m 长距离传输系统就要 求放大器能对s + c + l 三波段同时放大，且增益平坦。宽带光放大器可简单地分成三种： ( 1 ) 稀土掺杂光纤放大器，如掺铒光纤放大器( e d f a ) 、掺铥光纤放大器( t d f a ) 和 掺镨光纤放大器( p d f a ) ：( 2 ) r a m a n 光纤放大器：( 3 ) 半导体光放大器。在复用技 术方面，光通信由单一复用技术向多种复用技术混合使用的方向发展，其中复用方式 也各具特色，如双向传输的w d m ，偏振复用( p d m ) 与w d m 的混合方式，w d m 与编码 复用( c d m ) 混合方式等。当单信道码率达到4 0 g b s 时，信号必须采用时分复用( t d m ) 。 逸此目前的高码率大容量的通信方式大多数都建立在t d m + w d m + 其他复用手段的模式 上 4 5 。 目前超大容量超大容量超长距离密集波分用技术( 明d m ) 近几年来发展十分迅速。 目前商用的最高光纤传输容量为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 方案。日本n e c 和法国a l c a t e l 公司分别在1 0 0 k m 距离上实现了总容量 为1 0 2 t b ( 2 5 6 4 0 0 b s ) 传输容量，这是目前世界上最高的单纤传输容量其中前者每 仑波长的速率为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。 对于提高单信道速率这种方式，从过去2 0 多年的电信发展史看，光纤通信发展 始终在按照电的时分复用( t d m ) 方式进行，每当传输速率提高4 倍，传输每个比特 的成本大约下降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。然 而，单路波长的传输速率是有上限的，主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子 迁移率。其次还受限于传输媒质的色散和偏振模色散和非线性效应等。最后还受限于 所开发系统的性能价格比是否合算。目前来看，材料问题己不是主要限制，特别是具 有较高电子和空穴迁移率的铟磷材料已经在4 0 g b s 以上的速率显示了出色的性能和 尺寸小、功耗低的特点，还有人进行了1 6 0 g b s 速率的试验，但后两项限制将成为决 定4 0 g b s 系统能否实用化的主要因素，与l o g b s 传输系统相比，4 0 g b s 系统传输 速率提高4 倍。从理论上看，色度色散代价和偏振模色散代价都随比特率的平方关系 增长，因此4 0 0 b s 的相应代价是l o g b s 的1 6 倍，大大限制了无补偿传输的距离， 特别是偏振模色散，当单信道速率达到4 0 g b s 时，由于带宽的增加使得高阶偏振模 色散效应非常明显，在目前的实用化系统向高速和长距离发展的过程中，偏振模色散 的宽带自适应补偿是需要解决的关键问题。而且由于偏振模色散是随机的，尚无经济 有效的补偿办法。 智能光网络 近几年来，随着i p 业务的爆炸性增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越大， 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 而且由于i p 业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越 来越迫切。主要靠人工配黄网络连接的原始方法耗时费力、容易出错，不仅难以满足 现代网络和新业务拓展的要求，也难以适应市场竞争的需要。于是一种能够自动完成 网络连接的新型网络概念智能的自动交换传送网( a s t n ) 应运而生。这是一种利 用独立的控制面来实施动态配置连接管理的网络，其中专门以光传送网( o t n ) 为基 础的a s t n 又称为自动交换光网络( a s o n ) ，是开发的主要方向。a s t n a s o n 可以动 态分配光通路，实现端到端连接的保护和恢复，实现数据网网元与光层网元的控制协 调，将光网络资源与数据业务分布自动地联系起来。 过去，传送网只涉及客户层信号的传送、复用、交叉连接、监控和生存性处理， 通常不含交换功能，只具备较低的智能。因此，在传统的传送网中引入动态交换的概 念不仅是几十年来传送网概念的重大历史性突破，也是传送网技术的一次重要突破， 使传送网具备了自动选路和管理的更高智能。智能光网络是能够适应未来发展的下一 代光网络。自动交换光网络技术可以使原来复杂的多层网络变得简单和扁平化，从光 网络层开始直接承接业务，避免了传统网络中业务升级时受到的多重限制。 然丽由于动态路由分配，可能带来的一个严重问题是，使原本微小的偏撮效应， 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，从而成为新一代光纤通信系统必须考虑的重要因素之一。 由上所述，为了解决偏振模色散的问题，对于新建的线路，可敷设新的光缆，新 光纤的p m d 系数一般比较小，大都小于0 5 p s 南? 2 。然而，对于已有的网络或线路， 敷设新光缆既费钱又费时。截止到2 0 0 1 年底，我国已有的光缆线路长度达到1 4 6 万 公里，其中在2 0 世纪9 0 年代以前铺设的光纤，p 系数比较大，一般其系数要大于 0 5 册丽，有一部分甚至超过0 8p s k 聊。如果重新铺设光纤，费用巨大，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i k m 光缆所占 用的地下管道也需要数万元费用。显然，对现有已铺设的光纤进行改造是个比较经济 的方案。 1 2 偏振模色散研究的进展 自从1 9 7 8 年第一次报道光纤中的偏振模色散以来【6 ，人们经过了很长的时间才 意识到p m d 是光纤通信系统的一个重要的问题。随着高速率、大容量的光纤通信系 统的迅速发展，偏振模色散已成为发展超未来高速光纤通信系统的主要障碍之一a 一 般认为最大p m d 的许可值( 定义为长期d g d 平均值) 应当小于比特周期的1 1 0 1 7 ， 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 否则，p m d 引起的脉冲展宽将使得误码率大大增高。 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 0 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 系统的损害就明显地表现出来。 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 粕对光波传输影响后，十多 年来对p 衄的研究取得了较大的发展。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 f , 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 晒的方法。在最近几年，遥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 c 2 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 g b it s p m d 补偿技术研究，一个是对高阶p m l ) 及补偿的研究，另外一个值得研 究的问题是p 奶对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 。 下面就从p m d 统计特性、p m d 测量技术、p m l ) 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 帅的进展情况。 ( 1 ) p m d 统计特性 对p m d 统计特性的研究是以c d p o o l e 等 8 j 的主态模型为代表的，利用动态方 程 9 或是级联的双折射晶体模型 1 0 来作为工具，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，能够大大节省计算量，不过这种方法要求事 先知道被研究量的统计分布。研究的内容包括了一阶p m d 的统计特性 1 2 ，二阶p m d 两个分量的统计特性 1 3 ，1 4 ，一阶及二阶p m d 的相关关系 1 5 ，p m d 的频率自相关 特性 1 6 1 ，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 17 ，1 8 ，在p d l 存在条件下的p m d 分布 1 9 等等。 模拟p m d 统计特性的器件被称作p m d 模拟器。根据使用场合的不同，要求p m d 模拟器能够模拟p f f d 的一阶甚至更高阶的统计特性。如果要求p m d 模拟器模拟真实环 境中的p 变化，则需要模拟器随时间随机变化。一个好的模拟器应具有几方面的特 征 2 0 ：( 1 ) 可控制，可重复，可快速变化，( 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( q u a d r a t i cf a l o f f ) ，( 6 ) 插入损耗尽可能小。在实现上，p m d 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 模拟器可以采用一个偏振控制器和8 一l o 个双折射晶片级联的方式，模拟实际光纤中 的一阶和高阶p m d 效应，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，实现一阶和高 阶p m d 效应，其优点是全光纤化，损耗小，宜于实现。另外还有利用热光效应的模拟 器。由于p m d 的统计性，实时测量其瞬时值是没有意义的。对p m d 的测量和补偿需要 测试大量不同的光纤，目前能商用的偏振模色散( p m d ) 值较大的光纤还未出现，进口 一个p m d 模拟器需要几十万，因此研究具有统计分布的又经济的p m d 模拟器有重要意 义。 ( 2 ) p m d 的测量技术 研究p m d 特性的一个重要的实验手段就是测量，标准组织( i e c ，t i a ，i t u ) 推 荐了测量单模光纤p m d 的三种方法：j o n e s 矩阵特征分析法( j m e ) 2 11 ，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 已经建议j m e 和i f 作为基准 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 i v i 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。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 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 1 ，与一般的o t d r 不同韵是，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 1 。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。 ( 3 ) p m d 对系统的影响 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 m d 下的影响【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f 3 1 ，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 1 0 1 ，用它取得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，0 因子，或者脉冲展宽等等参数，由于p g 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 ep 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。 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 晌，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$ 0 3 5 1 ，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f i 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 ) f 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 1 。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 ( 4 ) 减小p m j ) 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 j 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 如上优于非归零码。 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 光域上插入个与p m d 光纤传输特性m ( g o ) 相反的线性传输矩阵m ( ) _ l ，可称之为光 补偿1 5 8 j ；另一种是在电域的光接收机后插入与整个系统传输函数日( ，_ 1 特性相反的 h ( ，) ，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补偿光纤线路中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，它的目的是减小码间干扰e 6 5 。这种补偿器由 线性均衡器和判决反馈均衡器组成e 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闽值变化。 反馈方式补偿要求反馈信号能够反映出p 旧对系统的影响，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。 反馈信号的形式可阻是偏振度( 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 d 补偿，应该有能反映高阶p 如的反馈信号 e 6 8 ，6 9 。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 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 她的变化。但是反馈方式的p 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