高速光纤通信中的偏振模散射毕业论文

1、高速光纤通信中的偏振模散射摘要 随着光纤通信系统向高速、大容量的发展，单模光纤中偏振模色散的问题变的越来越突出。目前偏振模色散（pmd）已经成为长距离传输、高速率数据和模拟系统的主要限制因素。首先简单介绍光纤通信的发展及其向高速大容量的发展受到偏振模散射的限制，然后对pmd的基本特性进行了介绍，最后介绍偏振模色散的补偿技术。关键字 光纤通信；偏振模色散；基本特性；光纤传输系统；补偿技术high-speed fiber-optic communication of polarization mode scatteringabstract ：as fiber-optic communication

2、s system to a high-speed, high-capacity development, single-mode optical fiber of polarization mode dispersion problem become more and more prominent. currently polarization mode dispersion (pmd) has become a long-distance transmission, high speed data and simulation systems main limiting factor. fi

3、rst, this article introduces the development and optical fiber communication to the development of high speed large capacity by polarization mode scattering limits, and then the basic characteristics of pmd are introduced, finally introduce polarization mode dispersion compensation technology.key wo

4、rds ：optical fiber communication ；polarization mode dispersion ；fundamental response；optical fiber transfer system；compensation technology目录1.引言 （3）2. pmd的基本特性 （4） 2.1 单模光纤 （4） 2.2 pmd的基本特性 （4） 2.2.1 pmd的定义 （4） 2.2.2 pmd产生的原因 （4） 2.2.3 pmd的表示（5） 2.3 偏振模色散系数的定义 （5）3. pmd对光纤传输系统的影响及其补偿原理（6）3.1 pmd对光纤传

5、输系统的影响 （6） 3.1.1 pmd引起的脉冲展宽 （6） 3.1.2 pmd对接收信号频谱的影响 （8） 3.2 pmd补偿原理 （10） 3.2.1 pmd补偿的一般模式（10） 3.2.2 pmd后置补偿（11） 3.2.3 pmd前置补偿（11）4. 结束语（12）5. 参考文献（12）6. 英语摘要（13）1. 引言从古至今光就能够作为一种通讯信号，古代烽火台上燃起的烟火就是一种非常原始的光通讯方式。在信息化高速发展的今天，现代人类已经进入了信息社会，人们对通信的要求变得越来越强烈。今天，光通信技术已经很成熟，光纤通信已是一种通信网的主要传输方式，光纤通信在信息高速公路的建设中扮

6、演着至关重要的角色，已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信技术之所以发展如此迅速，除了人们日益增长的信息传输和交换外，主要是由光纤通信本身所具有的优点决定的。光纤通信容量大、传输距离远；信号干扰小、保密性能好；尺寸小、重量轻,便于铺设和运输，因此一般常用光纤来进行远距离传输。但是随着当今世界信息化的快速发展，用户对通信容量的需求日益增加，光纤通信骨干网的传输速率从10gbit/s 上升为40gbit/s，乃至未来全业务服务中每一用户的容量需求可能超过100 mb/s，在这种需求的推动下，作为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发

7、展。在我国，随着经济的迅速发展，通信技术和通信市场也得到了飞速的发展，单通道速率为10gbit/s（stm-64）的系统已经商用化，320gb/s(10gbit/s32)wdm系统也已经开始大批量装备网络,而且单信道速率正向40gbit/s,甚至更高速率发展。与光纤的色度色散（chromatic dispersion）及非线性一样，pmd（偏振模散射）能够损害光纤通信系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离。单模光纤中非均匀的折射率的分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，它在模拟系统中产生高阶畸变效应和与偏振有关的损耗，导致非线性效应。非线性效应在数字通信系统中，造成脉冲失真变形，增大

8、了码间干扰使误码率上升，从而降低了系统的传输距离,限制了通信系统的传输带宽。 在高速光纤通信中,限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性和色散。掺铒光放大器( edfa ) 的研制成功,使光纤衰减对系统传输距离限制不再起主要的作用。然而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非零色散位移光纤( nzdsf) 的引入逐渐减小和消除。但是,光纤通信系统传输码速率的不断提高和掺铒光放大器（edfa）的应用,带来的一个严重问题是，使原本微小的偏振效应- 偏振模色散( pmd)，在信号的传输过程中不断积累，最终对高速光纤通信系统产生了不容忽视的影响。于是对pmd及其补偿技术的研究成为光纤通信技

9、术领域新的研究热点。 正是由于pmd对高速大容量光纤通信系统的传输有着不可忽视的影响，所以自20世纪90年代以来，这一影响已引起了业界的广泛关注，并迅速成为目前国际上光纤通信领域研究的热点问题之一，开展了对高速光纤通信系统中单模光纤的偏振模色散的研究和相应的标准化制定工作。美国at&t公司于1993年第一个将其光缆的单模光纤的pmd最大值定在0.5 p s /。2. pmd的基本概念及其特性2.1 单模光纤 单模光纤(single mode fiber )的中心玻璃芯很细(芯径一般为9um或10m)，而且只能传输一种模式的光。因此，单模光纤的模式色散很小，适用于远距离通讯，但依然还存在着材料色

10、散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性就有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来人们又发现在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等，这样，1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段1.31m。图一 光纤的结构 影响光纤传输带宽度的主要因素是各种色散,而以模式色散最为重要,单模光纤的色散小,故能把光以很宽的频带传输很长距离。单模光纤具备10 micron的芯直径，可容许单模光束传输，也可减除频宽及振模色散(modal dispersion)的限制。单模光纤相比于多模光纤能够支持更长的传输距离，在10

11、0mbps的以太网以至这行的 1g千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。因此通常我们选择单模光纤来进行远距离传输，但是单模光纤中的偏振模散射对其传输带宽会产生影响，对偏振模散射的研究就显得尤为重要。2.2 pmd的基本特性2.2.1 偏振模散射的定义 偏振模色散即指单模光纤中偏振色散，简称pmd（=polarization mode dispersion），由于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，在沿光纤传播过程中，由于两偏振模受到外界一些不稳定因素，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两偏振模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光信号脉冲展宽，展宽量也不确定

12、，从而形成偏振模色散。 2.2.2 偏振模散射产生的原因 pmd是由以下三个方面的因素造成的：光纤所固有的双折射，即指光纤在生产过程中所产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各向异性；光缆在铺设使用过程中，由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应，从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度，导致pmd；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整性，也能导致双折射，产生pmd。2.2.3 偏振模散射的表示 单模光纤中的偏振模耦合效应和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵（jones matrix）、邦加球（ poi

13、ncare sphere）和stokes参量来描述，并且成为分析pmd的强有力数学工具。自从1986年poole提出了单模光纤中基本偏振态 (principal states of polarization)的概念后，对理解实际光纤中的偏振模耦合和双折射等概念带来了很大的方便。在理想的双折射光纤中存在两个相互正交、与光波频率和传输距离无关的本征偏振态( eigen polarization )。但在实际长距离的光纤中，一般并不存在这种完全与光波频率和传输距离无关的本征态，而是存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏振、并与输出偏振态有最小频率相关性的光脉冲,这两个偏振的光脉冲即为基本偏振态（ps

14、p）。在输出端，这两个光脉冲的到达时间是不同的，其时间差就称之为偏振模色散的群时延差(dgd)。在一阶近似下，psp与频率无关；而在二阶近似下，dgd与psp的值都与频率相关。 一般情况下采用两偏振模的群时延差来表示pmd的大小，由于两偏振模之间的模式耦合是随波长、时间、温度、移动和安装条件随机变化的，所以pmd是一个随时间而变化的统计量，实时测量pmd的瞬时值是不可能的。因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的群时延差（dgd）时必须考虑其统计特性并采取相应的措施。通常采用以下几种定义来表征pmd的数值：群时延差的平均值、群时延差平均值系数和传输时间的均方差(rms dgd)，而且通常用偏振模群

15、时延差的平均值来表征pmd,且满足以下重要公式： l最大值=1000（pmd.比特率）2，式中：l单位为（根号）km，pmd单位为pskm，以及比特率单位为g bs。1.3 偏振模色散系数的定义偏振模色散系数dpmd一般指单位传输距离的差分群时延（dgd）。然而dgd本身是光波长和时间的函数，即使对于同样的光纤dgd的测量结果也有随机性。这就考虑到应该采用何种统计模型来确定pmd系数，一般用以下三种统计方式来确定pmd系数:(1) 以光脉冲分布的均方根偏差的两倍表示平均群时延差(2)以差分群时延分布在光频范围内的平均值表示平均群时延差(3)以差分群时延分布的均方根值表示平均群时延差3.pmd对

16、光纤传输系统的影响及补偿原理 在光纤数字传输系统中，光脉冲的产生是对光载波强度调制的结果。一般采用光脉冲的有无来表示二进制编码中的“1”比特或“0”比特，每个脉冲的持续时间tb称为一个比特周期，其倒数称为比特率b=1/tb，且表示每秒传输的比特个数。比特率越高，脉冲就越窄，对传输系统的要求则越高。从传输的角度讲，光纤的衰减、色散、非线性等均会对系统的性能产生影响，当光纤通信系统的传输速率达到10gbit/s甚至更高时，由pmd引起的两偏振模的dgd达到与比特周期（tb）可比的程度，这时pmd成为影响系统性能的关键因素。 3.1 pmd对光纤传输系统的影响3.1.1 pmd引起的脉冲展宽在高速率

17、和大中继距离的光纤数字传输系统中，pmd会产生的影响已不容忽视。pmd在数字系统中引起脉冲展宽，从而导致误码率增高，限制了光纤通信系统的传输速率；在模拟系统中则会引起信号失真，限制信道数量和带宽。现在，骨干网上几乎无一例外地采用数字传输方式，光纤的模拟图象传输只在catv中有所应用。本章研究pmd对数字传输系统的影响。pmd对传输系统性能的影响可以从多方面进行分析，例如光脉冲的展宽、接收光功率的恶化、q值、眼图、误码（ber）或者从统计角度定义的系统的故障率（outage）等。 pmd引起的脉冲展宽时域分析设图3-1中所示的脉冲f1(t)为初始光脉冲，任意的角度在光纤中传输，并分解为两个偏振主

18、态（psp）上的光脉冲。由于光纤的pmd的作用，在接收端两个psp上的脉冲出现群时延差，设为，这样两个psp上的光脉冲分别为 图2 初始脉冲分解为两个偏振主态上的脉冲（时延差为） 为了分析方便，假设光纤是无损的，且接收机光电探测器的带宽足够宽，且接收机光电探测器的带宽足够宽，转换效率为100%。于是经过接收机光电探测器后输出电脉冲f2(t)可以表示为，其均方根宽度由下面的公式给出 pmd引起的脉冲展宽频域分析 当光载波的频率发生变化时，输出偏振态将围绕其旋转，表示了输出偏振态的旋转变化率和方向，即有这个矢量的模，被称为差分群时延（dgd），是传输光纤中两个偏振主态（psp，）之间的时延差。由于

19、pmd是一种线性色散效应，可以方便地通过傅氏变换在频域进行分析。 设f(t)为初始脉冲，为其傅氏变换，即。则初始脉冲的均方根宽度 为，。在无色散和啁啾的情况下，输出脉冲的均方根宽度由下式给出 式中j为信号的输入偏振态（stokes矢量），表示脉冲归一化谱上的统计平均（如a为常数，则有）。 3.1.2 pmd对接收信号频谱的影响 随着色度色散的有效补偿，pmd引起的脉冲展宽以及误码率下降已经成为高速光纤通信系统发展的制约因素。由于pmd随时间随机变化的特性，pmd补偿必然是一个实时跟踪其变化的动态补偿系统，这就需要准确反映pmd变化的反馈信号。pmd反馈信号主要包括偏振度和电功率。pmd导致两个

20、偏振主态上的脉冲走离，引起光信号偏振度（dop）的下降，因此可以用dop信息检测pmd的变化，但dop作反馈受到多种因素的影响，如脉冲形状，信号码型，ase噪声，调制啁啾等，对于不同类型的线路，dop随pmd变化的趋势也不尽相同，使得补偿系统的适用性大大下降。而随着高频电子器件的发展，电功率反馈法引起了人们的广泛关注。pmd引起光脉冲信号在时域展宽，通过光电转换接收器后，在频域内电谱宽度则变窄，导致接收信号谱中特定频率分量的电功率减弱。电功率反馈的优势在于，脉冲信号码型与形状只能影响反馈信号的整体幅度，而不影响反馈信号随一阶pmd的变化趋势。一阶pmd使光脉冲在光纤传输过程中展宽，光电检测器件

21、将输入光信号脉冲变为电脉冲，其频谱分布与脉冲信号的码型、脉冲形状以及差分群延时（dgd）等多种因素有关。下面分析电功率谱密度的影响因素，尤其是随dgd的变化关系。 现设光纤中传输的信号为任意波形的随机序列，码元周期为，其功率谱为。此随机序列经过受一阶pmd影响的光纤传输后，由pin输出电脉冲的窄带功率谱密度可由下式表征，其中，由脉冲波形确定，为选定的监测频率，r为pin的响应度。由上式可以看出，在选定监测频率的情况下，接收电信号的功率谱密度的总体幅度由脉冲波形决定，而变化趋势则由分光比和差分群延时所决定。 在40gbit/s的高速传输系统中，大多采用rz码高斯脉冲，将其波形函数的傅立叶变换代入

22、上式中，得到rz码高斯脉冲的功率谱密度，对于40gbit/s的系统，码元周期=25ps，设脉冲半宽度=6ps，幅度因子( ) 随接收频率f (f=)的变化关系如图1所示，随着接收频率的增大，总体幅度单调减小；选定的接收频率越高，则得到的电功率谱密度的幅值则越小。 图3 归一化幅度与接收频率之间的关系当监测频率选定以后，可以将幅度归一化处理，则功率谱密度可用下式表示：3.2 pmd补偿原理当光纤通信系统骨干网传输速率提升到40 g bit /s以上时，原来可忽略的pmd 已变为造成光信号畸变不可忽视的重要因素自20世纪90年代以来，世界许多大公司和科研机构都对电功率谱密度的变化趋势由分光比，差分

23、群延时，监测频率三个参数决定，下面分别讨论各个参数对的影响。由于pmd效应引起的差分群延时超过一个码元周期时，信号将恶化得难以恢复，所以在研究实际的pmd效应时，只需要考虑在一个码元周期范围内变化时的曲线即可。 pmd补偿技术进行了大量的研究，国际上有关pmd 的研究发展迅速，主要集中在pmd 的统计特性、pmd 的测量技术、pmd 对系统的影响、pmd 的缓解技术及自适应补偿技术等方面。这些补偿方案归纳起来主要是以两种方式对pmd 进行补偿, 即在传输光路上直接对光信号进行补偿或在接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对pmd 造成的偏振模之间的时延差进行补偿。3.

24、2.1 pmd的一般补偿模式 基于上述的论述，对pmd的补偿的研究显得尤为重要，无论采用何种pmd补偿技术，都要解决三个最主要问题：一是采用何种光路补偿单元（补偿器）；二是如何提取反馈控制信号；三是控制算法如何实现。 补偿器 耦合器控制算法反馈信号 光纤 pc 图4 pmd补偿器的一般模型待添加的隐藏文字内容23.2.2 pmd后置补偿 通过在传输线路的接收端加入动态调整的双折射元件（如保偏光纤等）可实现pmd补偿，这种双折射元件具有与传输光纤相同的特性，而双折射轴相反。从理论上，一个双折射元件可以在某个特定波长（一阶近似）实现pmd的一阶补偿。光发射偏振控制器光接收机bpff 图5 pmd后

25、置补偿装置原理图图4为pmd后置补偿方法原理图，根据采用的补偿元件的个数不同，可以实现一阶或高阶pmd的补偿。3.2.2 pmd前置补偿（psp传输法） 典型的pmd前置补偿方法又称为psp传输法，其基本思想是在发射机一端将光信号偏振态沿着传输线路的一个psp输入，从而克服一阶pmd效应。txrx控制算法 反馈信号图6 pmd前置补偿法 这里，引入自由度（dof: degree of freedom）这一概念，它表示pmd补偿系统中可以调整和控制的参数的个数。一般认为，pc有两个独立调整的参数，因此称之为二自由度（2-dof） pmd补偿。与pmd后置补偿法相比较，psp传输法原理与结构都很简

26、单，但是从应用角度看却有一定的局限性，例如它的反馈信号必须返回到输入端，这使得pmd补偿系统的响应很慢；另外对于波分复用wdm系统而言，每一通道的波长的偏振态都不同，将它们都控制在一个psp方向上是比较困难的，并且偏振控制器要实时跟踪反馈也难以实现。4.结束语 在信息全球化飞速发展的今天，pmd无疑成为网络容量和速率主要限制因素之一。因此近几年来pmd补偿技术成为人们研究的热点问题，同时也成为市场竞争的又一焦点。总的来看，尽管光纤通信市场仍然没有走出历经两年多的低靡状态，然而目前可补偿至40gbit/s的pmd补偿器已经出现商用化产品，而各种相关产品，如有源光纤偏振控制器，偏振光可变延时线等也应运而生。随着网络容量的进一步升级和改造以及pmd补偿技术的进一步成熟，其应用前景是毋庸质疑的。然而，pmd补偿技术还要面对市场的挑战，首要的问题是采取什么方法或技术才能让市场接