高速光纤通信系统中偏振膜色散效应及其补偿问题

1、高速光纤通信系统中偏振膜色散效应及其补偿问题摘要:光纤通信作为现代通信网的重要组成部分，正迅速地向高速率、大容量和 长距离的方向发展。PMD明显损害系统的传输性能、限制系统的传输速率和距 离,因此,PMD成为目前光纤通信领域的一个研究热点。关键词:光纤通信;偏振膜色散;电域补偿;光域补偿1偏振模色散的概念在单模光纤中，基模是由两个相互正交的偏振模HE11x和HE11y(LPx01或 Lpy01)组成的，理想光纤的几何尺寸是均匀的，且没有应力，因而两个偏振模是完 全简并的，两偏振模具有相同的传输速度,不存在时延差的现象。然而，在实际的光纤中,光纤的圆对称性通常在生产、成缆、铺设等过程中会 被各种

2、因素所破坏，如光纤的几何不对称,光纤中的残留应力,外加应力等。这些因 素将造成光纤沿不同的方向有不同的有效折射率,即导致光纤的双折射 (Birefringence),造成两个正交偏振模传播常数的差异，即。x#p y,形成了两个偏 振模之间的时延差，这便是差分群时延(Differential Group Delay,简称DGD),通常 表示为E它用来衡量PMD的大小。当光纤长度较短时，两个模式未发生耦 合,DGD是一个确定量。但当光纤长度较长时,两个模式间发生了强烈的耦合。由 于耦合的随机性,DGD也是一个随机变量，并且影响的因素有很多,如双折射、温 度、光纤的机械扰动等。因此PMD也具有不确定

3、性，是一个随机变量。因此，表征光纤中PMD比较有 效的办法之一是取其均值 T ，即数学期望。一般将DGD对时间或对波长的平 均值称为偏振模色散，即PMD。图1表示了单模光纤中PMD的产生过程。1.1差分群时延(DGD)如果以T x和T y表示这两个偏振轴方向上传输的时间，则两个偏振方向的 DGD为At ,即At =t x-T y。DGD可由传播常数对频率的导数得到：2偏振模色散的形成原因单模光纤PMD产生的原因归纳起来主要有两个方面:一是双折射,二是随机 模式耦合2.1 双折射双折射是产生偏振模色散的根本原因，光纤中的双折射可以分为两类:本征双 折射(Intrinsic Birefringen

4、ce)和非本征双折射。本征双折射主要是光纤制作和拉丝 过程中产生的非对称性和残余应力、光纤非圆度、纤芯周围掺杂浓度不均匀产生 非对称引力场,是光纤的永久特性。非本征双折射分为弯曲、外部应力、扭转、 电磁场等双折射,它是由于光纤的成缆、光缆铺设和外界环境温度改变等方面造 成的,并不是永久的。实际的光纤中往往既存在本征双折射,又存在非本征双折射。 描述本征双折射的参量有多种,如传播常数差、归一化双折射、拍长等。3偏振模色散(PMD)补偿方法3.1电域补偿电域补偿是最先出现的偏振模色散补偿方案，它利用分集接收技术分别接收 不同的偏振分量后，再在接收电路中分别插入不同的相移达到消除偏振模色散的 目的,

5、其补偿原理图3所示。德国Alcatel Alsthom Corporate Research Center利用 该方案成功补偿了 10Gbit/s,100km单模光纤系统中的偏振模色散。它的优点是结 构紧凑，性能稳定,技术比较成熟，但其补偿能力不可避免的要受到电子瓶颈的限 制,响应速率不高，对40Gbit/s及以上传输系统不适用。3.2光域补偿由于电域补偿不可避免地要受到电子速率瓶颈的限制，所以目前光域补偿 领域研究更加活跃，也是最有可能解决40Gbit/s以上系统的PMD并能实用化的方 案。一个完整的光域补偿器设备基本上都由三个部分构成:补偿单元,反馈信号和 控制单元。光域补偿是在光纤传输链

6、路中插入光学器件来控制光的偏振态和调整 延时，从而实现PMD的补偿。补偿单元是PMD补偿器的核心，它必须具有与传输线路中PMD相反的作用。 它一般由偏振控制器PC和时延线组成，时延线通常是高双折射光纤、光学器件 等。早在OFC 2000上就有人采用高双折射非线性啁啾光纤光栅作为时延线提出 了一种很有前途的PMD补偿方案。补偿器的反应速度必须足够快,以跟上PMD 的变化。目前的技术完全可以达到这个跟踪速度。反馈信号是指在当前光纤PMD情况下光纤传输系统的信号劣化程度，它一 般应具有高的灵敏度、良好的误码率相关特性及快速的响应时间等特点。控制单 元是联系反馈信号和补偿单元的关键部分。它根据提供的反

7、馈信号不断地调整补 偿单元的时延差和偏振态,来寻找局部最优解,优化输出信号。但是局部的最优输 出信号不一定是经过完全偏振模色散补偿后的全局性最优信号，因此一个快速收 敛的良好的优化控制算法是必须的。光域补偿有多种补偿方案,下面简单介绍其中几种典型的补偿方案。利用保偏光纤补偿PMD。光延迟线为保偏光纤(PMF)，对两偏振模之 间的时延差进行33ps(随PMF的长度而定)的补偿。偏振控制器的作用是调整输 入光的偏振态,使之与PMF的输入相匹配。当然偏振控制器的响应速度应大于光 纤中偏振模的随机变化速度。控制偏振控制器的信号来自于被平方律检波器检波 的PMF输出光信号。该方案能实现长距离(10000

8、 km,PMD:0-66ps)高速率(10Gb/s 以上)光纤通信系统的PMD补偿。实验表明,它能将由偏振模色散造成的功率损 失从7dB降到1dB。这种方法只能补偿固定的PMD值,且结果较复杂，它是一个 固定补偿器。非线性光纤光栅补偿PMD。该补偿方案采用的偏振模色散补偿器件 为非线性啁啾布拉格光纤光栅。在光栅带宽范围内，对于具有确定信号波长和不 同偏振方向的偏振模，它们在光栅中的反射位置是不同的,反射位置的不同将造成 两偏振模之间的传输时延差，从而起到色散补偿的作用。非线性啁啾确保了在光 栅带宽范围内可补偿的时延差随着输入光信号波长的不同而变化。该器件具有补 偿范围可调(最大175ps,更大的补偿范围也可以实现)、结构简单、插入损耗低并 且具有光纤兼容等优点S.Lee等人利用该方法在10Gbit/s系统中实现了在175ps 范围可调的补偿效果，这是一种比较有前途的补偿方法。迈克尔逊干涉仪型补偿PMD。这种PMD补偿方案是由一个偏振分 束器(PBS:Polarization-beam-sputter)、两个四分之一波片和两个全反镜组成,不需 要光环形器，减少了使用一个光环形器的成本。在PBS的一个臂引入可调的光纤 时延线，可以容易调节补偿量。可以