偏振模色散补偿

1、偏振模色散补偿偏振模色散 ( P MD) 已成为限制高速光纤通 信系统速率及传输距离的主要 因素之一近年来人们对偏振色散及其补偿进行了大量的研究， 并提出了多种 自适应 P MD 补偿方案 这些自适应 P MD 补偿方案中， 常用的反馈技术主要 有 2 种 ： 第 1 种是电功率法， 即检测某 一 特定 的射频 功率 作为 反 馈 信号， 但 电功率法所使用的光 电探测器与码速率有关， 不利于系统的升 级； 第 2 种是检测光脉 冲的偏振度 ( D OP ) 作为反馈信号， 称为偏振度法 2 J 由于信号的偏振度与码速率无关， 所以在偏振模色散补偿中作为反馈 信号适用于不同码速率的系统， 便于

2、系统升级偏振度法反馈方式 又分为 2 种 ： 一种是输 入偏振态固定， 将接收端所检测到 的单偏振态的偏振度作为 反馈信号， 并用搜索算法搜索偏振度最大值，使 P MD 得到补偿 ， 称为单偏 振 度法 ； 另一种 是在信号的输入端安装一个偏振扰动器， 使输入偏振态发 生变化， 历变所有偏振态， 不同的偏振态的偏振度不同， 最后得到在斯托克 斯空间的偏振度椭球，取椭球的短轴作为反馈信号，称为偏振度椭球法目 前 已有文献讨论了这 2种取样方式但是没有针对具体的偏振模色散补偿器， 也没 有对这 2 种方法的使用适用范围进行研究也有文章从理论上证明了 2 段补偿 器只能补偿二阶偏振模色散的一项，即偏

3、振主态旋转速率， 而 3 段偏振模色散 补偿器可同时补偿一阶和二阶偏振模色散， 但这些都是对未结合具体反馈控制 信号而言的， 在实验中补偿器的实际补偿能力要 在具体 的反馈信号 下才能体 现 出来 而在开发 PMD 补偿系统时， 针对不同的补偿器选用合适的反馈信 号是非常重要 的本文结合多阶段偏振模色散补偿器分别讨论了这 2 种偏振度 取样方式的性能1 理论模型1 1 多阶段偏振模色散补偿器 通常采用的多段偏振模色散补偿器 由偏振控制器和双折射保偏光纤构成， 偏振 控制器 由 2 个 1 4 波片和 1 个 1 2 波片级联构成3 个可调节 的角 度分别由 3 个波片的 电压控制， 其级联的总

4、琼斯矩 阵由 3 个波片的琼斯矩 阵相乘，如图 1 所示设 h ， 0 。分别为 1 2和 1 4 波片的方位 角， 则 1 2 波 片和 1 4 波片琼斯矩阵分别为 矢量r的模就是信号的D OP.信号的D O P就是其频谱上各个频率分量的I ) O P对功率谱加权平均的结果，因此，信号的D OP 与输入信号的偏振态、 偏振模色散以及信号的频谱有关 .只要计算得到 P MD 模拟器和PMD补偿器级联的总琼斯矩阵，则可按式(5)计算得到信 号的I) OP值.采用偏振度作为反馈控制信号的偏振模色散补偿方案如图2 所示， 光发射端产生的偏振光经调制输出为所需要的信号码元.光信号经偏振 模色 散模拟器

5、受到偏振模色散PMD的影响，其偏振态发生变化，偏振度小于1 , 大小与P MD有关，又由偏振计检测信号的偏振度，送至偏振模色散反馈控制 单元进行分析判断.如果D O P小于一定的阈值时，说明偏振模色散对信号产 生的影响需要进行补偿，控制单元便调节偏振模色散补偿器中的偏振控制器和可 变群时延的参数，并采用人工智能控制 的粒子群优化算法(PSO)搜索I) OP 最大值 J ， 当检测到的 I）OP 达到最大时， 偏振模色散即 自动得到补偿 2.种取样方式的模拟结果及分析2 1 单偏振态取样方式首先假设输入的光信号为单一偏振态.利用式（1 ）（3 ）及式（5 ）计算4 0 Gb i t / s光信号

6、经过2段偏振模色散补偿器所输出的D OP值.2段 补偿器由 2 个偏振控制器及 2 段双折射保偏光纤构成， 其 中 2 个偏振控制器 有6个可变方位角度，在O2丌范围内变化.模拟采用的2段PMD补 偿 器的参数为 ： DGD1 为 1 2 .5 p s ， DGD2 为 1 2.5 p s ， 最大可产生 的一阶偏振模色散 为 25 ps .输 入偏振态为单偏振态时， 在 6 个随机可变角度情况下， 得到了 2段偏振模色散补偿器输出的 1000个数据的D O P样点。如图3所示.这10 0 0个样点代表了补偿器在补偿PMD时有可能经历的1 0 0 0种状态. 从图3可以看出，采用单偏振度取 样

7、方式 ， 在 6 个随机可变角度情况下， 2 段偏振模色散补偿器输出的偏振度 在 P MD 较小时随 DG D 的增加而减少， 而在 D G D 大于 2 0 p s 情况下 又呈上 升趋势，而且在出现上述现象的原因是偏振度不仅 由PMD大小决定， 而且与输入光的偏振态和 P MD 模拟器及补偿器共 同决定的复合 主态 的夹角 有 关.一般认为， 如果偏振态沿光 纤的偏振 主态入射， 偏振度最大； 当偏 振态与主态的方向成 4 5 。 入射. 在 2 个主态方向所激发的功率相等， 偏 振度最小， 因此输入偏振态与主态方向成 45 。 入射为最佳 .但是， 如果 输入偏振态 固定， 既使在补偿前

8、将输入偏振态调节到与主态成 4 5 。 入射， 在补偿过程 中补偿器的主态是变化的， 模拟器与补偿器的复合主态也是变化 的。 补偿器主态的变化范围与补偿器的可调节的参数范围与个数有关.当复合 主态与入射光的偏振态对准时， 只补偿 了一阶偏振模色散 ，这时可能在 DGD 较大处出现I ） OP峰值，但此时光纤中的P MD并 没有得到实际的补偿，高 阶P MD仍可能很大，误码率也可能很大，在这种情况下P MD补偿的搜索算 法有可能陷入这一种局部 D OP 极大值的情况 .如果将补偿器的偏振控制可调 参数降到 4个再进行计算， 得到 的结果如 图 4所示.从 图 4可以看出， 当 自由度降至4个，这

9、时在大的D G D处不会出现I ） O P峰值因为自由度减 少，入射偏振态与复合主态对准的可能性减少，在大DGD处出现I ） OP峰值 的可能性就减少 .为了更进一步证实单偏振态取样法作为反馈信号进行偏振模 色散补偿时出现的陷入局部极大值的可能性， 利用图 2 所示的模型， 采用文 献9 所述的多段PMD模拟器，并采用2段补偿器对偏振模色散补偿进行 数值模拟 .补偿器为 6 个 自由度。 采用粒子群优化算法， 使得所检测到的 偏振度达到最大.模拟器产生的平均PMD为18 ps，同时采集了 10 00 个随机的数据， 对 NR Z 码进行 了补偿， 补偿后误码率大于 1 0 I 1 0 样 点分

10、布， 如图 5所示.图 5中每个点的状态包含该 点所对应 的 DOP 、 二 阶PMD的大小以及补偿后的DGD值.二阶PMD可写为：I f ， l = l r +面l，D G D为Ar ， 为主态方向从图5的误码样点可以看 出， 补偿后的剩余二阶 PMD 都 大 于 60 ps2 以上， 有 一部 分 样 点 剩余DGD很大，这些样点的DOP值都很高，都大于0 .97，这是由于在PMD补偿过程中输入光纤的偏振态与复合主态对准，只补偿了 一阶 P MD， 而高 阶 P MD 比补偿前更大， 从而导致搜索到的 D OP 很大，而 误码率却大于 1 0 2 .3结论由数值模拟的结果可知， 利用单偏振度作反馈信号只能用于 2 段补偿器的 4 个 自由度搜索， 而更多自由度的搜索， 容易陷入局部极大值， 此时虽然搜索 到的偏振度值很大， 但一阶和二 阶 PMD 都有可能相当大， 而使得 偏振模色 散 得不到应