1、光纤通信课程设计学院：姓名：班级：学号：指导老师：高速光纤通信中的偏振模色散及其补偿技术目 录1引言 .032光纤中偏振模色散的定义 .033偏振模色散的测量方法 .054偏振模色散的补偿技术 .054.1 光补偿方案之一 .054.2 光补偿方案之二 .054.3 电补偿方案之一 .064.4 电补偿方案之二 .065偏振模色散的研究动态 .076结束语 .08摘 要 偏振模色散已成为当前发展下一代高速长距离光纤传输系统的主要限制因素。介绍了偏振模色散的概念、描述方法以及测试和补偿技术。根据国外的研究情况和我国的具体实情,指出研究偏振模色散的测试和补偿技术对提高高速光纤通信技术的水平具有重大
2、意义。最后在此基础上提出了开展相关研究的建议。关键词 高速光纤通信，偏振模色散，补偿技术1引言当代社会是信息化的社会，用户对通信容量的需求日益增加。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展。在单信道速率不断提升的同时，密集波分复用技术(DWDM)也已日趋成熟并商用化。从技术的角度来看，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。掺铒光纤放大器(EDFA)的研制成功，使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。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）的引入也逐渐减小和消除。随着单信道传输速率的
3、提高和模拟信号传输带宽的增加，原来在光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散(PMD)问题近来变得十分突出。与光纤非线性和色散一样，PMD 能损害系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离，并被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。正是由于 PMD 对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，所以近十几年来，已引起了广泛关注，并正成为目前光纤通信领域研究的热点。2光纤中偏振模色散的定义单模光纤中，基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。两偏振模的群速度由于受到外界一些不稳定因素的影响而产生差异，在传播中两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。PMD 是由以下几个方面的因素造成的
4、：光纤所固有的双折射，即光纤在生产过程中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。单模光纤中的偏振模耦合和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵（Jones matrix）、Stokes 参量和邦加球（Poincare sphere）来描述，并成为分析 PMD 的有力数学工具。自从 1986 年 Poole 提出了
5、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双折射和偏振模耦合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(Polarized eigenstates)。但在实际长距离的光纤中一般并不存在这种完全与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（PSP）。在输出端，两个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
6、关；而在二阶近似下，PSP 与 DGD 的值都与频率相关。一般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和时间随机变化的，所以 PMD 是一个统计量，并随时间而变化。因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的 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)。某一次实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多。3偏振模色散的测量方法PMD 是一统计量，随时间和温度而变化，并与测量的状态密切相关。对同一光纤在不同时间进行测量，无论应用什么测试
7、仪器或采用何种测量方法，测试结果都可能相差 10%或更多。经过多年讨论，目前，国际上一些标准组织（IEC/TIA/ITU）推荐了四种测量 PMD的方法。在这四种方法中，干涉仪法(IF)和波长扫描傅立叶变换法(WSFFT)是测试 PMD 的传输时间均方差，而 Jones 矩阵本征值测量法(JME)和波长扫描极值数计算法(WSEC)则是用来测试 PMD 群时延差的平均值。干涉仪法是在时域内进行测量并根据测试光纤输出端电场的自相关函数来计算 PMD 的传输时间均方差。其中光源为宽带的 LED。在测试光纤的输出端，干涉仪进行扫描，使信号在时域范围内相关，则 PMD 值即为输出光信号自相关函数的二阶矩均
8、方值。干涉仪一般用 Michelson 干涉仪。该法的主要优点是测量的速度快、不易受外界干扰并且测试成本低，适合于野外现场测试；缺点是最小可测的 PMD 值较大并且不能提供测试光纤与波长相关的信息。Jones 矩阵本征值测量法是在频域范围内根据测试光纤的偏振传输函数来进行测量，其测量装置结构如图 1 所示。图 1 Jones 矩阵本征值法的测量装置图Jones 矩阵是一个 22 的复矩阵，它从数学上描述了测试光纤在某一波长处的偏振传输函数。对于任何线性、时不变光学系统的偏振模色散特性，Jones 矩阵法都能用一系列分立波长的测试来给于精确和完整的描述。测试时首先用可调谐激光器和偏振分析仪测量光
9、纤在一波长范围内相等波长间隔的 Jones 矩阵，然后通过计算相邻波长的 Jones 矩阵，解出本征值和本征矢量，这样就能导出某一特定波长间隔内的 DGD 和 PSP。这一过程继续下去，直到计算出整个波长范围内的 DGD，其平均值即为 PMD 值。这种方法的主要优点在于能对 PMD 进行完全的测量，且最小可测量的 PMD 值可达飞秒量级。其缺点是测量速度慢，易受外界干扰且测试成本高。一般它适合于实验室应用和科学研究。由于不同的测试方法之间有不同的 PMD 定义和不同的数学处理方法，对于 JME 法和WSEC 法，PMD 是定义为 DGD 的平均值，而 IF 法和 WSFFT 法则是高斯近似的二
10、阶矩，在二阶矩和平均值之间相差 1.085 的系数。这一点已为实验测试结果所证实，即 JME 法和 WSEC 法的测量结果基本一致，而 IF 法和 WSFFT 法测量的结果比 JME 法的大约高 8%10%。除了以上介绍的几种测试方法外，目前还有在时域范围内进行测量的光脉冲 PMD 测试法、在频域范围内用 Stokes 分析仪进行测量的邦加球 PMD 测试法和偏振态（SOP）PMD 测试法。还有一种利用连续波后向散射技术来测量 PMD 的方法，这种方法的优点在于只使用光纤的一个端面就可以测量 PMD 的 DGD 以及双折射光纤的拍长和自相关长度。利用上述方法对已铺设光缆的 PMD 值测试结果表
11、明，20 世纪 80 年代中期以前生产和铺设的光纤光缆的 PMD 值大，对系统的影响也较大。其典型 PMD 值大约为 2 ps/km1/2。在10 Gb/s 的系统中，接收灵敏度功率代价大于 4 dB。20 世纪 80 年代中期以后生产和铺设的光缆，偏振模色散的影响较小，其典型 PMD 值大约为 0.1 ps/km1/2，对于 625 km 光纤，其平均 DGD 值为 2.5 ps。按照国际标准技术规范小组的观点，当时延差达到一比特周期的0.3 倍时，将引起 1 dB 的功率损失。而偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的三倍，这样为了保证功率损失小于 1 dB，PMD 的平均值必须要小于一比特周
12、期的十分之一。根据现有各种单模光纤的制造技术水平并考虑到 10 Gb/s 系统传输距离的可用性，ITU-T 规定单模光纤的 PMD 系数必须小于 0.5 ps/km1/2，并且这一规定已成为行业标准。这样对于 10 Gb/s 的传输系统，在保证 PMD 值小于 10 ps/km1/2的前提下，最长可以传输 400 km。4偏振模色散的补偿技术上述的测试结果表明，在 10 Gb/s(STM-64/OC-192)及以上速率的高速光纤通信系统的长距离传输中，PMD 将产生严重的功率损失，限制系统传输距离的进一步增加。所以对高速光纤通信系统中的 PMD 进行补偿成为必须要考虑的因素。20 世纪 90
13、年代以来，世界上许多大公司和科研机构都对偏振模色散的补偿方法进行了研究，并取得了较好的补偿效果。研究结果表明，一阶 PMD 效应(即 PSP 与频率无关)是导致系统传输损伤的主要原因，而高阶 PMD 效应只是进一步使传输质量恶化。所以目前大多数补偿方案的研究都主要是针对一阶 PMD 效应。这些补偿方案归纳起来主要是以两种方式对 PMD 进行补偿，即在传输的光路上直接对光信号进行补偿或在光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 造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。其基本原理为：首先在光或电上将两偏振模信号分开，然后用延迟线分别对其进行延时补偿，在反馈回路的控制
14、下，使两偏振模之间的时延差为零。最后将补偿后的两偏振模信号混合输出。下面就这两种方式分别举例简单说明。4.1 光补偿方案之一该补偿方案的装置原理如图 1，图中光延迟线为保偏光纤(PMF)，对两偏振模之间的时延差进行 33 ps(随保偏光纤的长度而定)的补偿。偏振控制器的作用是调整输入光的偏振态，使之与保偏光纤的输入相匹配。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保偏光纤输出光信号。该方案能实现长距离(10 000 km，PMD：066 ps)高速率(10 Gb/s 以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。实验表明，它能将由偏振模色散造成的
15、功率损失从 7 dB 降到 1 dB。图 2 保偏光纤补偿装置原理图4.2 光补偿方案之二该补偿方案的原理如图 3，色散补偿器件为非线性啁啾布拉格光纤光栅(NC-FBG)。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，这种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输入光信号波长的不同而变化。该器件具有补偿范围可调(175 ps)、结构简单并与光纤兼容等优点。图 3 PMD 的光纤光栅补偿原理结构图4.3 电补偿方案之一该方案原理如图 4 所示，电子均衡补偿器是用抽头式延迟
16、线来实现的。延迟线上的功分信号幅度可以通过可调衰减器来加以调节，其中第二路的幅度调节权重为负值。图 4 抽头式延迟线的电补偿装置原理图4.4 电补偿方案之二该方案原理如图 5，它实际上是一种光、电结合处理，并在电信号上进行补偿的联合方案。首先色散的光信号被分解为两个基本偏振模 PSP1 和 PSP2，分别被两个光接收机所接收；转化为电信号后，进行时延补偿；最后两路信号混合输出。图 5 光电结合的 PMD 补偿装置原理结构图从以上各种补偿方式可以看出，电的补偿方式易于实现与光接收机的集成，但需要对高速电信号进行处理或需要两套光接收设备；补偿只能在接收端进行并且补偿的量有限。目前基于电反馈控制回路
17、的光补偿方式较多，大多是利用偏振控制器和双折射光纤的组合来进行补偿，但是该方式的光路结构庞大，不易于集成并且补偿的量也不可调。灵活控制光的偏振态和研制能任意转动的低耗偏振控制器也是成功进行补偿的关键。不过我认为，用新型光学器件如光纤光栅对高速光纤通信系统进行偏振模色散补偿的前景最为看好。5偏振模色散的研究动态光纤中偏振模的研究起源于 20 世纪 80 年代对相干光通信中信号光的偏振态的研究。随着光纤通信速率的不断提高，对 PMD 的研究逐渐深入。20 世纪 80 年代中期到 20 世纪 90年代初建立起了 PMD 的统计理论。20 世纪 90 年代后，研究重点放在了 PMD 的测试和补偿技术上
18、。对系统 PMD 测试的研究主要包括：PMD 与光纤传输距离和光纤级联的关系（这方面的研究为充分利用光纤的传输潜力提供了依据）；光缆周围环境 (陆地或海底)对 PMD 的影响和 PMD 随时间(一般为长时间)的变化情况；高速光纤通信系统中各种有源和无源器件(如 EDFA、光隔离器、光耦合器等)对系统 PMD 的影响；光源的光谱特性对 PMD 测试的影响等。目前 PMD 的研究范围主要包括：一阶和二阶 PMD 对模拟或数字传输性能(包括误码率、功率代价、脉冲展宽等)的影响；二阶 PMD 补偿技术的研究；存在 PMD 的情况下，20 Gb/s和 40 Gb/s 的超高速光纤传输技术的研究等。PMD
19、 及其补偿技术的研究对发展下一代高速光纤通信系统具有举足轻重的作用。目前国内的多家企业和单位都已成功研制了基于 2.5 Gb/s 传输速率的波分复用系统，相关的 SDH 设备已投入商业运营。随着经济的迅速发展，我国的通信技术和通信市场也得到了飞速的发展。为了满足我国通信业发展的需要，加快研究和开发基于 10 Gb/s 或更高传输速率的光纤通信技术有着十分现实和重要的意义。而 PMD 作为限制高速光纤传输的主要因素必须加以研究和克服。现在我国已建成光缆通信线路 80 多万公里，而所用光纤基本上为 G.625 标准单模光纤。特别是早期铺设的 G.625 单模光纤没有 PMD 指标，经测试发现，有些
20、厂家的光纤的 PMD 较大，不宜传输 10 Gb/s 及以上速率的信号，这将影响未来系统的扩容。虽然目前新建的干线和系统，广泛采用 G.655 非零色散位移单模光纤，其 PMD 系数典型值约为 0.10.3 ps/km 1/2，但从长远的角度来看，这对长距离传输 40 Gb/s 的信号还是存在 PMD 的限制问题。所以对 PMD 的研究很有必要并应引起足够的重视。6结束语偏振模色散及其补偿技术是当前高速光纤传输系统研究的热点问题之一。对它的研究涉及单模光纤的损耗、非线性效应、色散及高阶色散等一系列基础性的研究，也涉及单模光纤“传输容量的极限”这一学科前沿和物理、光纤光学、光纤通信等多学科知识的交叉和融合，有着重要的理论意义和实际应用价值。我认为研究的重点应放在 PMD 的补偿技术上，同时也应开展 PMD 测试技术，如 IF 法和JME 法的研究，为 PMD 的本质和补偿技术的研究奠定坚实的基础。重视 PMD 问题，深入开展对它的研究和寻找出解决问题的对策将对提高光纤通信技术的水平和满足通信业务需求的不断增长具有重大意义。
