偏振模色散及其补偿技术

光　通　信　技　术

OPTICAL　COMMUNICATION　TECHNOLOGY

中国无线电电子学、电信技术类核心期刊

Vol.26No.2

偏振模色散及其补偿技术

蒙红云　冯德军　赵春柳　杨石泉　武志刚　董新永　李杰　董孝义

(南开大学现代光学研究所,天津　300071)

摘要　随着光通信传输码率的提高,偏振模色散(PMD)的影响越来越大,它限制了信号的传输距离,降低了信号的质量,所以必须对PMD进行补偿。简要介绍了PMD的产生机制及目前高速光通信中常用的几种PMD补偿技术。

关键词　光纤通信　偏振模色散　补偿技术中图分类号　TN818　　文献标识码　A

1　引言

目前,光纤通信已成为世界各国发展通信产业的最主要方向之一,传输距离和系统比特率的升级也十分迅速。由于近年来色散补偿技术的发展,波长色散已不再是通信系统的限制因素。随着长距离、高比特率系统的发展,PMD(PolarizationModeDispersion)的影响已日益凸现,它已成为限制高速光通信发展的主要因素之一。在10Gb/s及以上速率的高速光通信系统的长距离传输中,由于PMD可能在数字系统中造成脉冲展宽失真变形,使误码率增高,限制传输带宽;在模拟通信系统中产生高阶畸变效应和偏振依赖损耗,导致非线性效应,所以必须对高速光纤通信系统中的PMD进行补偿。然而PMD的补偿十分困难,因为它是一个与多种因素有关的随机过程。由于设备、资金等条件限制,国内在这方面的研究工作较少,主要做些理论上的研究[1],国外也主要只有一些大公司和研究机构在从事这方面的工作。文章综述了近年来比较常用的几种PMD补偿技术方案。

[2]

[3]

交的偏振模,即LP0,1基模。这两个模式在光纤中相互对立地传播。当光纤材料有双折射时,二者有不同的传播速度,从而导致模式之间的差分群时延(Differ-entialGroupDelay,DGD),即偏振模色散(PMD)。

导致PMD产生的原因很多,概括起来主要有以下几方面的因素:

理想光纤的模截面是标准圆形,LP0,1模的两个正交偏振模是完全二度简并的。但是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会使折射率分布呈现出各向异性而导致PMD的产生。

在光纤的生产、成缆、光缆敷设和环境影响等过程中,有很多因素诸如挤压、弯曲、扭转和环境温度等可能使光纤沿不同的方向有不同的折射率分布(即双折射),从而形成PMD。

光纤是由芯、包层、涂敷层等数层结构组成的,各种材料的热涨系数是不一样的,因此很小的热应力分布不对称都可能导致纤芯材料的各向异性,从而通过光弹效应产生应力双折射,导致PMD。另外,当光信号通过一些光通信器件诸如隔离器、耦合器和滤波器等时,也会由于器件结构和材料本身的不完整性导致双折射,产生PMD。

2　偏振模色散及其产生机制

在常规单模光纤中实际上传播的是两个互相正

,

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调节P1和 ,可以补偿一阶偏振模色散;控制P2和K

可以补偿高阶偏振模色散。

Antonio等人[11]利用该补偿装置,对40Gb/s的高传输速率进行了补偿实验。比较了无补偿器、一阶补偿和高阶补偿的眼图的顶部和底部的差异,实验结果如图3所示。显然本方案对一阶和高阶偏振模色散

图1　光补偿方案一原理图

都具有很好的补偿效果。

3.1.3　光补偿方案三

该补偿方案的原理如图4。色散补偿器件为高双折射非线性啁啾光纤光栅(Hi-BiNC-FBG)。在光栅带宽范围内,对于相同波长不同偏振态的偏振模,它们在光栅中的反射位置是不同的,这样,不同的偏振态将产生不同的延迟时间,进而起到补偿作用。光栅的非线性啁啾确保了不同偏振态时间延迟大小的可选择性。S.Lee等人在高双折射光纤上写入可调的非线性啁啾FBG,在10Gb/s传输速率的通信系统中取得了在175ps范围内可调的补偿效果。但是由于非线性啁啾FBG的应用,该补偿系统不可避免地给补偿信号引入了啁啾,这种啁啾(导致热色散,CD)限制了补偿后的信号的传输距离。为了消除FBG引入的啁啾,他们提出一种新的方案[13],即图4(b)所示。信号从一端进入光栅,反射后,从另一端进入同一光栅。由于CD只决定于进入FBG的端口,信号从长波长端口(long-!)或短波长端口(short-!)进入,经过光栅反射,色散是负的(或正的),因此光栅第一次反射引入的啁啾被第二次反射引入的啁啾抵消,

即热色散

[12]

3　PMD补偿技术

目前,用于PMD补偿的技术有很多,概括起来

主要有光学方法、电学方法和光电结合法。3.1　光补偿方案

3.1.1　光补偿方案一

该补偿方案的原理结构如图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( 1+ 2)的补偿。偏振控制器的目的是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。T.Takahashi[4～6]等人利用这种补偿方案,实现了长距离(10000km,PMD:0～66ps)高速率(10Gb/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。将偏振模色散造成的功率损耗从7dB降到1dB。替换图1中的PC和PMF可以得到类似的方法[7～10]。3.1.2　光补偿方案二

该方案的原理结构如图2。图中P1、P2、P3是偏振控制器,P2与P3之间有固定的相对位置,K和 /2是可调延迟,Farady旋转器在Stokes空间旋转 /2。

图2

　光补偿方案二的原理装置图

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图4　啁啾自由可调PMD

补偿器原理图

由4dB下降到0.5dB。3.2　电补偿方案3.2.1　电补偿方案一

该方案的原理装置[14]如图5。电子均衡补偿器是通过抽头式延迟线来实现的。传输后的信号经过高保偏光纤,被线性光接收机接收的信号通过功率分解器分成三路,各路信号引入不同的时间延迟以对信号进

图5　抽头式延迟线的电补偿装置原理结构图

行补偿,改变T的大小可以调节补偿范围,三路信号通过不同的权重(第二路为负值)叠加后一起输出。通过调节衰减器可以改变各路信号幅度。3.2.2　电补偿方案二

该方案的原理结构如图6。TF(TransversalFil-ter)是一个线性均衡器,每个延迟器产生大约Tc=55ps的延迟,然后8个不同延迟和权重的信号叠加在一起形成输出信号。DFE(DecisionFeedbackE-qualiser)

是一个非线性均衡器。

被消除。另外,由于信号在两次通过光栅之间通过了一个偏振旋转器,偏振态旋转了 /2,即改变了传输轴。信号从FBG的长波长端进入时,快轴偏振态比慢轴偏振态的时间延迟更小;而信号从FBG的短波长端进入时,慢轴偏振态比快轴偏振态的时间延迟更小。因此,通过控制偏振态,可以得到更大的补偿范围(250～600ps)。经过45km的传输实验,功率损耗也

6

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3.3　光电相结合的补偿方案

3.3.1　光电补偿方案一

该补偿方案的原理结构[17,18]如图7。首先色散信号经过PC(Po1arizationController)和PBS(Polar-ization-Splitter)被分解成两个基本偏振模,分别被光接收机接收,转化为电信号后,进行时延补偿,最后两

图7　光电补偿方案一原理装置图

路信号叠加在一起输出。

3.3.2　光电补偿方案二

该方案原理结构如图8。由一个偏振控制器、光补偿器和一个电均衡器组成。

色散信号经过光补偿器补偿后,进入TF+DFE均衡器,经过均衡补偿后输出。H.Bublow等人利用该装置,对高速率(10Gb/s)、PMD为60ps的光通信系统进行了试验,取得了很好的补偿效果:单独利用该补偿装置中光补偿器,功率损耗为1.8～3.8dB,而利用光电补偿装置,功率损耗低于1.8dB。

[19]

　　

H.Bulown

[15]

等人利用TF、DFE和TF+DFE

分别对10Gb/s传输速率的光通信系统进行了偏振模色散补偿。在没有任何补偿器的情况下,当DGD为50ps时,功率损耗为3dB;当DGD为75ps时,功率损耗急剧上升到10dB。而利用DFE进行色散补偿后,虽然在DGD小于50ps时,没有明显效果,但是当大于50ps时,就取得了明显的效果,如DGD达到100ps,功率损耗仅为7.5dB。利用TF补偿,补偿效果比DFE要好。而利用TF+DFE,效果则更加明显:DGD为100ps时,功率损耗比TF还要小2.3dB,DGD为80ps(这时TF的补偿效果就很理想)时,TF+DFE的补偿效果最好,功率损耗仅为3dB。在0～80ps内,TF+DFE都具有相同的补偿效果,损耗仅仅为3dB。F.Cariali等人[16]在10Gb/s速率的通信系统重中,利用TF补偿方案补偿PMD和CD(Chro-maticDispersion)也取得了很好的补偿效果。

4　结束语

从以上补偿方案可以看出,电的补偿方式技术成熟,容易与光接收机集成,但是只能在接收端进行而且还必须对高速电信号进行处理;光电结合的补偿方

式虽然具有很好的补偿效果,但是该方式一般都是结构庞大,不容易集成。笔者认为,光补偿方式具有灵活、方便、易于集成等优点,一些新型光学器件比如光

纤光栅等的应用有助于解决偏振模色散的问题。

图8　光电补偿方案二原理装置图

参考文献

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PolarizationModeDispersionand

ItsCompensationTechnology

MengHongyun,FengDejun,ZhaoChunliu,YangShiquan,

WuZhigang,DongXinyong,LiJie,DongXiaoyi

(InstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071)

Abstract　Withthedevelopentofhigh-bitrateopticaltransmissionsystems,polarizationmodedispersion(PMD)hasbeenfocusedgradually.Becauseitlimitsthemaximumtransmissionlengthanddetractsthequali-tyofsignal,thecompensationofitisneeded.ThispaperintroducestheconceptonPMDandthefactorslead-ingtoPMDanddescribesseveralmethodsofcompensationofPMDinhigh-bitrateopticalcommunication.Keywords　opticalcommunication;polarizationmodedispersion;compensationtechnique

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