高速光纤通信系统中偏振膜色散效应及其补偿问题研究

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βx≠βy，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Δτ，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<Δτ>，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τx和τy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Δτ，即Δτ=τx-τy。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 Birefringence）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，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。

（1）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 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。

（2）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。

（3）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。可以补偿PMD的最大为104ps。补偿系统与光纤系统兼容性差，损耗大。

PMD的光域补偿有着电域补偿无法比拟的优越性，它有实时跟踪链路的PMD状态，对PMD进行动态补偿;它有对系统的波长、速率透明、补偿范围宽等突出的优点。但目前，光域补偿技术还不成熟，多项关键技术还亟待解决。

参考文献

[1]徐坤，谢世钟.高速光纤通信中的偏振模色散及其补偿技术.半导体光电，2000,21(1):1~5

[2]周赢武，郭凌伟，瞿荣辉等.偏振模色散模拟器一阶及二阶偏振模色散统计特性的分析.光子学报.

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