光纤通信系统中偏振模色散及其补偿方法的研究.docx

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光纤通信系统中偏振模色散及其补偿方法的研究

光纤通信系统中偏振模色散及其补偿方法的研究

摘要：

随着光放大器和色度色散补偿技术的不断提高，光纤的偏振模色散（PMD）己经成为超高速、超长距离光纤通信系统发展的主要障碍。

在40Gbit/s或更高速率的光纤通信系统中，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成为光纤通信领域研究的热点问题。

本文首先就PMD对高速光传输系统的限制和影响进行了简单介绍，紧接着分析了PMD产生的原因，最后就PMD的补偿方法进行了分析研究。

关键词：

偏振模色散电域补偿光域补偿光电结合补偿

1.引言

自从1966年高馄提出光纤作为传输介质的理论以来，光纤通信已成为现代通信网的基本组成部分。

随着经济的发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸式的增长，尤其是因特网的迅速崛起，人们对通信网带宽的要求迅速增长。

从技术角度看，光纤通信传送的信息容量和传输距离主要受到两个因素的限制：

一是光纤的损耗；二是光纤的色散。

随着掺饵光纤放大器（EDFA:

Erbium-dopedFiberAmPlifier）的出现，光纤中的损耗已不是限制光纤传输性能的主要因素。

色度色散补偿技术日趋成熟，光纤的色度色散对光纤通信的影响也被降到最低。

这样，以前不太被重视的偏振模色散（PMD:

PolarizationMdoeDispersion）成为限制高速光纤通信系统发展的主要因素。

随着单信道传输速率的提高、模拟信号传输带宽的增加以及光纤色度色散与非线性效应的补偿和消除，原来在光纤通信系统中不太受关注的PMD问题就变得十分突出。

与光纤的非线性效应和色度色散一样，PMD能损害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直接因素。

由于PMD对高速度大容量的光纤通信系统有着不可忽视的影响，所以自20世纪90年代以来，已引起人们的广泛关注，并正成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。

PMD对传输系统性能的影响可以从多方面进行分析,如光脉冲的展宽、接收光功率的恶化、Q值、眼图、误码率，或者从统计角度定义的系统的故障率等。

在数字通信系统中，PMD会导致脉冲的展宽和崎变，引起码间干扰，导致误码率增，限制了系统的传输速率。

在模拟通信系统中，PMD会引发高阶畸变效应，导致非线性失真，限制了信道数量和带宽[1]。

在高速光纤通信系统中，PMD的破坏作用是不能忽略的，这己经被实验所证实。

PMD限制系统的最大传输距离，从理论上可由下面的公式得出[2]:

其中：

偏振模色散系数Dpmd的单位为ps/km；比特率B的单位为Gbit/s。

下表即为不同传输速率系统中PMD对最大传输距离的限制：

PMD（

）

最大传输距离（km）

10Gbit/s

40Gbit/s

1.0

100

6

0.7

204.08

12.75

0.5

400

25

0.3

1111.11

69.44

0.1

10000

625

0.05

40000

2500

近几年来，在单信道速率不断提升（现正由10Gb/s向40Gb/s甚至160Gb/s发展）的同时，DWDM技术也已日趋商业化。

对于40Gb/s的高速长距离光纤通信系统，其在传输40km以后，在没有补偿高阶色散的情况下，脉宽由初始的0.98ps展宽到2.3ps；而在普通的一阶色散和高阶色散均被补偿以后，脉宽仍展宽到1.6ps，这说明在皮秒量级的高速系统中另一种由于光纤双折射造成的色散——PMD已经不可忽视。

由于PMD随比特率成平方关系增比即40Gb/s的相应代价是l0Gb/s的16倍，大大限制了无补偿传输的距离，并且它是一个随机变化过程，因而成为高速率光纤实用化的瓶颈。

2.偏振模色散产生的原因

偏振模色散，即PMD（PolarizationModeDispersion），是一种比较复杂的现象。

它表现为光纤的一种特性，是由于光纤双折射现象引起的，而对于传输的光信号而言，则产生了光脉冲的展宽。

PMD是由以下几个方面的因素造成的[3]：

（1）理想光纤的模截面是标准圆形，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，导致PMD的产生。

（2）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。

（3）光纤是由纤芯、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的产生。

（4）另外，当光信号通过一些光通信器件诸如隔离器、耦合器和滤波器等器件时，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。

因此，可以说PMD是光纤的内在原因和外在原因的综合结果。

3、偏振模色散的补偿

补偿PMD是研究PMD的最终目的。

现在比较典型的是在光纤的输出端使用光学器件分偏仪把光纤的输出信号的能量按作两个正交模式TE和TM模分隔开来,然后延迟其中那个比较快的模式。

延迟方式可以通过电处理或光处理方式。

在实际的研究中，发现在PMD值大于光脉冲的宽度的10%后，就有可能使得系统的误码率（BER）达到10-7，导致信号脉冲眼图严重失真，系统的工作情况将变得很不稳定的，那样，系统的各项工作参数都将出现较大的变化。

对于系统的实用化来说，在通常的光纤通信系统中，允许BER最大为10-9的情况而且在考虑系统的功率代价时，可以允许的最大DGD值为光脉冲的宽度的10%，这也是对PMD补偿的一个基本原理。

也就是说，在补偿PMD时，要使得系统有比较可靠的工作性能，就必须使得补偿后的残余PMD满足[1]:

在实际的系统中，由于各种外界条件的波动，通常系统中实际的PMD值的波动可能达到DGD值的3倍。

尽管这种可能性是比较小的，但是在应用系统中，还是要考虑的。

PMD的补偿可分为电域补偿、光域补偿、啁啾光纤光栅补偿、光电结合补偿等多种方式来进行补偿,下面就来讨论这几种补偿方式。

3.1电域补偿

3.1.1利用电均衡器的色散补偿

电域补偿的基本原理为：

首先在电域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。

针对目前研究而言，电域补偿方式主要是利用用电子均衡对PMD产生的信号延时进行补偿。

图3-1PMD电域补偿图

电均衡器主要有三种结构:

前馈均衡器（Feedforwardeq-ualizer,FFE）、判决反馈均衡器（Decisionfeedbackequalizer,DFE）和最大似然系列估计器（Maximumlikelihoodsequenceestimation,MLSE）。

其中FFE和DFE属于码元均衡器,即对受到码间干扰的单个码元进行均衡和判决输出,而MLSE是对一个序列的码元作整体的判决输出。

在电子补偿中，最关键的补偿器件是线性均衡器。

其中使用较多的前馈均衡器是多个抽头延迟单元的组合，其抽头间隔为码元的周期ΔT（码元间隔均衡器），接收信号通过抽头间隔为ΔT的抽头延迟系统，将各个抽头的信号加权求和构造均衡器的输出信号。

其结构如图3-2所示，它具有8个分支，每个分支可产生一定的时延和可调的增益。

仔细调节增益即可实现均衡，对l0Gb/s的传输系统补偿时，各分支的带宽介于7.5～9.2GHz之间；均衡器的输出信号送到一个标准的l0Gb/s的时钟数据恢复模块，然后进入BER探测器来进行误码监测。

这种结构容易利用锗化硅集成。

电域补偿方法中，各器件的参数与系统的传输速率等因素紧密相关，必须仔细调节。

它一般只能对一阶PMD进行均衡，且补偿的准确性波动较大，这难以适应更高速的光纤通信系统对PMD的严格要求[1,4]。

图3-2前馈均衡器原理图

电域的补偿方式易于实现与光接收机的集成，但对高速电信号进行处理时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。

目前基于电反馈补偿控制回路的光补偿方式较多，大多是利用偏振控制器（PC）和双折射光纤的组合来进行补偿，但这种方式的光路结构庞大，不利于集成，因此首先在光域初步补偿，再从电域进行二次补偿的方法更有效。

相对于光域补偿来说，电域补偿技术比较成熟，性能稳定，但其补偿能力受到电子瓶颈的限制，只能适用于速率在40Gbit/s以下的传输系统。

鉴于上述局限性，目前纯电域的补偿方法研究较少。

3.1.2前向纠错技术

前向纠错（Forwarderrorcorrecion，FEC）是数字通信系统中应用的基本差错控制方式之一，其原理是：

发射端在信息比特后附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端在译码的同时，在纠错能力范围内，自动纠正传输中的错误，而无需信息的重发。

而在光纤通信系统中，早先一方面由于光纤及与系统相关的光电子器件的发展，系统性能优于一般电缆及无线通信，因而无需采用FEC技术；另一方面由于光传输信息速率相对较高，没有与其匹配的纠错编译码器。

直到上个世纪80年代末，光传输速率提高到Gbit/s，并且光放大延长了无中继传输距离，一些在短距离、低速系统中表现不出的因素，如色散、偏振模色散、非线性效应，限制了系统性能的进一步改善，于是才开始了将FEC应用于光通信系统的研究。

同时，随着现代科学技术的发展，尤其是集成电路技术的进步，商用的与光通信系统传输信息速率匹配的纠错编译码器已出现，从而使得FEC在实际系统中的应用成为可能，它可以纠正由色度色散、偏振模色散、非线性效应引起的误码，并由此实现了Tbit容量的传输。

光纤通信中常用的FEC编码类型，主要有RS码（Reed-solomoncode）、级联码（Concateatedcode）、分组Turb码（Blockturbcode,BTC）、低密度奇偶校验码（Lowdensityparitycheck,LDPC）。

[11,12]

3.2光域补偿

光域补偿是指在传输的光路上采用光学元件（如PC、保偏光纤和光延时线等）直接对光信号进行补偿，这是目前研究最多的补偿方法。

因为使用光域补偿方案的原理是很简单的，而且在理论上讨论不用考虑带宽的问题，因此在理论上来说就不存在速率跟不上的问题。

同时在光学上来补偿PMD的器件易于实用化，在系统中比较易于应用。

如T.Takahashi等人[5]报道的在线PMD自动补偿技术，FredHeismann等人[6]实现的一阶PMD的自动补偿等。

下面讨论几种比较实用的光域补偿方法。

3.2.1固定延迟量后置向动态补偿

现在PMD补偿多在接收端进行，即后补偿。

由于这种方法不可能控制输入偏振方向与主偏振态（PSP）一致，因此它除了需要偏振控制器之外，还需要时间延迟器件，通过补偿系统达到减小甚至消除PMD的目的。

这种补偿方式主要是使补偿器的PMD矢量与线路上的PMD矢量之和，即总的PMD矢量为零，这种方式设计的控制器控制算法和结构都比较复杂，即用时间补偿器件抵消光纤通信线路中两个主偏振态间的时间延迟差，使光纤中传输快的脉冲延迟一定的时间，保持快慢脉冲同步。

偏振控制器将输入的偏振态转换为需要的输出偏振态，使时间延迟器件的快轴与光纤通信线路中的慢轴对准。

图3-3PMD后置补偿法

补偿系统由偏振控制器PC（PolarizationController）、保偏光纤PMF（PolarizationMaintainingFiber），耦合器和计算机及外围控制电路几部分构成。

系统采用的是反馈方式，通过实时检测由PMD导致的系统性能的恶化程度，根据算法由计算机控制并调整PC，PC的作用就是将PMF的快慢轴分别对准线路上的慢快轴，用PMF的延迟量来抵消线路上产生的DGD。

当两部分的延迟量恰好相同时，一阶PMD效应可以得到完全补偿，否则只能部分补偿。

GeorgeIshikawa等人[7]设计了一种后向反馈自动补偿器，利用PC和PMF组成反馈控制系统，如图3-4所示；该补偿器从系统接收端接收到40Gbit/s的NRZ信号强度，实现对传输系统的PMD监测，利用PC和PMF组成固定延迟量的反馈控制方案构造PMD自动补偿器，成功地对40Gbit/s的NRZ信号通过高PMD光纤的传输系统进行了补偿。

该设计结构简单，仅用PC和PMF，通过计算机软件控制实现PMD的自适应补偿。

在补偿过程中，系统只需要调整PC，这就避免了复杂的反馈控制算法,所以比较容易实现。

但是，由于这种补偿方法使用固定的时间延迟器件（PMF），所以无法保证持续实现一阶PMD完全补偿，使用受到限制。

图3-4固定延迟量补偿法原理图

3.2.2后向反馈可变时延量的动态补偿

鉴于固定补偿方案只能提供固定的时延量，不能保证一阶PMD完全补偿，同时在连续跟踪光纤的PMD变化的过程中，补偿器只能做到对系统的局部（本地）优化，而非全局优化。

[8]因此，若采用可变DGD补偿元件，例如偏振光时延器件等，则可以增加一个控制自由度（DOF），从而能有效地克服上述问题，使传输系统的PMD容限得以提高。

系统原理图如图3-5所示，计算机通过提取到的误差信息，根据算法控制偏振控制器件PC以及时延器件OTDL（opticaltimedelayline）来实现对线路上的PMD进行补偿。

图3-5可变时延动态补偿原理图

这样做的好处是时间延迟量可调，而且理论上这种方案能跟踪线路PMD的变化，持续实现完全的一阶补偿。

但是，由于多了一个控制自由度，算法相较固定延时量补偿来说要复杂许多，补偿时间也因此大大延长。

3.2.3前向反馈的动态补偿

PatrickC.Chou等人[9]提出的一种新颖的前馈补偿方法是目前国内外研究的热点。

该方法是在发送端加偏振扰偏器对光信号的偏振态快速调制或扰动，在接收端用一偏振计对信号的偏振度（DOP）进行分析测量，并由计算机根据测得的DOP值对补偿器进行适当的调节以补偿线路上的PMD。

此方案的优点是系统不需要复杂的跟踪算法，调节是由DOP值的测量和直接查表来完成对补偿器的控制，并且由于控制信号可以唯一地确定PC和OTDL的调节量，从而实现快速准确的补偿，避免了由于搜索算法而引起地信号瞬时恶化，所以系统的响应速度快，适时性好，并且无抖动。

但是，这种方案实现起来比较困难，它对补偿器件提出了更高的要求。

图3-6前馈补偿法的原理图

3.3光电结合补偿

如今,光电结合的补偿方案是可以实用的一种方案。

这种方式是使用集成光学器件来补偿PMD效应的。

使用LiNbO3作为PMD均衡器是建立在几年前考虑它作为TE-TM模式转换器就有较好的转换性能的基础上。

[1]在X,Y方向传输的光信号的LiNbO3晶体中，存在自然的双折射（0.26ps/mm），是可以用作PMD的补偿的。

在现在的工艺下，使用集成光学来制作LiNbO3器件是比较容易的，而且在研究中发现LiNbO3良好的偏振控制性能。

因此，研究LiNbO3对于PMD的补偿效应也成为光纤通信系统中比较重要的一个方面。

在不到100mm长的衬底上，制作几十个串联的模式转换器，每一个不到1.5mm长，为了得到模式的充分转换，电压值应该在250V左右，而且电压波动在68V内，总的插入损耗为6.9dB，在0.6dB的范围内可变化。

系统中传输的速率是20Gb/s。

其中PMD仿真器是由两段高双折射光纤加偏振控制器来完成的。

对于PMD引起的模式转换的探测，是使输出的光信号进入APD中，然后通过5GHz和l0GHz的两个带通滤波器，探测光传输信号来决定PSP，以决定PMD补偿器的偏振度调节。

图3-8使用LiNbO3补偿PMD的实验装置

4、偏振模色散补偿的总结

PMD的光域补偿相对于电域补偿有着无法比拟的优越性，它的补偿范围宽；能实时跟踪链路的PMD状态；能对PMD进行动态补偿；用相对简单的方法补偿高阶PMD；不存在电子瓶颈的束缚等突出的优点。

而对于直接光域补偿来说，根据PMD的统计特性，理论上，分布式平衡器补偿法是最合理的。

但这种系统要调节几十个偏振控制器，系统过于复杂，很难在实际系统中进行应用；利用主态传输方法来减少PMD影响，存在的问题是，它要从输出端反馈信号到输入端以控制其输入光纤的偏振控制器。

反馈信号长途传递使系统的响应很慢；由此看来，利用偏振控制器加双折射光纤作为PMD的自动补偿系统是一种比较简单实用的补偿方法。

另外,如果电驱动的光纤可变延时线的技术得以成熟（主要是响应速度），采用可变光延时线加偏振控制器的方法也不失为较好的补偿方法。

如果从最近的研究趋势看，各种方法的混合补偿成为新的研究热点。

因此，最近出现的“前向纠错编码”[11]+“一阶PMD补偿”+“电均衡器”的综合方案将会成为PMD补偿的热点方向，最有发展潜力。

虽然电域和光电混合域的PMD补偿具有集成性好的优势，但是，当系统的传输速率达40Gb/s甚至更高时，电子器件的速度和带宽将受到限制。

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。

这类补偿方法具有补偿范围大，不受系统传输速率限制的优点。

由于采用光学器件，所以整个系统的透明性好，容易升级。

光域补偿是目前PMD补偿研究中最具前景和实用价值的。

光电结合的补偿方法主要是利用某些材料（如LiNbO3）在电压作用下，呈现出双折射现象的变化来实现。

这种方法具有较好的集成性，结构小巧。

但是电致作用下产生的双折射一般并不会依赖频率，因而不能实现对高阶PMD的补偿。

总而言之，无论是用光域补偿还是用电域补偿，都是将两偏振分量用光的或电的方法分离，在取得反馈信号之后，再由控制算法的补偿装置分别对其进行补偿，从而使两偏振模之间的延迟差为零，最后再混合输出。

5、参考文献

[1]赵强.偏振模色散补偿技术研究[D].吉林大学，2008.

[2]穆林海.光纤通信系统中偏振模色散对脉冲影响的研究[D].江南大学，2008.

[3]蒙红云,冯德军,赵春柳,杨石泉,武志刚,董新永,李杰,董孝义.偏振模色散及其补偿技术[J].光通信技术，2002,2:

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[4]刘娟.基于自适应算法的偏振模色散的电域补偿[D].河北工业大学,2007.

[5]T.Takahashi，T.Imai，M.Aiki，Automaticcompensationtechniquefortimewisefluctuatingpolarisationmodedispersioninin-lineamplifiersystems[J].Electron.Lett,1994

[6]FredHeismann，DanielA.Fishman，DavidL.Wilson，AutomaticCompensationofFirst-orderPloarizationModeDispersioninal0Gb/sTransmissionSystem,Proc.ECOC,Madrid,Spain,1998

[7]Georgeishikawa，HirokiOol，YuichiAKIYAMA，40-Gbit/sTransmissionoverHigh-PMDFiberwithAutomaticPMDCompensation,FujitsuLaboratoriesLtd.4-1-1Kamikodanaka,Nakahara-ku,Kawasaki211-8588,Japan,1999

[8]D.Penninckx,S.Lanne,Ultimatelimitsofopticalpolarisation-modedispersioncompensators,Proc.ECOC,Munich,Germany,2000,vo1.3:

205~206

[9]C.D.Poole,C.R.Giles,Polarization-DependentPulseCompressionandBroadeningDuetoPolarizationDispersioninDispersion-ShiftedFiber,OpticsLetters,1988

[10]杨李红.超高速光纤通信中的色散补偿技术[J].通信规划与设计,2013

[11]TakashiMizuochi.NextgenerationFECforopticalcommunication[C].OFC/NFOEC,2008

[12]张晓光.光纤偏振模色散的缓解与补偿技术研究与进展[J].中国激光，2009,3:

531