光纖通信課程設(shè)計---高速光纖通信中的偏振模色散及其補償技術(shù)

1、<p>　　《光纖通信》課程設(shè)計</p><p>　　論文題目 高速光纖通信中的偏振模色散及其補償技術(shù)</p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　學(xué) 院 </p>

2、<p>　　專業(yè)班級 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1．引言3</b></p><p>　　2．光纖中偏振模色散的定義3</p><p>　　3．偏振模色散的測量方法5</p><p

3、>　　4．偏振模色散的補償技術(shù)7</p><p>　　4.1光補償方案之一8</p><p>　　4.2光補償方案之二9</p><p>　　4.3電補償方案之一9</p><p>　　4.4電補償方案之二10</p><p>　　5．偏振模色散的研究動態(tài)11</p><p>

4、<b>　　6．結(jié)束語12</b></p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p>　　高速光纖通信中的偏振模色散及其補償技術(shù)</p><p>　　摘　要 偏振模色散已成為當(dāng)前發(fā)展下一代高速長距離光纖傳輸系統(tǒng)的主要限制因素。介紹了偏振模色散的概念、描述方法以及測試和補償技術(shù)。根據(jù)國外的研究情況和我國

5、的具體實情,指出研究偏振模色散的測試和補償技術(shù)對提高高速光纖通信技術(shù)的水平具有重大意義。最后在此基礎(chǔ)上提出了開展相關(guān)研究的建議。關(guān)鍵詞 高速光纖通信，偏振模色散，補償技術(shù)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Polarization mode dispersion (PMD) has become a major limit

6、ing factor for long haul high bitrate optical fiber transmission system.The concept and description method on PMD and techniques for PMD measurement and compensation are introduced.According to the research status in Chi

7、na as well as in the world ,it is crucial to carry on the research on PMD for improving the domestic high bitrate optical fiber communication technology .Finally ,some suggestions about the study on PMD are proposed.<

8、/p><p>　　Keywords：High bitrate optical fiber communication，PMD，Compensation technique</p><p><b>　　1．引言</b></p><p>　　當(dāng)代社會是信息化的社會，用戶對通信容量的需求日益增加。在這種需求的推動下，作為現(xiàn)代長途干線通信主體的光纖通信一直

9、在朝著高速率、大容量和長距離的方向發(fā)展。在單信道速率不斷提升的同時，密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)也已日趨成熟并商用化。</p><p>　　從技術(shù)的角度來看，限制高速率信號長距離傳輸?shù)囊蛩刂饕ü饫w衰減、非線性和色散。摻鉺光纖放大器(EDFA)的研制成功，使光纖衰減對系統(tǒng)的傳輸距離不再起主要限制作用。而非線性效應(yīng)和色散對系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊戨S著非零色散位移光纖（NZDSF）的引入也逐漸減小和消除。隨著單信道傳輸速率的

10、提高和模擬信號傳輸帶寬的增加，原來在光纖通信系統(tǒng)中不太被關(guān)注的偏振模色散(PMD)問題近來變得十分突出。與光纖非線性和色散一樣，PMD能損害系統(tǒng)的傳輸性能，限制系統(tǒng)的傳輸速率和距離，并被認(rèn)為是限制高速光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的最終因素。正是由于PMD對高速大容量光纖通信系統(tǒng)有著不可忽視的影響，所以近十幾年來，已引起了廣泛關(guān)注，并正成為目前光纖通信領(lǐng)域研究的熱點。</p><p>　　2．光纖中偏振模色散的定義&

11、lt;/p><p>　　單模光纖中，基模是由兩個相互垂直的偏振模組成的。兩偏振模的群速度由于受到外界一些不穩(wěn)定因素的影響而產(chǎn)生差異，在傳播中兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。</p><p>　　PMD是由以下幾個方面的因素造成的：光纖所固有的雙折射，即光纖在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的幾何尺寸不規(guī)則和在光纖中殘留應(yīng)力導(dǎo)致折射率分布的各向異性；光纜在鋪設(shè)使用過程中，由于受到外界的擠壓、彎

12、曲、扭轉(zhuǎn)和環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生偏振模耦合效應(yīng)，從而改變兩偏振模各自的傳播常數(shù)和幅度，導(dǎo)致PMD；另外當(dāng)光信號通過一些光通信器件如隔離器、耦合器、濾波器時，由于器件結(jié)構(gòu)和材料本身的不完整性，也能導(dǎo)致雙折射，產(chǎn)生PMD。</p><p>　　單模光纖中的偏振模耦合和雙折射效應(yīng)在數(shù)學(xué)上可以用瓊斯矩陣（Jones matrix）、Stokes參量和邦加球（Poincare sphere）來描述，并成為分析PMD的有力

13、數(shù)學(xué)工具。自從1986年P(guān)oole提出了單模光纖中基本偏振態(tài) (Principal states of polarization)的概念后，對理解實際光纖中的雙折射和偏振模耦合等概念帶來了很大的方便。在理想的雙折射光纖中存在兩個相互正交、與光波頻率和傳輸距離無關(guān)的本征偏振態(tài)(Polarized eigenstates)。但在實際長距離的光纖中一般并不存在這種完全與頻率和傳輸距離無關(guān)的本征態(tài)，而是存在由輸入光脈沖分解成的沿兩正交方向偏振、

14、并與輸出偏振態(tài)有最小頻率相關(guān)性的光脈沖,這兩個偏振的光脈沖即為基本偏振態(tài)（PSP）。在輸出端，兩個脈沖的到達時間是不同的，其時間差就稱之為偏振模色散的群時延差(DGD)。在一階近似下，PSP與頻率無關(guān)；而在二階近似下，PSP與DGD的值都與頻率相關(guān)。</p><p>　　一般采用兩偏振模的群時延差來表示PMD的大小，由于兩偏振模之間的模式耦合是隨波長和時間隨機變化的，所以PMD是一個統(tǒng)計量，并隨時間而變化。因此實

15、際測量光纖中由偏振模色散引起的DGD時必須考慮其統(tǒng)計特性并采取相應(yīng)的措施。通常采用以下幾種定義來表征PMD的數(shù)值：群時延差的平均值、群時延差平均值系數(shù)和傳輸時間的均方差(RMS DGD)。某一次實際測量的群時延差值可能比群時延差的平均值大或小許多。</p><p>　　3．偏振模色散的測量方法</p><p>　　PMD是一統(tǒng)計量，隨時間和溫度而變化，并與測量的狀態(tài)密切相關(guān)。對同一光纖在不

16、同時間進行測量，無論應(yīng)用什么測試儀器或采用何種測量方法，測試結(jié)果都可能相差10%或更多。經(jīng)過多年討論，目前，國際上一些標(biāo)準(zhǔn)組織（IEC/TIA/ITU）推薦了四種測量PMD的方法。在這四種方法中，干涉儀法(IF)和波長掃描傅立葉變換法(WSFFT)是測試PMD的傳輸時間均方差，而Jones矩陣本征值測量法(JME)和波長掃描極值數(shù)計算法(WSEC)則是用來測試PMD群時延差的平均值。</p><p>　　干涉儀法

17、是在時域內(nèi)進行測量并根據(jù)測試光纖輸出端電場的自相關(guān)函數(shù)來計算PMD的傳輸時間均方差。其中光源為寬帶的LED。在測試光纖的輸出端，干涉儀進行掃描，使信號在時域范圍內(nèi)相關(guān)，則PMD值即為輸出光信號自相關(guān)函數(shù)的二階矩均方值。干涉儀一般用Michelson干涉儀。該法的主要優(yōu)點是測量的速度快、不易受外界干擾并且測試成本低，適合于野外現(xiàn)場測試；缺點是最小可測的PMD值較大并且不能提供測試光纖與波長相關(guān)的信息。</p><p&g

18、t;　　Jones矩陣本征值測量法是在頻域范圍內(nèi)根據(jù)測試光纖的偏振傳輸函數(shù)來進行測量，其測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1　Jones矩陣本征值法的測量裝置圖</p><p>　　Jones矩陣是一個2×2的復(fù)矩陣，它從數(shù)學(xué)上描述了測試光纖在某一波長處的偏振傳輸函數(shù)。對于任何線性、時不變光學(xué)系統(tǒng)的偏振模色散特性，Jones矩陣法都能用一系列分立波長的測試來給于精確

19、和完整的描述。測試時首先用可調(diào)諧激光器和偏振分析儀測量光纖在一波長范圍內(nèi)相等波長間隔的Jones矩陣，然后通過計算相鄰波長的Jones矩陣，解出本征值和本征矢量，這樣就能導(dǎo)出某一特定波長間隔內(nèi)的DGD和PSP。這一過程繼續(xù)下去，直到計算出整個波長范圍內(nèi)的DGD，其平均值即為PMD值。這種方法的主要優(yōu)點在于能對PMD進行完全的測量，且最小可測量的PMD值可達飛秒量級。其缺點是測量速度慢，易受外界干擾且測試成本高。一般它適合于實驗室應(yīng)用和科

20、學(xué)研究。</p><p>　　由于不同的測試方法之間有不同的PMD定義和不同的數(shù)學(xué)處理方法，對于JME法和WSEC法，PMD是定義為DGD的平均值，而IF法和WSFFT法則是高斯近似的二階矩，在二階矩和平均值之間相差1.085的系數(shù)。這一點已為實驗測試結(jié)果所證實，即JME法和WSEC法的測量結(jié)果基本一致，而IF法和WSFFT法測量的結(jié)果比JME法的大約高8%～10%。</p><p>　　

21、除了以上介紹的幾種測試方法外，目前還有在時域范圍內(nèi)進行測量的光脈沖PMD測試法、在頻域范圍內(nèi)用Stokes分析儀進行測量的邦加球PMD測試法和偏振態(tài)（SOP）PMD測試法。還有一種利用連續(xù)波后向散射技術(shù)來測量PMD的方法，這種方法的優(yōu)點在于只使用光纖的一個端面就可以測量PMD的DGD以及雙折射光纖的拍長和自相關(guān)長度。</p><p>　　利用上述方法對已鋪設(shè)光纜的PMD值測試結(jié)果表明，20世紀(jì)80年代中期以前生產(chǎn)

22、和鋪設(shè)的光纖光纜的PMD值大，對系統(tǒng)的影響也較大。其典型PMD值大約為2 ps/km1/2。在10 Gb/s的系統(tǒng)中，接收靈敏度功率代價大于4 dB。20世紀(jì)80年代中期以后生產(chǎn)和鋪設(shè)的光纜，偏振模色散的影響較小，其典型PMD值大約為0.1 ps/km1/2，對于625 km光纖，其平均DGD值為2.5 ps。按照國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范小組的觀點，當(dāng)時延差達到一比特周期的0.3倍時，將引起1 dB的功率損失。而偏振模色散的瞬時值有可能達到平均

23、值的三倍，這樣為了保證功率損失小于1 dB，PMD的平均值必須要小于一比特周期的十分之一。根據(jù)現(xiàn)有各種單模光纖的制造技術(shù)水平并考慮到10 Gb/s系統(tǒng)傳輸距離的可用性，ITU-T規(guī)定單模光纖的PMD系數(shù)必須小于0.5 ps/km1/2，并且這一規(guī)定已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這樣對于10 Gb/s的傳輸系統(tǒng)，在保證PMD值小于10 ps/km1/2的前提下，最長可以傳輸400 km。</p><p>　　4．偏振模色散的補償

24、技術(shù)</p><p>　　上述的測試結(jié)果表明，在10 Gb/s(STM-64/OC-192)及以上速率的高速光纖通信系統(tǒng)的長距離傳輸中，PMD將產(chǎn)生嚴(yán)重的功率損失，限制系統(tǒng)傳輸距離的進一步增加。所以對高速光纖通信系統(tǒng)中的PMD進行補償成為必須要考慮的因素。20世紀(jì)90年代以來，世界上許多大公司和科研機構(gòu)都對偏振模色散的補償方法進行了研究，并取得了較好的補償效果。</p><p>　　研究結(jié)

25、果表明，一階PMD效應(yīng)(即PSP與頻率無關(guān))是導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸損傷的主要原因，而高階PMD效應(yīng)只是進一步使傳輸質(zhì)量惡化。所以目前大多數(shù)補償方案的研究都主要是針對一階PMD效應(yīng)。這些補償方案歸納起來主要是以兩種方式對PMD進行補償，即在傳輸?shù)墓饴飞现苯訉庑盘栠M行補償或在光接收機內(nèi)對電信號進行補償。兩者的實質(zhì)都是利用某種光的或電的延遲線對PMD造成的兩偏振模之間的時延差進行補償。其基本原理為：首先在光或電上將兩偏振模信號分開，然后用延遲線分別

26、對其進行延時補償，在反饋回路的控制下，使兩偏振模之間的時延差為零。最后將補償后的兩偏振模信號混合輸出。下面就這兩種方式分別舉例簡單說明。</p><p>　　4.1光補償方案之一</p><p>　　該補償方案的裝置原理如圖1，圖中光延遲線為保偏光纖(PMF)，對兩偏振模之間的時延差進行33 ps(隨保偏光纖的長度而定)的補償。偏振控制器的作用是調(diào)整輸入光的偏振態(tài)，使之與保偏光纖的輸入相匹

27、配。偏振控制器的響應(yīng)速度應(yīng)大于光纖中偏振模的隨機變化速度?？刂破窨刂破鞯男盘杹碜杂诒黄椒铰蓹z波器檢波的保偏光纖輸出光信號。該方案能實現(xiàn)長距離(10 000 km，PMD：0～66 ps)高速率(10 Gb/s以上)光纖通信系統(tǒng)的偏振模色散補償。實驗表明，它能將由偏振模色散造成的功率損失從7 dB降到1 dB。</p><p>　　圖2　保偏光纖補償裝置原理圖</p><p>　　4.2光

28、補償方案之二</p><p>　　該補償方案的原理如圖3，色散補償器件為非線性啁啾布拉格光纖光柵(NC-FBG)。在光柵帶寬范圍內(nèi)，對于具有確定信號波長和不同偏振方向的偏振模，它們在光柵中的反射位置是不同的，這種反射位置的不同將造成兩偏振模之間的傳輸時延差，從而起到色散補償?shù)淖饔?。非線性啁啾確保了在光柵帶寬范圍內(nèi)可補償?shù)臅r延差隨輸入光信號波長的不同而變化。該器件具有補償范圍可調(diào)(175 ps)、結(jié)構(gòu)簡單并與光纖兼

29、容等優(yōu)點。</p><p>　　圖3　PMD的光纖光柵補償原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.3電補償方案之一</p><p>　　該方案原理如圖4所示，電子均衡補償器是用抽頭式延遲線來實現(xiàn)的。延遲線上的功分信號幅度可以通過可調(diào)衰減器來加以調(diào)節(jié)，其中第二路的幅度調(diào)節(jié)權(quán)重為負(fù)值。</p><p>　　圖4　抽頭式延遲線的電補償裝置原理圖<

30、/p><p>　　4.4電補償方案之二</p><p>　　該方案原理如圖5，它實際上是一種光、電結(jié)合處理，并在電信號上進行補償?shù)穆?lián)合方案。首先色散的光信號被分解為兩個基本偏振模PSP1和PSP2，分別被兩個光接收機所接收；轉(zhuǎn)化為電信號后，進行時延補償；最后兩路信號混合輸出。</p><p>　　圖5　光電結(jié)合的PMD補償裝置原理結(jié)構(gòu)圖</p><

31、p>　　從以上各種補償方式可以看出，電的補償方式易于實現(xiàn)與光接收機的集成，但需要對高速電信號進行處理或需要兩套光接收設(shè)備；補償只能在接收端進行并且補償?shù)牧坑邢?。目前基于電反饋控制回路的光補償方式較多，大多是利用偏振控制器和雙折射光纖的組合來進行補償，但是該方式的光路結(jié)構(gòu)龐大，不易于集成并且補償?shù)牧恳膊豢烧{(diào)。靈活控制光的偏振態(tài)和研制能任意轉(zhuǎn)動的低耗偏振控制器也是成功進行補償?shù)年P(guān)鍵。不過我認(rèn)為，用新型光學(xué)器件如光纖光柵對高速光纖通信系

32、統(tǒng)進行偏振模色散補償?shù)那熬白顬榭春谩?lt;/p><p>　　5．偏振模色散的研究動態(tài)</p><p>　　光纖中偏振模的研究起源于20世紀(jì)80年代對相干光通信中信號光的偏振態(tài)的研究。隨著光纖通信速率的不斷提高，對PMD的研究逐漸深入。20世紀(jì)80年代中期到20世紀(jì)90年代初建立起了PMD的統(tǒng)計理論。20世紀(jì)90年代后，研究重點放在了PMD的測試和補償技術(shù)上。對系統(tǒng)PMD測試的研究主要包括：P

33、MD與光纖傳輸距離和光纖級聯(lián)的關(guān)系（這方面的研究為充分利用光纖的傳輸潛力提供了依據(jù)）；光纜周圍環(huán)境 (陸地或海底)對PMD的影響和PMD隨時間(一般為長時間)的變化情況；高速光纖通信系統(tǒng)中各種有源和無源器件(如EDFA、光隔離器、光耦合器等)對系統(tǒng)PMD的影響；光源的光譜特性對PMD測試的影響等。</p><p>　　目前PMD的研究范圍主要包括：一階和二階PMD對模擬或數(shù)字傳輸性能(包括誤碼率、功率代價、脈沖展

34、寬等)的影響；二階PMD補償技術(shù)的研究；存在PMD的情況下，20 Gb/s和40 Gb/s的超高速光纖傳輸技術(shù)的研究等。PMD及其補償技術(shù)的研究對發(fā)展下一代高速光纖通信系統(tǒng)具有舉足輕重的作用。</p><p>　　目前國內(nèi)的多家企業(yè)和單位都已成功研制了基于2.5 Gb/s傳輸速率的波分復(fù)用系統(tǒng)，相關(guān)的SDH設(shè)備已投入商業(yè)運營。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的通信技術(shù)和通信市場也得到了飛速的發(fā)展。為了滿足我國通信業(yè)發(fā)展的

35、需要，加快研究和開發(fā)基于10 Gb/s或更高傳輸速率的光纖通信技術(shù)有著十分現(xiàn)實和重要的意義。而PMD作為限制高速光纖傳輸?shù)闹饕蛩乇仨毤右匝芯亢涂朔，F(xiàn)在我國已建成光纜通信線路80多萬公里，而所用光纖基本上為G.625標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。特別是早期鋪設(shè)的G.625單模光纖沒有PMD指標(biāo)，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，有些廠家的光纖的PMD較大，不宜傳輸10 Gb/s及以上速率的信號，這將影響未來系統(tǒng)的擴容。雖然目前新建的干線和系統(tǒng)，廣泛采用G.655 非零色散

36、位移單模光纖，其PMD系數(shù)典型值約為0.1～0.3 ps/km1/2，但從長遠(yuǎn)的角度來看，這對長距離傳輸40 Gb/s的信號還是存在PMD的限制問題。所以對PMD的研究很有必要并應(yīng)引起足夠的重視。</p><p><b>　　6．結(jié)束語</b></p><p>　　偏振模色散及其補償技術(shù)是當(dāng)前高速光纖傳輸系統(tǒng)研究的熱點問題之一。對它的研究涉及單模光纖的損耗、非線性效應(yīng)

37、、色散及高階色散等一系列基礎(chǔ)性的研究，也涉及單模光纖“傳輸容量的極限”這一學(xué)科前沿和物理、光纖光學(xué)、光纖通信等多學(xué)科知識的交叉和融合，有著重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。</p><p>　　我認(rèn)為研究的重點應(yīng)放在PMD的補償技術(shù)上，同時也應(yīng)開展PMD測試技術(shù)，如IF法和JME法的研究，為PMD的本質(zhì)和補償技術(shù)的研究奠定堅實的基礎(chǔ)。重視PMD問題，深入開展對它的研究和尋找出解決問題的對策將對提高光纖通信技術(shù)的水平和

38、滿足通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長具有重大意義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　［1］楊日勝.偏振模色散測量方法及統(tǒng)計模型論述［C］.98年第三界全國光纖光纜新技術(shù)研討會論文集，1998.41～49.</p><p>　　［2］紀(jì)越峰.光波分復(fù)用系統(tǒng) .北京郵電大學(xué)出版社，2001.201～205.</p>

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40、persion:Fundamentals and impact on optical communication systems［C］.ECOC'98,Madrid,Spain,1998,53～79.</p><p>　?。?］Corsi F,Galtarossa A.Continuous-wave backreflection measurement of polarization mode dispe