朱永琴，田二林

(1.黃河交通學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，焦作 454950；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450002)

引 言

光傳送網(wǎng)(optical transmission networks,OTN)以密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)系統(tǒng)作為光傳輸層平臺(tái)[1-7]。現(xiàn)階段，該系統(tǒng)主要通過(guò)G.652光纖進(jìn)行信息傳輸，在傳輸期間受到布里淵散射、四波混頻等各類(lèi)非線性效應(yīng)的影響程度較低。但是采用光纖進(jìn)行距離較長(zhǎng)的傳輸時(shí),信號(hào)受到群速度色散以及偏振模色散(polarization mode dispersion,PMD)效應(yīng)的影響程度將明顯增加。上述各項(xiàng)效應(yīng)會(huì)在DWDM系統(tǒng)的傳輸階段中發(fā)生持續(xù)積累，使光信號(hào)的性能發(fā)生顯著下降。因此，為了有效控制光信號(hào)性能的惡化程度，只有將傳送網(wǎng)的鏈路距離控制在合理范圍內(nèi)。

摻鉺光放大器(erbium doped waveguide amplifiers,EDFA)是一種能夠有效降低光纖信號(hào)在傳輸階段衰減程度的部件。對(duì)于色度色散問(wèn)題，可通過(guò)啁啾光纖布喇格光柵(chirped fiber Bragg grating,CFBG)對(duì)特定傳輸距離中發(fā)生的色散進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而有效避免色度色散的問(wèn)題[8-10]。對(duì)于偏振模色散問(wèn)題，則可以通過(guò)電域補(bǔ)償、光域補(bǔ)償以及光電混合補(bǔ)償方式得到有效解決[11-14]。對(duì)于偏振模色散光補(bǔ)償過(guò)程，可以通過(guò)光可調(diào)延遲線對(duì)光信號(hào)傳輸期間的兩個(gè)偏振態(tài)傳輸速率差異導(dǎo)致的時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)增加速度較快偏振方向的光路距離來(lái)消除偏振模色散現(xiàn)象；光電混合補(bǔ)償需使光信號(hào)首先從偏振分束器中經(jīng)過(guò)，形成互相垂直的兩個(gè)偏振方向,再利用兩個(gè)光電檢測(cè)模塊把上述兩個(gè)不同的偏振方向信號(hào)都轉(zhuǎn)變成電域信號(hào),再通過(guò)對(duì)射頻時(shí)延線長(zhǎng)度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)來(lái)消除偏振模的色散問(wèn)題[15-17]。

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)前對(duì)于偏振模色散的抑制方法基本都是采取主動(dòng)補(bǔ)償?shù)奶幚矸绞剑枰O(shè)置復(fù)雜的光傳輸結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面也存在較大的差異，因此需要對(duì)目前的光傳送網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)改造，極大增加了經(jīng)濟(jì)成本[18-19]。為了更好地解決上述問(wèn)題，本文中提出了以光環(huán)形器作為基礎(chǔ)的色散抑制偏振模方案。該方案的設(shè)計(jì)思路是將光環(huán)形器置于光放大器的前端部位，使光信號(hào)偏振方向發(fā)生等效變化，從而對(duì)這兩個(gè)具有不同傳輸速度的偏振態(tài)光信號(hào)延遲進(jìn)行等效補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償偏振模色散的效果。

1 原 理

基于DWDM光網(wǎng)絡(luò)的光傳送網(wǎng)方案如圖1所示。各類(lèi)波長(zhǎng)不同的激光二極管(laser diode, LD)光信號(hào)先從左側(cè)密集波分復(fù)用器DWDM進(jìn)入，再經(jīng)光纖繼續(xù)傳輸。在理想單模光纖條件下，這兩個(gè)正交偏振模將具有相同的傳播性能，不會(huì)產(chǎn)生偏振模色散現(xiàn)象。但在實(shí)際情況下，光纖傳輸系統(tǒng)中的單模光纖的纖芯因制備工藝條件限制并不能達(dá)到完全的理想圓對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，同時(shí)摻雜濃度也存在不均勻的分布現(xiàn)象，從而使光傳輸信號(hào)在不同的偏振方向上存在折射率差異。由于受偏振模色散作用，解復(fù)用器DWDM實(shí)際接收到的光信號(hào)將發(fā)生顯著展寬，引起偏振模色散從而使光載波及其邊帶傳輸速率存在差異，隨著系統(tǒng)中的偏振模色散程度不斷增加，光信號(hào)性能也持續(xù)下降，從而嚴(yán)重影響到光傳送網(wǎng)的整體通信能力。

為了有效處理光傳送網(wǎng)的光纖衰減問(wèn)題，可以采取將摻鉺光放大器加入到鏈路中的方法以增強(qiáng)光信號(hào)的功率，并在此基礎(chǔ)上，將光環(huán)形器設(shè)置在EDFA的前部以形成偏振控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一面反射鏡與一個(gè)法拉第鏡圓筒共同構(gòu)成，并滿足如下所示的瓊斯矩陣[14]：

Fig.1 Structure of optical transmission network communication system based on DWDM

(1)

式中，r代表光信號(hào)的損耗系數(shù)。

圖2顯示了光環(huán)形器的傳送網(wǎng)模型。各個(gè)具有不同波長(zhǎng)的光信號(hào)從左側(cè)密集波分復(fù)用器DWDM進(jìn)入,再經(jīng)光纖完成傳輸過(guò)程。當(dāng)光信號(hào)受到偏振模色散的作用后將進(jìn)入到光環(huán)形器內(nèi)，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的偏振方向?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)π/2，這時(shí)原先具有較快速率的偏振光信號(hào)將進(jìn)入較慢速率的偏振方向中，而原先速度較慢的偏振光信號(hào)將進(jìn)入到較快速率的偏振方向中，以此降低了系統(tǒng)的展寬程度，減小偏振模色散引起的光傳送網(wǎng)傳輸誤比特率。

Fig.2 Model of optical transmission network communication system with optical circulator

2 實(shí) 驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)對(duì)通信偏振模色散所起到的抑制作用，利用光通信仿真分析軟件VPI對(duì)其實(shí)施了半實(shí)物測(cè)試。通過(guò)對(duì)比分析接收端的誤比特率來(lái)體現(xiàn)光功率衰減、偏振模色散以及群速度色散等多種因素所產(chǎn)生的光信號(hào)影響效果。當(dāng)群速度色散與光功率衰減情況相同時(shí)，隨著偏振模色散的增大，光通信誤比特率也會(huì)隨之增加。通過(guò)測(cè)試長(zhǎng)度相等的偏振模色散光纖傳輸效果，對(duì)比了接收端誤比特率(bit error rate,BER)情況，從而以間接方式完成了對(duì)光環(huán)形器結(jié)構(gòu)所具有的抑制偏振模色散效果的測(cè)試過(guò)程。

圖3是偏振模抑制仿真框圖。首先，由激光器產(chǎn)生的光信號(hào)先通過(guò)馬赫-曾德?tīng)柾庹{(diào)制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)把射頻(radio frequency,RF)信號(hào)轉(zhuǎn)換為如圖4所示的光邊帶信號(hào)。這些調(diào)制得到的光信號(hào)等效于各個(gè)波長(zhǎng)不同的光信號(hào)并進(jìn)入到左側(cè)密集波分復(fù)用器DWDM中。之后，把數(shù)據(jù)調(diào)制成光邊帶再通過(guò)高偏振模色散光纖中傳輸。對(duì)于接收端，則以光電二極管(photo-diode，PD)拍頻方式獲得射頻信號(hào)，再通過(guò)下變頻生成基帶信號(hào)后傳輸至示波器中查看眼圖，完成誤碼分析。

Fig.3 Simulation block diagram of polarization mode suppression

Fig.4 Optical signal with external modulation

固定光載波的中心頻率等于193.1THz，副載波頻率等于30GHz，仿真間距是10km，數(shù)據(jù)傳輸速率是2.5Gbit/s，偏振模色散系數(shù)等于5ps/km1/2。圖5顯示了在10km偏振模光纖長(zhǎng)度下補(bǔ)償前后得到的傳輸眼圖結(jié)果。根據(jù)圖5可知，當(dāng)發(fā)送功率相同時(shí)，采用光環(huán)形器完成偏振模色散補(bǔ)償處理后得到的眼圖具有明顯的張開(kāi)狀態(tài)，對(duì)解調(diào)信號(hào)起到良好的改善作用。

固定光載波的中心頻率等于193.1THz，副載波頻率等于30GHz，仿真間距是100km，數(shù)據(jù)傳輸速率是50Gbit/s，偏振模光纖PMD系數(shù)等于5ps/km1/2。圖6顯示了在100km偏振模光纖長(zhǎng)度下補(bǔ)償前后得到的傳輸眼圖結(jié)果。根據(jù)圖6可知，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理的傳輸眼圖具有更加明顯的張開(kāi)狀態(tài)?？紤]到除了偏振模色散會(huì)對(duì)傳輸眼圖與誤比特率產(chǎn)生影響以外，當(dāng)光線線路過(guò)長(zhǎng)時(shí)，也會(huì)增加色度色散影響效果，因此在這種情況下,對(duì)偏振模色散補(bǔ)償后依然存在明顯的誤碼現(xiàn)象。

Fig.5 Comparison of 10km eye diagramsa—without PMD compensation b—with PMD compensation

圖7顯示了補(bǔ)償偏振模色散前后的誤比特率R計(jì)算結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)送功率相同時(shí)，利用光環(huán)形器對(duì)偏振模色散進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，也可以對(duì)通信系統(tǒng)誤比特率起到較好的改善作用，偏振模光纖越長(zhǎng),誤比特率改善得越好，這與傳輸眼圖結(jié)果一致。相對(duì)于沒(méi)有添加光環(huán)形器，誤比特率R的效率提高了約1倍。由此可見(jiàn)，光環(huán)形器對(duì)光傳送網(wǎng)通信的偏振模色散現(xiàn)象具有顯著的抑制效果。

Fig.7 Comparison of bit error rate R of transmission

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于光環(huán)形器與相結(jié)合的偏振模色散抑制方案，通過(guò)加入控制光信號(hào)的偏振方向，使得在速度較快的偏振方向的光信號(hào)進(jìn)入速度較慢的偏振方向中傳遞，而在速度較慢的偏振方向的光信號(hào)進(jìn)入速度較快的偏振方向中傳遞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏振模色散的補(bǔ)償，從而減小系統(tǒng)展寬大小，降低了偏振模色散對(duì)于光傳送網(wǎng)傳輸?shù)恼`比特率的影響。通過(guò)仿真可以看出，經(jīng)過(guò)偏振模色散抑制后，系統(tǒng)的傳輸性能有一定的提高，有效抑制了光傳送網(wǎng)通信中的偏振模色散。