宋家麟

（中國(guó)電信股份有限公司庫(kù)爾勒長(zhǎng)途傳輸分局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引 言

現(xiàn)階段，隨著通信事業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)通信容量的需求逐漸增加。光纖統(tǒng)一以高速率通信為主體，在速率、容量以及距離等方面具有更大優(yōu)勢(shì)。在以往低速通信中，PMD很少受到重視。而在高速光纖通信中，該技術(shù)的作用和優(yōu)勢(shì)可得到充分發(fā)揮，對(duì)PMD補(bǔ)償方式的研究也顯得十分重要。

1 PMD簡(jiǎn)介與效應(yīng)分析

偏振模色散（PMD）屬于光信號(hào)基本特性之一，是指光信號(hào)中電場(chǎng)矢量取向，與光纖長(zhǎng)度存在緊密聯(lián)系。在波長(zhǎng)固定的情況下，信號(hào)能量可分為兩個(gè)正交偏振模。因雙折射度不同，兩者在傳播速率方面有所不同，且在偏振方面也會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生時(shí)延差Δτ。該因素會(huì)影響脈沖展寬，即PMD。當(dāng)時(shí)延之差較大時(shí)，光脈沖可能迅速展寬與相鄰脈沖重疊，影響接收機(jī)判決科學(xué)性，即受錯(cuò)誤信息影響使光纖信息承載量受到限制，使光纖傳輸系統(tǒng)的速率隨之受限。假設(shè)Vgx代表一個(gè)偏振模，Vgv代表另一個(gè)偏振模，兩者在經(jīng)過(guò)距離L后產(chǎn)生的時(shí)延之差用Δτpol表示。該數(shù)值的計(jì)算公式為：

雙折射效應(yīng)的產(chǎn)生與溫度之間存在較大聯(lián)系，因此PMD的變化具有隨機(jī)性，可通過(guò)Δτpol表示。采用式（2）獲取期望值〈Δτpol〉：

式中，DPMD代表的是PMD數(shù)值平均值，單位為PMD的數(shù)值受光纜所處環(huán)境的影響，其均值變化區(qū)間為0.03～1.30同時(shí)，期望值與時(shí)間、光源因素之間不存在聯(lián)系。

在光纖網(wǎng)絡(luò)中，電磁波包括兩項(xiàng)內(nèi)容，即HEx與HEy。兩者共同形成基礎(chǔ)模型，即偏振模。實(shí)際應(yīng)用中，受多種因素影響，大部分時(shí)間無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，光纖狀態(tài)總是變化。例如，在成纜鋪設(shè)時(shí)，很可能受到外力作用影響使光纖內(nèi)部產(chǎn)生多種應(yīng)力，影響光纖的理想性，材料密度不再均勻，不同方向的密度產(chǎn)生差異，影響光纖在不同介質(zhì)、方向中的折射率而產(chǎn)生雙折射情況；HEx與HEy的傳輸速度不同，形成差分群時(shí)延即PMD，對(duì)傳輸信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生極大的不良影響。此外，時(shí)延的存在還會(huì)使激光脈沖形態(tài)發(fā)生改變，使脈沖展寬和變形。此種變化無(wú)法接收和識(shí)別光信號(hào)而生成誤碼，對(duì)此應(yīng)采取有效措施對(duì)光纖系統(tǒng)進(jìn)行PMD效應(yīng)補(bǔ)償[1]。

2 光纖傳輸系統(tǒng)中PMD的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1 兩級(jí)級(jí)聯(lián)補(bǔ)償

在光纖通信過(guò)程中，可在發(fā)射端或者接收端對(duì)PMD進(jìn)行補(bǔ)償。一般情況下，前置補(bǔ)償法是指利用PC控制器調(diào)整偏振態(tài)，后置法是指采用PC控制器與延遲線相結(jié)合來(lái)完成。工作過(guò)程中，利用反饋控制的方式動(dòng)態(tài)調(diào)整PC，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。但是，上述方法僅限于對(duì)一階PMD進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于高階PMD來(lái)說(shuō)，提出可采用多段固定DCG延遲線補(bǔ)償法。由于此種方式較為復(fù)雜，需采用多種反饋控制變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)施兩級(jí)級(jí)聯(lián)高階PMD補(bǔ)償方案。從PMD效應(yīng)可知，傳輸光纖在斯托克斯空間中可利用PMD矢量Ω(w)表示。在后置補(bǔ)償過(guò)程中，系統(tǒng)中的PMD矢量可表示為：

式中，Ω(w)代表補(bǔ)償器中的矢量，因此通過(guò)調(diào)節(jié)該因素，使Ω(w)與-Ω(w)相同，便可實(shí)現(xiàn)一階PMD的補(bǔ)償，但無(wú)法滿足二階PMD補(bǔ)償。當(dāng)時(shí)，可體現(xiàn)出二階PMD中PSP在補(bǔ)償中的主導(dǎo)作用。根據(jù)上述理論，研究一種兩級(jí)級(jí)聯(lián)高階PMD補(bǔ)償器，其中一階采用固定DGD延遲線對(duì)二階PDM進(jìn)行補(bǔ)償，二階中采用DGD延遲線對(duì)一階PMD進(jìn)行補(bǔ)償，在整體補(bǔ)償器中安裝PC控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)偏振態(tài)的控制，將DGD延遲線輸入PC中，并用λ/2波片來(lái)替代[2]。

2.2 瓊斯矩陣補(bǔ)償

根據(jù)高階PMD定義可知，補(bǔ)償方案的制定應(yīng)對(duì)不同階PMD相結(jié)合后實(shí)施補(bǔ)償。某學(xué)者曾開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，將一階PMD與高階分離開(kāi)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)施獨(dú)立控制。在帶寬固定的情況下，采用光纖傳輸矩陣對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定義，使其朝著恒定速率的方向旋轉(zhuǎn)。為了提高高階PMD的補(bǔ)償效率，應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。此種高階PMD補(bǔ)償器可利用瓊斯矩陣的形式表示：

式中，w代表離中心載頻的頻率偏移；R代表歸一化的瓊斯矩陣，主要負(fù)責(zé)在空間中促進(jìn)矢量旋轉(zhuǎn)；r代表時(shí)延；K代表矩陣中旋轉(zhuǎn)軸的速率。從上述矩陣可知，可采用偏振控制器PC1實(shí)現(xiàn)，第二與第四矩陣中采用控制器PC2、合成器、延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)，使偏振態(tài)得到轉(zhuǎn)變，完善預(yù)先確定的查找表。運(yùn)行過(guò)程中，利用微調(diào)等形式使延遲K與τ發(fā)生改變，不會(huì)影響偏振態(tài)，此時(shí)R-1(wK)便可與一階補(bǔ)償相互分離。具體算法：首先，使K的數(shù)值為0，采用PC1與延遲線τ的方式對(duì)一階PMD進(jìn)行補(bǔ)償；其次，調(diào)整R-1(wK)，完成對(duì)高階PMD的補(bǔ)償。在上述補(bǔ)償方案中，對(duì)各個(gè)變量的控制與反饋信息的提取與補(bǔ)償器幾乎相同[3]。

2.3 電域補(bǔ)償

在電域補(bǔ)償方面，主要原理為將兩偏振模信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，用延遲線對(duì)其進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。針對(duì)反饋回路進(jìn)行控制，消除兩偏振模間的時(shí)延之差，最終混合輸出補(bǔ)償后的偏振模信號(hào)。此過(guò)程中，需要解決兩方面問(wèn)題：一是反饋信號(hào)的提取，二是PMD補(bǔ)償。前者主要是從接收端中對(duì)PMD相關(guān)信息進(jìn)行檢測(cè)，利用射頻電功率進(jìn)行信息反饋，將被檢測(cè)的電功率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)，以此控制補(bǔ)償器，使PMD受到的影響盡量降低；后者主要采用固定長(zhǎng)度保偏光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償器中，PC控制器主要采用多片電控式結(jié)構(gòu)。當(dāng)電壓數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，波片相位將出現(xiàn)一定延遲，并快速使偏振態(tài)的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，充分滿足PMD的補(bǔ)償要求。當(dāng)補(bǔ)償光纖的類型為高雙折射率光纖時(shí)，反饋的信息是對(duì)光探測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大或者縮小后進(jìn)行電壓檢測(cè)的信號(hào)。算法方面，按照輸入信號(hào)幅度的變化形成電壓信號(hào)，將其應(yīng)用到偏振控制器中，使光偏振態(tài)的算法發(fā)生改變，從中尋找到最佳值，使信號(hào)展寬縮到最小，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。

2.4 光域補(bǔ)償

傳輸過(guò)程中，該技術(shù)針對(duì)光域中的受損信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。假設(shè)光纖鏈路中PMD利用函數(shù)M(w)表示，光域補(bǔ)償器中用變換函數(shù)M-1(w)表示，使二者相乘的數(shù)值為1。在光域補(bǔ)償中，主要包括主態(tài)不常態(tài)與時(shí)延線補(bǔ)償法兩種。前者的補(bǔ)償原理為偏振控制器順著信號(hào)主態(tài)方向偏振分量朝著通光方向轉(zhuǎn)變，可將正交方向的偏振分量過(guò)濾出去實(shí)現(xiàn)PMD補(bǔ)償；后者則只需一個(gè)一階補(bǔ)償器，可對(duì)一階PMD進(jìn)行補(bǔ)償，時(shí)延線可以固定不變。對(duì)于二階段補(bǔ)償器來(lái)說(shuō)，主要包括雙折射時(shí)延線與偏振控制器，可對(duì)二階PMD進(jìn)行補(bǔ)償。從實(shí)驗(yàn)可知，二階補(bǔ)償器可不斷對(duì)一階進(jìn)行補(bǔ)償，還可實(shí)現(xiàn)二階PMD中的去偏振項(xiàng)[4]。

3 自適應(yīng)PMD補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從PMD隨機(jī)特性可知，PMD補(bǔ)償系統(tǒng)中包括多個(gè)部分，即補(bǔ)償單元、邏輯控制單元與在線檢測(cè)單元。其中，補(bǔ)償單元包括差分群時(shí)延線、偏振控制器等，可調(diào)整信號(hào)偏振方向，使其始終處于主態(tài)方向中，順著主態(tài)方向完成傳輸活動(dòng)；時(shí)延線的主要作用在于對(duì)差分群時(shí)延進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)PMD補(bǔ)償；在線檢測(cè)單元的作用主要在于監(jiān)測(cè)光信號(hào)偏振態(tài)，利用系統(tǒng)反饋信號(hào)輸送到邏輯控制單元，借助該單元進(jìn)行PMD信息采集，調(diào)整電控PC與時(shí)延線，實(shí)現(xiàn)信號(hào)PMD的補(bǔ)償。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 補(bǔ)償單元

該部分主要包括PC與時(shí)延線兩項(xiàng)內(nèi)容。補(bǔ)償單元中包括一階與二階補(bǔ)償器，前者屬于鏈路中的一階PMD，后者則可對(duì)鏈路中一階與二階中的垂直分量進(jìn)行補(bǔ)償。單元中的段數(shù)越多，補(bǔ)償效果越佳，自由度也隨之增加，響應(yīng)時(shí)間縮短。在應(yīng)用過(guò)程中，補(bǔ)償量與響應(yīng)速度之間可實(shí)現(xiàn)平衡。

3.1.2 在線檢測(cè)單元

該單元主要包括DSP數(shù)據(jù)處理、A/D轉(zhuǎn)換單元以及在線檢偏器等，以檢偏器為核心，主要作用在于有效監(jiān)測(cè)鏈路中的SOP，按照監(jiān)測(cè)中獲取的SOP計(jì)算DOP數(shù)值，依靠控制單元調(diào)控PC中的驅(qū)動(dòng)電壓，以實(shí)現(xiàn)PMD的補(bǔ)償目標(biāo)。

3.1.3 邏輯控制單元

該單元是補(bǔ)償系統(tǒng)的核心所在，相當(dāng)于人類的大腦。根據(jù)該單元中的反饋信息，利用粒子群優(yōu)化算法，對(duì)當(dāng)前鏈路中的最優(yōu)DOP進(jìn)行搜索與跟蹤，將結(jié)果傳遞到補(bǔ)償單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMD的自適應(yīng)補(bǔ)償[5]。

3.2 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

3.2.1 樣機(jī)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)中，采用自適應(yīng)PMD補(bǔ)償器，如圖1所示。

圖1 PMD補(bǔ)償系統(tǒng)裝置

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該系統(tǒng)包括補(bǔ)償器、模擬器、發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用10 Gb/s XFP光電轉(zhuǎn)換板卡。在光路中對(duì)不同長(zhǎng)度延時(shí)后，得出速率為10 Gb/s時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓，利用其對(duì)平行調(diào)制器的兩臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，形成20 Gb/s NRZ-DQPSK調(diào)制信號(hào)。調(diào)制完畢后，在PMD模擬器的作用下產(chǎn)生PMD，經(jīng)過(guò)光帶通濾波后將其傳送到光纖鏈路中。在接收端，利用自制的PMD補(bǔ)償器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償完畢的信號(hào)傳輸?shù)浇庹{(diào)器中平衡接收，最終采用高速示波器檢測(cè)PMD補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

構(gòu)建20 Gb/s的調(diào)制系統(tǒng)，在信號(hào)傳輸完畢后開(kāi)展OMD補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，繪制背靠背眼圖，顯示出直接將信號(hào)從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩撕笥^測(cè)到的情況；繪制補(bǔ)償前眼圖，顯示在經(jīng)過(guò)960 km光纖傳輸后，在補(bǔ)償前觀測(cè)到的信號(hào)情況；繪制補(bǔ)償后眼圖，顯示在經(jīng)過(guò)960 km傳輸后，完善補(bǔ)償后觀測(cè)到的信號(hào)情況。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在調(diào)制系統(tǒng)中，補(bǔ)償之前眼圖中含有過(guò)沖情況，補(bǔ)償完畢后眼圖中眼睛已經(jīng)張開(kāi)，說(shuō)明設(shè)計(jì)的MD補(bǔ)償器能夠?qū)MD進(jìn)行有效補(bǔ)償；在性能指標(biāo)方面，PMD補(bǔ)償器可跟蹤信號(hào)，偏振態(tài)變化為65 rad/s；在1 dB OSNR情況下，可使系統(tǒng)容限增加26 ps，補(bǔ)償相應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 ms，平均補(bǔ)償時(shí)間不超過(guò)8 ms。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文簡(jiǎn)要分析PMD效應(yīng)，提出兩級(jí)級(jí)聯(lián)補(bǔ)償、瓊斯矩陣補(bǔ)償、電域補(bǔ)償以及光域補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用措施，最后構(gòu)建調(diào)制系統(tǒng)。針對(duì)自適應(yīng)PMD補(bǔ)償器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在不陷入局部極值的情況下，該補(bǔ)償器可跟蹤信號(hào)的變化為65 rad/s，與以往相比，系統(tǒng)容限增加26 ps，響應(yīng)時(shí)間與平均補(bǔ)償時(shí)間明顯縮短，證明該補(bǔ)償器具有實(shí)用性與可行性。