光纤通信系统中偏振模色散效应的补偿设计

光纤通信系统中偏振模色散效应的补偿设计

一、引言

随着社会的信息化,用户对通信容量的需求日益增加,未来全业务服务中每一用户的容量需求可能超过100 Mb/s。在这种需求的推动下,作为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。在单信道速率不断提升(现已发展到10 Gb/s,正向40 Gb/s甚至160Gb/s发展)的同时,密集波分复用技术(DWDM)也已日趋成熟并商用化。

从技术的角度来看,限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性和色散。掺铒光纤放大器(EDFA)的研制成功,使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非零色散位移光纤(NZDSF)的引入也逐渐减小和消除。随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加,原来在光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散(PMD)问题近来变得十分突出。与光纤非线性和色散一样,PMD能损害系统的传输性能,限制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最终因素。正是由于PMD对高速大容量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,已引起业界的广泛关注,并正成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。

二、光纤中偏振模色散的定义

单模光纤中,基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。两偏振模的群速度由于受到外界一些不稳定因素的影响而产生差异,在传播中两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽,从而形成偏振模色散。

PMD是由以下几个方面的因素造成的:光纤所固有的双折射,即光纤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导致折射率分布的各向异性;光缆在铺设使用过程中,由于受到外界的挤压、弯曲、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应,从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度,导致PMD;另外当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时,由于器件结构和材料本身的不完整性,也能导致双折射,产生PMD。

单模光纤中的偏振模耦合和双折射效应在数学上可以用琼斯矩阵(Jones matrix)、Stokes 参量和邦加球(Poincare sphere)来描述,并成为分析PMD的有力数学工具。自从1986年Poole 提出了单模光纤中基本偏振态(Principal states of polarization)的概念后,对理解实际光纤中的双折射和偏振模耦合等概念带来了很大的方便。在理想的双折射光纤中存在两个相互正交、与光波频率和传输距离无关的本征偏振态(Polarized eigenstates)。但在实际长距离的光纤中一般并不存在这种完全与频率和传输距离无关的本征态,而是存在由输入光脉冲分解成的沿两正交方向偏振、并与输出偏振态有最小频率相关性的光脉冲,这两个偏振的光脉冲即为基本偏振态(PSP)。在输出端,两个脉冲的到达时间是不同的,其时间差就称之为偏振模色散的群时延差(DGD)。在一阶近似下,PSP与频率无关;而在二阶近似下,PSP与DGD的值都与频率相关。

一般采用两偏振模的群时延差Δτ来表示PMD的大小,由于两偏振模之间的模式耦合是随波长和时间随机变化的,所以PMD是一个统计量,并随时间而变化。因此实际测量光纤中由偏振模色散引起的DGD时必须考虑其统计特性并采取相应的措施。通常采用以下几种定义来表征PMD的数值:群时延差的平均值、群时延差平均值系数和传输时间的均方差(RMS DGD)。某一次实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多。

PMD是一统计量,随时间和温度而变化,并与测量的状态密切相关。对同一光纤在不同时间进行测量,无论应用什么测试仪器或采用何种测量方法,测试结果都可能相差10%或更多。经过多年讨论,目前,国际上一些标准组织(IEC/TIA/ITU)推荐了四种测量PMD的方法。在这

四种方法中,干涉仪法(IF)和波长扫描傅立叶变换法(WSFFT)是测试PMD的传输时间均方差,而Jones矩阵本征值测量法(JME)和波长扫描极值数计算法(WSEC)则是用来测试PMD群时延差的平均值。干涉仪法是在时域内进行测量并根据测试光纤输出端电场的自相关函数来计算PMD的传输时间均方差。其中光源为宽带的LED。在测试光纤的输出端,干涉仪进行扫描,使信号在时域范围内相关,则PMD值即为输出光信号自相关函数的二阶矩均方值。干涉仪一般用Michelson干涉仪。该法的主要优点是测量的速度快、不易受外界干扰并且测试成本低,适合于野外现场测试;缺点是最小可测的PMD值较大并且不能提供测试光纤与波长相关的信息。Jones矩阵本征值测量法是在频域范围内根据测试光纤的偏振传输函数来进行测量,其测量装置结构如图1所示。

图1Jones矩阵本征值法的测量装置图

Jones矩阵是一个2×2的复矩阵,它从数学上描述了测试光纤在某一波长处的偏振传输函数。对于任何线性、时不变光学系统的偏振模色散特性,Jones矩阵法都能用一系列分立波长的测试来给于精确和完整的描述。测试时首先用可调谐激光器和偏振分析仪测量光纤在一波长范围内相等波长间隔的Jones矩阵,然后通过计算相邻波长的Jones矩阵,解出本征值和本征矢量,这样就能导出某一特定波长间隔内的DGD和PSP。这一过程继续下去,直到计算出整个波长范围内的DGD,其平均值即为PMD值。这种方法的主要优点在于能对PMD进行完全的测量,且最小可测量的PMD值可达飞秒量级。其缺点是测量速度慢,易受外界干扰且测试成本高。一般它适合于实验室应用和科学研究。

由于不同的测试方法之间有不同的PMD定义和不同的数学处理方法,对于JME法和WSEC法,PMD是定义为DGD的平均值,而IF法和WSFFT法则是高斯近似的二阶矩,在二阶矩和平均值之间相差1.085的系数。这一点已为实验测试结果所证实,即JME法和WSEC法的测量结果基本一致,而IF法和WSFFT法测量的结果比JME法的大约高8%~10%。

除了以上介绍的几种测试方法外,目前还有在时域范围内进行测量的光脉冲PMD测试法、在频域范围内用Stokes分析仪进行测量的邦加球PMD测试法和偏振态(SOP)PMD测试法。据最新文献报道,最近又发明了一种利用连续波后向散射技术来测量PMD的方法,这种方法的优点在于只使用光纤的一个端面就可以测量PMD的DGD以及双折射光纤的拍长和自相关长度。

利用上述方法对全球已铺设光缆的PMD值测试结果表明,20世纪80年代中期以前生产和铺设的光纤光缆的PMD值大,对系统的影响也较大。其典型PMD值大约为2 ps/km1/2。在10 Gb/s的系统中,接收灵敏度功率代价大于4 dB。20世纪80年代中期以后生产和铺设的光缆,偏振模色散的影响较小,其典型PMD值大约为0.1 ps/km1/2,对于625 km光纤,其平均DGD值为2.5 ps。按照国际标准技术规范小组的观点,当时延差达到一比特周期的0.3倍时,将引起1 dB的功率损失。而偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的三倍,这样为了保证功率损失小于1 dB,PMD的平均值必须要小于一比特周期的十分之一。根据现有各种单模光纤的制造技术水平并考虑到10 Gb/s系统传输距离的可用性,ITU-T规定单模光纤的PMD系数