高速光通信系统中的偏振复用技术

高速光通信系统中的偏振复用技术

摘要：偏振复用（Polarization Division Multiplexing:PDM）技术不仅能够在很大程度上提高系统通信容量还能使系统的频谱效率得到明显改善。偏振复用技术利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍系统总容量和频谱利用率目的。它是光纤通信中一种比较新的复用方式，在这种复用方式中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。本文论述了高速光通信系统中的偏振复用技术的研究意义，发展现状以及偏振复用技术在高速光通信系统中的关键技术和信息处理技术，包括全光复用技术、全光信号处理技术和数字信号处理技术。最后对高速传输时偏振复用链路的损失和串扰进行概述。

关键词：偏振复用；高速光通信；PMD

Polarization Division Multiplexing In High-speed Optical Communication Systems

Liu Yu

(Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065)

Abstract：Polarization Division Multiplexing (Polarization Division Multiplexing:PDM) technology can not only improve the system to a great extent communication capacity of the system spectrum efficiency,but also can be significantly improved.PDM technique which utilizes the polarization dimension of light,carries two independent data at the same wavelength with orthognal states of polarization.It can double the system capacity and spectral efficiency directly.It is a kind of relatively new multiplexing method, optical fiber communication in this kind of multiplex mode,two orthogonal polarization of transmission wavelengths as a separate channel signal transmission two road is independent and mutually,so that the capacity of optical fiber information transmission to double and does not need to increase the additional bandwidth resources.This paper discusses the research significance of the polarization multiplexing technology of high speed optical communication system, the current situation of the development and the key technology of polarization multiplexing technology in high-speed optical communication system and information processing technology, including QuanGuangFu technology, all-optical signal processing technology and digital signal processing technology.Finally, the high speed transmission when polarization multiplexing link loss and crosstalk are summarized.

Key words：Polarization Division Multiplexing;High-speed optical communication;PMD

0 前言

随着互联网业务的快速发展，尤其是基于互联网的视频应用和P2P交互式应用的爆炸式发展，骨干通信网络带宽需求迅猛增长，现有密集波分复用（DWDM）系统己经不能满足日益增长的带宽需求，提高系统传输能力势在必行。偏振复用技术能

够平滑的使通信系统数据速率提升一倍，进而使得通信系统的传输能力增加一倍，并且在较高的通信速率下，系统仍能保持很高的偏振模色散的容限和灵敏度，具有相对简单的系统终端扩容设备，因此针对偏振复用技术的探索

1 高速光通信系统及偏振复用技术的发展

1.1 偏振复用技术的研究意义

复用技术即在信号发送端将多路信号按照不同的方法或者区分方式进行组合，经历同一个信道传输后，在接收端将原本复用的信号分离出来，达到有效利用现有设施的目的。除了DWDM（密集型光波复用），OTDM（光时分复用）和OFDM（正交频分复用技术）外，提高单波长比特率来满足增长的带宽需求引起了普遍的关注。然而当比特率达到160Gbit/s时，超短脉冲的生成、积累色散的管理在OTDM中都会限制每个波长比特率的增长。因此，当传输带宽受限时，偏振复用成为了提高传输容量的有效的方法之一。在偏振复用方式中，两束相同或不同波长的光可以同时在一根光纤中相互独立地传输，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。所以偏振复用技术的提出对于实现高速传输是非常有意义的[1]。

1.2 偏振复用技术的发展及现状

在上世纪八十年代的一次学术会议上，首次提出偏振复用技术，但当时的传输方案是使用保偏光纤（CPMF）来实现偏振复用，由于保偏光纤的价格与普通单模光纤（SMF）相比较高，而实际中投入使用的大多数都是SMF，这就使得以SMF作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点。国外对于偏振复用技术的研究更为深入并且取得了一定的成果。1991年，Claude Herard和Alain Lacourt提出了偏振光复用的基础理论以及偏振光在单模光纤中的传播。1992年，S. G.Evangelides Jr.等人提出基于孤子源发射的正交偏振态在系统中能保持其正交性的事实，提出了偏振/时分复用的方法，两路正交偏振的光孤子比特流在时间上交叉复用。同年，Paul M.Hill用每路2Gbit/s二进制相移编码（BPSK）的数据正交复用形成了4Gbit/s的光偏振复用信号，接收端则采用相关的外差检测方法。2001年，通过采用40Gbit/s的复用器和铌酸锂（LiNbO3）调制器产生20Gbit/s的光传输信号。在发射端用差分相移编码（DPSK）调制来控制信道间干扰，接收端允许适当调整偏振控制器来最小化干涉。2007年，S.J.Savory等人提出接收端采用盲均衡实现偏振解复用的技术方案，使用非归零码-正交相移编码（NRZ-QPSK）调制方式，以标准单模光纤（SSMF）作为传输媒质实现了速率为42.8Gbit/s的信号传输6400km的实验，并首次使用恒模算法（CMA）在离线（OilLine）的条件下对混合信号解复用。2008年，C. Wree,S. Bhandare等人第一次采用归零码·差分正交相移编码（RZ-DQPSK）码型的偏振复用技术实现了40Gbit/s(2.20Gbit/s)的传输。同年，在波兰电信研究和发展中心，Obrzezna等人提出并在实验室实现了三路偏振光信道的复用和解复用技术，这是第一次超过两路偏振信道的偏振复用传输。2010年，在文献[2]中，第一次在实验室实现用单偏振-差分八进制相移编码（SP-DBPSK）OTDM技术达到传输距离超过220km、传输速率为0.44Tbit/s的目的，解决了400Gbit/s以太网的可行性问题，同时也证明了在没有辅助时钟情况下也能在速率为0.87Tbit/s的情况下使传输距离达到110km。2011年，在文献[3]中，采用了InP接收机光激性的集成电路和偏振复用差分正交相移编码（DQPSK）技术实现了10信道每个信道45.6Gbit/s的传输。光激性的集成电路（PIC）对于偏振复用的DQPSK信号来说是一种新的解调技术，将光输入信号组合及复用来解调信号。

国内对于偏振复用技术的研究相对于国外来说较慢，实际上早在1986年，就提到了这种新的光纤通信复用方式。文中阐述了偏振复用可以在一根光纤中同时传输两路相同波长的光信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍。为了分析偏振复用的指标，又提出了固有偏振消光比这个参数，并用回谐函数展开法对单模光纤的固有偏振消光比进行了计算，并给出了相应的结果。只是当时这个新的复用技术并没有引起国内专家的关注，直到近十年内，偏振复用技术才又重新受到国内的青睐。2002年，徐文成和陈伟成研究了双折射光纤中偏振复用技术的三阶色散抑制和补偿。文中描述了在强双折射光纤中，让两孤子脉冲沿光纤的两个偏振轴入射，利用交叉相位调制效应克服偏振模色散，自相位调制效应克服群速度色散，使两偏振脉冲在光纤中互不走离地稳定传输，在单信道码率不变的情况下能提