偏振模色散及其补偿技术

光　通　信　技　术V ol.26 OPTICAL　COM M U NICAT ION　T ECHNOLOGY N o.2

中国无线电电子学、电信技术类核心期刊

偏振模色散及其补偿技术

蒙红云　冯德军　赵春柳　杨石泉　武志刚　董新永　李杰　董孝义

(南开大学现代光学研究所,天津　300071)

摘要　随着光通信传输码率的提高,偏振模色散(PM D)的影响越来越大,它限制了信号的传输距离,降低了信号的质量,所以必须对PM D进行补偿。简要介绍了PM D的产生机制及目前高速光通信中常用的几种PM D补偿技术。

关键词　光纤通信　偏振模色散　补偿技术

中图分类号　TN818 文献标识码　A

1　引言

目前,光纤通信已成为世界各国发展通信产业的最主要方向之一,传输距离和系统比特率的升级也十分迅速。由于近年来色散补偿技术的发展,波长色散已不再是通信系统的限制因素。随着长距离、高比特率系统的发展,PM D(Polarization M ode Dispersio n)的影响已日益凸现,它已成为限制高速光通信发展的主要因素之一。在10Gb/s及以上速率的高速光通信系统的长距离传输中,由于PMD可能在数字系统中造成脉冲展宽失真变形,使误码率增高,限制传输带宽;在模拟通信系统中产生高阶畸变效应和偏振依赖损耗,导致非线性效应,所以必须对高速光纤通信系统中的PM D进行补偿。然而PM D的补偿十分困难,因为它是一个与多种因素有关的随机过程。由于设备、资金等条件限制,国内在这方面的研究工作较少,主要做些理论上的研究[1],国外也主要只有一些大公司[2]和研究机构[3]在从事这方面的工作。文章综述了近年来比较常用的几种PMD补偿技术方案。

2　偏振模色散及其产生机制

在常规单模光纤中实际上传播的是两个互相正交的偏振模,即LP0,1基模。这两个模式在光纤中相互对立地传播。当光纤材料有双折射时,二者有不同的传播速度,从而导致模式之间的差分群时延(Differ-ential Gr oup Delay,DGD),即偏振模色散(PM D)。

导致PM D产生的原因很多,概括起来主要有以下几方面的因素:

理想光纤的模截面是标准圆形,LP0,1模的两个正交偏振模是完全二度简并的。但是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会使折射率分布呈现出各向异性而导致PM D的产生。

在光纤的生产、成缆、光缆敷设和环境影响等过程中,有很多因素诸如挤压、弯曲、扭转和环境温度等可能使光纤沿不同的方向有不同的折射率分布(即双折射),从而形成PM D。

光纤是由芯、包层、涂敷层等数层结构组成的,各种材料的热涨系数是不一样的,因此很小的热应力分布不对称都可能导致纤芯材料的各向异性,从而通过光弹效应产生应力双折射,导致PM D。另外,当光信号通过一些光通信器件诸如隔离器、耦合器和滤波器等时,也会由于器件结构和材料本身的不完整性导致双折射,产生PM D。

蒙红云　男,1973年生,在读博士生2001-03-12收稿

图1　光补偿方案一原理图

3　PM D 补偿技术

目前,用于PM D 补偿的技术有很多,概括起来

主要有光学方法、电学方法和光电结合法。3.1　光补偿方案

3.1.1　光补偿方案一

该补偿方案的原理结构如图1。

图中光延迟线为保偏光纤(PM F),对两偏振模之间的时延差进行( 1+ 2)的补偿。偏振控制器的目的是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。T .Takahashi [4～6]等人利用这种补偿方案,实现了长距离(10000km ,PM D:0～66ps )高速率(10Gb/s 以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。将偏振模色散造成的功率损耗从7dB 降到1dB 。替换图1中的PC 和PMF 可以得到类似的方法[7～10]。3.1.2　光补偿方案二

该方案的原理结构如图2。图中P 1、P 2、P 3是偏振控制器,P 2与P 3之间有固定的相对位置,K 和 /2是可调延迟,Farady 旋转器在Sto kes 空间旋转 /2。

调节P 1和 ,可以补偿一阶偏振模色散;控制P 2和K

可以补偿高阶偏振模色散。

Antonio 等人[11]利用该补偿装置,对40Gb/s 的高传输速率进行了补偿实验。比较了无补偿器、一阶补偿和高阶补偿的眼图的顶部和底部的差异,实验结果如图3所示。显然本方案对一阶和高阶偏振模色散

都具有很好的补偿效果。

3.1.3　光补偿方案三

该补偿方案的原理如图4。色散补偿器件为高双折射非线性啁啾光纤光栅(H i-BiNC-FBG )。在光栅带宽范围内,对于相同波长不同偏振态的偏振模,它们在光栅中的反射位置是不同的,这样,不同的偏振态将产生不同的延迟时间,进而起到补偿作用。光栅的非线性啁啾确保了不同偏振态时间延迟大小的可选择性。S.Lee [12]

等人在高双折射光纤上写入可调的非线性啁啾FBG ,在10Gb /s 传输速率的通信系统中取得了在175ps 范围内可调的补偿效果。但是由于非线性啁啾FBG 的应用,该补偿系统不可避免地给补偿信号引入了啁啾,这种啁啾(导致热色散,CD)限制了补偿后的信号的传输距离。为了消除FBG 引入的啁啾,他们提出一种新的方案[13],即图4(b)所示。信号从一端进入光栅,反射后,从另一端进入同一光栅。由于CD 只决定于进入FBG 的端口,信号从长波长端口(long -!)或短波长端口(short -!)进入,经过光栅反射,色散是负的(或正的),因此光栅第一次反射引入的啁啾被第二次反射引入的啁啾抵消,

即热色散

图2

　光补偿方案二的原理装置图

图3　1000次测量形成的眼图的顶部和底部

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2002年第2期 蒙红云　冯德军　赵春柳等:　偏振模色散及其补偿技术