偏振模色散补偿

偏振模色散补偿

偏振模色散 ( P MD) 已成为限制高速光纤通信系统速率及传输距离的主要因素之一．近年来人们对偏振色散及其补偿进行了大量的研究，并提出了多种自适应 P MD补偿方案．这些自适应P MD补偿方案中，常用的反馈技术主要有 2种：第 1 种是电功率法…，即检测某一特定的射频功率作为反馈信号，但电功率法所使用的光电探测器与码速率有关，不利于系统的升级；第 2种是检测光脉冲的偏振度 ( D OP ) 作为反馈信号，称为偏振度法2 J ．由于信号的偏振度与码速率无关，所以在偏振模色散补偿中作为反馈信号适用于不同码速率的系统，便于系统升级．偏振度法反馈方式又分为 2种：一种是输入偏振态固定，将接收端所检测到的单偏振态的偏振度作为反馈信号，并用搜索算法搜索偏振度最大值，使 P MD得到补偿，称为单偏振度法；另一种是在信号的输入端安装一个偏振扰动器，使输入偏振态发生变化，历变所有偏振态，不同的偏振态的偏振度不同，最后得到在斯托克斯空间的偏振度椭球，取椭球的短轴作为反馈信号，称为偏振度椭球法．目前已有文献讨论了这 2种取样方式但是没有针对具体的偏振模色散补偿器，也没有对这 2种方法的使用适用范围进行研究．也有文章从理论上证明了2段补偿器只能补偿二阶偏振模色散的一项，即偏振主态旋转速率，而 3段偏振模色散补偿器可同时补偿一阶和二阶偏振模色散，但这些都是对未结合具体反馈控制信号而言的，在实验中补偿器的实际补偿能力要在具体的反馈信号下才能体现出来．而在开发 P MD补偿系统时，针对不同的补偿器选用合适的反馈信号是非常重要的．本文结合多阶段偏振模色散补偿器分别讨论了这 2种偏振度取样方式的性能．

1 理论模型

1 ． 1 多阶段偏振模色散补偿器

通常采用的多段偏振模色散补偿器由偏振控制器和双折射保偏光纤构成，偏振控制器由 2个 1 ／ 4 波片和 1 个 1 ／ 2波片级联构成．3个可调节的角度分别由 3个波片的电压控制，其级联的总琼斯矩阵由 3个波片的琼斯矩阵相乘，如图 1所示．设 h ， 0 。分别为 1 ／ 2和 1 ／ 4波片的方位角，则 1 ／ 2波片和 1 ／ 4波片琼斯矩阵分别为

矢量 r的模就是信号的 D OP．信号的 D O P就是其

频谱上各个频率分量的 I ) O P对功率谱加权平均的结果，因此，信号的D OP 与输入信号的偏振态、偏振模色散以及信号的频谱有关．只要计算得到 P MD 模拟器和 P MD补偿器级联的总琼斯矩阵，则可按式 ( 5 ) 计算得到信号的 I ) O P值．采用偏振度作为反馈控制信号的偏振模色散补偿方案如图 2所示，光发射端产生的偏振光经调制输出为所需要的信号码元．光信号经偏振模色

散模拟器受到偏振模色散 P MD的影响，其偏振态发生变化，偏振度小于 1 ，大小与P MD有关，又由偏振计检测信号的偏振度，送至偏振模色散反馈控制单元进行分析判断．如果 D O P小于一定的阈值时，说明偏振模色散对信号产生的影响需要进行补偿，控制单元便调节偏振模色散补偿器中的偏振控制器和可变群时延的参数，并采用人工智能控制的粒子群优化算法( P S O) 搜索 I ) O

P最大值 J ，当检测到的 I ) OP达到最大时，偏振模色散即自动得到补偿．2.种取样方式的模拟结果及分析

2 ． 1 单偏振态取样方式

首先假设输入的光信号为单一偏振态．利用式 ( 1 ) ～( 3 ) 及式( 5 ) 计算 4 0 Gb i t ／ s 光信号经过 2段偏振模色散补偿器所输出的 D OP值． 2段补偿器由 2个偏振控制器及 2段双折射保偏光纤构成，其中 2个偏振控制器有 6个可变方位角度，在 O ～2 丌范围内变化．模拟采用的 2段 P MD补偿器的参数为： DGD1为 1 2 ． 5 p s ， DGD2为 1 2． 5 p s ，最大可产生的一阶偏振模色散为 2 5 p s ．输入偏振态为单偏振态时，在 6个随机可变角度情况下，得到了 2段偏振模色散补偿器输出的 1 0 0 0个数据的 D O P样点。如图3所示．这 1 0 0 0个样点代表了补偿器在补偿 P MD时有可能经历的 1 0 0 0种状态．从图 3可以看出，采用单偏振度取样方式，在 6个随机可变角度情况下， 2段偏振模色散补偿器输出的偏振度在 P MD较小时随 DG D的增加而减少，而在 D G D大于 2 0 p s 情况下又呈上升趋势，而且在出现上述现象的原因是偏振度不仅由 P MD大小决定，而且与输入光的偏振态和 P MD模拟器及补偿器共同决定的复合主态的夹角有关．一般认为，如果偏振态沿光纤的偏振主态入射，偏振度最大；当偏振态与主态的方向成 4 5 。入射．在 2个主态方向所激发的功率相等，偏振度最小，因此输入偏振态与主态方向成 4 5 。入射为最佳．但是，如果输入偏振态固定，既使在补偿前将输入偏振态调节到与主态成 4 5 。入射，在补偿过程中补偿器的主态是变化的，模拟器与补偿器的复合主态也是变化的。补偿器主态的变化范围与补偿器的可调节的参数范围与个数有关．当复合主态与入射光的偏振态对准时，只补偿了一阶偏振模色散，这时可能在 DGD 较大处出现 I ) OP峰值，但此时光纤中的 P MD并没有得到实际的补偿，高阶 P MD仍可能很大，误码率也可能很大，在这种情况下 P MD补偿的搜索算法有可能陷入这一种局部 D OP极大值的情况．如果将补偿器的偏振控制可调参数降到 4个再进行计算，得到的结果如图 4所示．从图 4可以看出，当自由度降至4个，这时在大的 D G D处不会出现 I ) O P峰值．因为自由度减少，入射偏振态与复合主态对准的可能性减少，在大 DGD处出现 I ) OP峰值的可能性就减少．为了更进一步证实单偏振态取样法作为反馈信号进行偏振模色散补偿时出现的陷入局部极大值的可能性，利用图 2所示的模型，采用文献[ 9 ] 所述的多段 PMD模拟器，并采用 2段补偿器对偏振模色散补偿进行数值模拟．补偿器为 6个自由度。采用粒子群优化算法，使得所检测到的偏振度达到最大．模拟器产生的平均 P MD为 1 8 p s ，同时采集了1 0 0 0个随机的数据，对 NR Z码进行了补偿，补偿后误码率大于 1 0 I 1 0 样点分布，如图 5所示．图 5中每个点的状态包含该点所对应的 D O P 、二阶 P MD 的大小以及补偿后的 D G D值．二阶 P MD可写为： I f ， l = l △r +△面 l ， D G D为△r ，为主态方向．从图 5的误码样点可以看出，补偿后的剩余二阶 P MD 都大于 6 0 p s 2以上，有一部分样点剩余 D G D很大，这些样点的 D OP值都很高，都大于 0 ． 9 7 ，这是由于在 P MD补偿过程中输入光纤的偏振态与复合主态对准，只补偿了一阶 P MD，而高阶P MD比补偿前更大，从而导致搜索到的 D OP很大，而误码率却大于 1 0 2 ．

3 结论