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,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,系统的传输速率和距离,并被认为是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系数必须小于0.5 ps/km1/2,并且这一规定已成为行业标准。这样对于10 Gb/s的传输系统,在保证PMD值小于10 ps/km1/2的前提下,最长可以传输400 km。
4、偏振模色散的补偿技术
上述的测试结果表明,在10 Gb/s(STM-/OC-192)及以上速率的高速光纤通信系统的长距离传输中,PMD将产生严重的功率损失,系统传输距离的进一步增加。所以对高速光纤通信系统中的PMD进行补偿成为必须要考虑的因素。20世纪90年代以来,世界上许多大公司和科研机构都对偏振模色散的补偿方法进行了研究,并取得了较好的补偿效果。
研究结果表明,一阶PMD效应(即PSP与频率无关)是导致系统传输损伤的主要原因,而高阶PMD效应只是进一步使传输质量恶化。所以目前国际上大多数补偿方案的研究都主要是针对一阶PMD效应。这些补偿方案归纳起来主要是以两种方式对PMD进行补偿,即在传输的光路上直接对光信号进行补偿或在光接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对PMD造成的两偏振模之间的时延差进行补偿。其基本原理为:首先在光或电上将两偏振模信号分开,然后用延迟线分别对其进行延时补偿,在反馈回路的控制下,使两偏振模之间的时延差为零。最后将补偿后的两偏振模信号混合输出。下面就这两种方式分别举例简单说明。
4.1光补偿方案之一
该补偿方案的装置原理如图2,图中光延迟线为保偏光纤(PMF),对两偏振模之间的时延差进行33 ps(随保偏光纤的长度而定)的补偿。偏振控制器的作用是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。当然偏振控制器的响应速度应大于光纤中偏振模的随机变化速度。控制偏振控制器的信号来自于被平方律检波器检波的保偏光纤输出光信号。该方案能实现长距离(10 000 km,PMD:0~66 ps)高速率(10 Gb/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。实验表明,它能将由偏振模色散造成的功率损失从7 dB降到1 dB。
图2保偏光纤补偿装置原理图
4.2光补偿方案之二
该补偿方案的原理如图3,色散补偿器件为非线性啁啾布拉格光纤光栅(NC-FBG)。
图3PMD的光纤光栅补偿原理结构图
在光栅带宽范围内,对于具有确定信号波长和不同偏振方向的偏振模,它们在光栅中的反射位置是不同的,这种反射位置的不同将造成两偏振模之间的传输时延差,从而起到色散补偿的作用。非线性啁啾确保了在光栅带宽范围内可补偿的时延差随输入光信号波长的不同而变化。该器件具有补偿范围可调(175ps)、结构简单并与光纤兼容等优点。
4.3电补偿方案之一
该方案原理如图4所示,电子均衡补偿器是用抽头式延迟线来实现的。延迟线上的功分信号幅度可以通过可调衰减器来加以调节,其中第二路的幅度调节权重为负值。
图4抽头式延迟线的电补偿装置原理图
4.4电补偿方案之二
该方案原理如图5,它实际上是一种光、电结合处理,并在电信号上进行补偿的联合方案。首先色散的光信号被分解为两个基本偏振模PSP1和PSP2,分别被两个光接收机所接收;转化为电信号后,进行时延补偿;最后两路信号混合输出。
图5光电结合的PMD补偿装置原理结构图
从以上各种补偿方式可以看出,电的补偿方式易于实现与光接收机的集成,但需要对高速电信号进行处理或需要两套光接收设备;补偿只能在接收端进行并且补偿的量有限。从文献报道的数量来看,目前基于电反馈控制回路的光补偿方式较多,大多是利用偏振控制器和双折射光纤的组合来进行补偿,但是该方式的光路结构庞大,不易于集成并且补偿的量也不可调。灵活控制光的偏振态和研制能任意转动的低耗偏振控制器也是成功进行补偿的关键。98欧洲光纤通信会议上报道了一种利用DHF晶体(Deformed- helical ferroelectric liquid crystals)来做偏振控制器的方法,并成功地进行了10 Gb/s光传输系统的PMD补偿实验。该偏振控制器仅有0.1 dB的损耗,驱动电压为6Vpp,响应时间为200μs,具有较好的应用前景。不过笔者认为,用新型光学器件如光纤光栅对高速光纤通信系统进行偏振模色散补偿的前景最为看好。
5、偏振模色散的研究动态
光纤中偏振模的研究起源于20世纪80年代对相干光通信中信号光的偏振态的研究。随着光纤通信速率的不断提高,对PMD的研究逐渐深入。20世纪80年代中期到20世纪90年代初建立起了PMD的统计理论。20世纪90年代后,研究重点放在了PMD的测试和补偿技术上。对系统PMD测试的研究主要包括:PMD与光纤传输距离和光纤级联的关系(这方面的研究为充分利用光纤的传输潜力提供了依据);光缆周围环境(陆地或海底)对PMD的影响和PMD随时间(一般为长时间)的变化情况;高速光纤通信系统中各种有源和无源器件(如EDFA、光隔离器、光耦合器等)对系统PMD的影响;光源的光谱特性对PMD测试的影响等。
目前PMD的研究范围主要包括:一阶和二阶PMD对模拟或数字传输性能(包括误码率、功率代价、脉冲展宽等)的影响;二阶PMD补偿技术的研究;存在PMD的情况下,20 Gb/s和40 Gb/s的超高速光纤传输技术的研究等。
近两年来,有关的论文大量发表。在1998、1999年的OFC和ECOC会议上,PMD的专题讨论会都有数个。这表明当前已形成了PMD的研究热潮,也表明PMD及其补偿技术的研究对发展下一代高速光纤通信系统具有举足轻重的作用。
目前国内的多家企业和单位都已成功研制了基于2.5 Gb/s传输速率的波分复用系统,相关的SDH设备已投入商业运营。随着经济的迅速发展,我国的通信技术和通信市场也得到了飞速的发展。为了满足我国通信业发展的需要,加快研究和开发基于10 Gb/s或更高传输速率的光纤通信技术有着十分现实和重要的意义。而PMD作为高速光纤传输的主要因素必须加以研究和克服。现在我国已建成光缆通信线路80多万公里,而所用光纤基本上为G.625标准单模光纤。特别是早期铺设的G.625单模光纤没有PMD指标,经测试发现,有些厂家的光纤的PMD较大,不宜传输10 Gb/s及以上速率的信号,这将影响未来系统的扩容。虽然目前新建的干线和系统,广泛采用G.655非零色散位移单模光纤,其PMD系数典型值约为0.1~0.3 ps/km1/2,但从长远的角度来看,这对长距离传输40 Gb/s的信号还是存在PMD的问题。所以国内开展对PMD的研究十分必要并应引起有关部门的重视。
20世纪90年代以来,国外已对PMD的测试和补偿技术进行了大量的研究,就测试而言已有商品化的产品,而商品化的PMD补偿器也将于近年推向市场。而我国几乎还没有开展这方面的深入研究。从发展下一代高速光纤通信系统的趋势来看,国内自主研究PMD及其补偿技术已势在必行。
因此，我们研究的重点应放在PMD的补偿技术上,并力争在“色散、非线性和偏振模色散共同作用时对高速波分复用系统传输性能的影响”这一研究方向的理论研究和实验技术上有所突破。同时也应开展PMD测试技术,如IF法和JME法的研究,为PMD的本质和补偿技术的研究奠定坚实的基础。
6、结束语
偏振模色散及其补偿技术是当前高速光纤传输系统研究的热点问题之一。对它的研究涉及单模光纤的损耗、非线性效应、色散及高阶色散等一系列基础性的研究,也涉及单模光纤“传输容量的极限”这一学科前沿和物理、光纤光学、光纤通信等多学科知识的交叉和融合,有着重要的理论意义和实际应用价值。我国正处于通信事业大发展的时期,光纤传输网的发展尤为迅猛,下一代单信道传输速率为10Gb/s及40 Gb/s的波分复用系统的研制开发和已
有线路的改造升级是指日可待的事情。因此,重视PMD问题,深入开展对它的研究和寻找出解决问题的对策将对提高我国光纤通信技术的水平和满足通信业务需求的不断增长具有重大意义。
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