高速傳輸系統(tǒng)的偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)

高 瞻， 王孝周

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210006）

0 引言

社會信息化發(fā)展提高了人們對信息量的需求，使得光傳輸網(wǎng)絡(luò)向著高速率，大容量和長距離的方向迅猛地發(fā)展[1]。系統(tǒng)速率的不斷提升，PMD造成的影響讓人們越來越重視。光纖存在的雙折射現(xiàn)象具有隨機(jī)性，并且隨著時間，光頻率以及環(huán)境的變化而變化，由雙折射隨機(jī)變化引起兩偏振分量的互相耦合而導(dǎo)致信號脈沖展寬稱為偏振模色散[2]。長距離傳輸使得 PMD逐漸累計(jì)并在光纖通信系統(tǒng)中產(chǎn)生偏振相關(guān)損耗、偏振相關(guān)增益等偏振效應(yīng)，這些效應(yīng)將導(dǎo)致信道衰落，有時甚至?xí)?dǎo)致長距離高速波分復(fù)用系統(tǒng)中某一信道信號的完全丟失。一階偏振模色散是由差分群延時（DGD）引起的，而一階PMD能引起二階PMD以及高階PMD，從而導(dǎo)致非線性效應(yīng)，進(jìn)一步限制了光纖的傳輸碼率，因此必須要對偏振模色散進(jìn)行補(bǔ)償。PMD補(bǔ)償方案主要是光域補(bǔ)償和電域補(bǔ)償，以此來討論相應(yīng)的PMD補(bǔ)償方案來補(bǔ)償一階 PMD，二階 PMD以及高階PMD。

1 PMD補(bǔ)償理論

運(yùn)用泰勒公式可以把式（1）對信號頻譜中心頻率ω0展開：

式中：

2 光域補(bǔ)償方案

光域補(bǔ)償方案是直接在傳輸?shù)墓饴飞蠈庑盘栠M(jìn)行補(bǔ)償，而且不受系統(tǒng)傳輸速率限制，補(bǔ)償形式靈活多樣，以下將介紹幾種技術(shù)補(bǔ)償方案。

2.1 PSP

PSP傳輸法[3]是基于PSP概念和一階PMD效應(yīng)，是一種讓信號避免PMD影響的方法。該方法是在發(fā)射端插入一個PC，使得入射光的偏振態(tài)與光纖鏈路的任意一個PSP相同，而另一PSP則完全沒有光信號，從而有效地去除一階PMD效應(yīng)，補(bǔ)償原理如圖1所示。

2.2 保偏光纖

保偏光纖[4-5]（PMF）屬單模光纖，對其纖芯設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的雙折射效應(yīng)，可以對兩偏振模之間的時延差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償原理如圖2所示，圖2中的光延遲線為保偏光纖（PMF）。

保偏光纖補(bǔ)償技術(shù)可以補(bǔ)償一，二階 PMD，補(bǔ)償效果優(yōu)于一階PMD補(bǔ)償器，具體結(jié)構(gòu)是由兩個PC和兩個PMF組成。這樣兩級固定延時補(bǔ)償器的組合還可以產(chǎn)生可變的光時延，能補(bǔ)償高階的PMD[6]。其中第一組PC和PMD能對一階PMD進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。但是整體補(bǔ)償情況隨著補(bǔ)償器的控制節(jié)點(diǎn)增加，系統(tǒng)和對應(yīng)的算法變的更加復(fù)雜，使得補(bǔ)償速度降低。還有一種兩級級聯(lián)方案是用兩個PC后面分別加上一個由PMF構(gòu)成的固定延時器和可變延時器，結(jié)構(gòu)如圖4所示，這樣的結(jié)構(gòu)具能對高階PMD進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 光纖光柵補(bǔ)償技術(shù)

光纖光柵(FBG)屬于全光纖無源器件，根據(jù)信號兩正交的偏振模在光柵上不同的反射位置，兩個主偏振態(tài)反射的時延值不同，時延差就可以補(bǔ)償PMD。非線性啁啾布拉格光纖光柵（NC-FBG）[7]能同時補(bǔ)償PMD和CD，采用拉伸，擠壓等方法可以調(diào)節(jié)PMD的補(bǔ)償量，原理如圖5所示。

將一段高雙折射非線性啁啾光纖光柵（HBNC-FBG）和一段普通非線性啁啾光纖光柵結(jié)合使用可以同時補(bǔ)償 CD和 PMD[8],如圖 6所示。HBNC-FBG主要補(bǔ)償PMD,NC-FBG用于補(bǔ)償CD，兩者均可調(diào)，構(gòu)成的可調(diào)PMD補(bǔ)償器和偏振控制器（PC）組合還能補(bǔ)償高階PMD。該方案的問題在于非線性啁啾光纖光柵的制作難度大，而且很容易受外界環(huán)境影響。

WDM 技術(shù)可以提高信道的信號傳輸量，但WDM每個信道的PMD各不一樣，因此補(bǔ)償難度較高。取樣光柵是一段FBG在周期取樣函數(shù)作用下得到的，在此基礎(chǔ)上制作出高雙折射取樣啁啾光纖光柵[8]，其啁啾正比與傅里葉級數(shù)，因此可以選擇不同取樣啁啾系數(shù)就能補(bǔ)償不同信道的PMD。

根據(jù)以上情況分析，光纖光柵補(bǔ)償技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可調(diào)范圍廣，能補(bǔ)償一階，二階以及高階PMD；②應(yīng)用面廣，適用于單信道和多信道PDM補(bǔ)償；③可以補(bǔ)償PMD和CD，有效提高傳輸系統(tǒng)性能。

圖5 光纖光柵補(bǔ)償方案原理

3 電域補(bǔ)償技術(shù)

電域補(bǔ)償技術(shù)[9-10]主要是在接收機(jī)之前均衡整形電信號的方法。目前，電域PMD補(bǔ)償方案大多數(shù)是利用成熟的電子均衡技術(shù)，其中運(yùn)用到的電子均衡器結(jié)構(gòu)有線性前饋橫向均衡器（FFE），判決反饋均衡器(DFE)，最大似然序列估計(jì)均衡器（MLSE），結(jié)構(gòu)圖如圖7、圖8和圖9所示。

線性前饋橫向均衡器（FFE）是由延遲抽頭單元橫向排列的濾波器實(shí)現(xiàn)，是一種線性濾波器，優(yōu)勢在于可以補(bǔ)償線性畸變信號，結(jié)構(gòu)十分簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但容易引入噪聲，并且隨抽頭數(shù)的增加而造成更加嚴(yán)重的線性失真，不能補(bǔ)償嚴(yán)重非線性引起畸變的信號。

圖8 判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)

圖9 最大似然序列估計(jì)均衡器

判決反饋均衡器（DFE）是一種非線性濾波器，在線性均衡器的基礎(chǔ)上增加了反饋支路，提高均衡性能。DFE結(jié)構(gòu)最主要的問題就是錯誤傳播，對信息的不正確判決反饋會影響未來信息的判決。

最大似然序列估計(jì)均衡器[10]（MLSE）是一種非線性均衡技術(shù)，它利用信道特性對一切假設(shè)可能發(fā)射序列，然后比較實(shí)際接收序列，以此找出與接收序列最為接近的假設(shè)序列。MLSE是對整個碼元序列進(jìn)行判決，抗干擾性能好，色散補(bǔ)償性能好。

從總體上看，電域補(bǔ)償技術(shù)成熟，相應(yīng)的均衡器成本低并且容易與接收機(jī)集成等一系列特點(diǎn)，而且電子均衡還能對信號的色度色散（CD）和非線性造成的損傷進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

由于電子器件相應(yīng)時間的限制，電補(bǔ)償器一般用于小于10 Gb/s的系統(tǒng)中。

4 結(jié)語

在高速長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，PMD的影響越來越顯著，對已有的光纖傳輸系統(tǒng)的PMD補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了綜述，比較了光域和電域PMD補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)劣，指出了電域補(bǔ)償技術(shù)受電子“瓶頸”影響再難有更好的發(fā)展。根據(jù)目前PMD補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢，光域補(bǔ)償技術(shù)不受系統(tǒng)碼率限制，能更好地解決高速光纖傳輸系統(tǒng)中的PMD補(bǔ)償問題。光傳輸網(wǎng)的碼率不斷提升，系統(tǒng)色散的容忍度會越來越小，對PMD和CD的補(bǔ)償要求更高以及控制度會更加復(fù)雜，光纖光柵技術(shù)能同時調(diào)節(jié)CD和PMD，這對高速傳輸系統(tǒng)就顯得尤為重要。通過對比幾種光域補(bǔ)償技術(shù)，光纖光柵技術(shù)更易于集成，補(bǔ)償度可調(diào)范圍大，適用于單信道和多信道PMD補(bǔ)償，插入損耗低，實(shí)用性強(qiáng)，因此最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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