基于光環形器的光傳送網通信偏振模色散抑制

朱永琴，田二林

(1.黃河交通學院 機電工程學院，焦作 454950；2.鄭州輕工業學院 計算機與通信工程學院，鄭州 450002)

引 言

光傳送網(optical transmission networks,OTN)以密集波分復用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)系統作為光傳輸層平臺[1-7]。現階段，該系統主要通過G.652光纖進行信息傳輸，在傳輸期間受到布里淵散射、四波混頻等各類非線性效應的影響程度較低。但是采用光纖進行距離較長的傳輸時,信號受到群速度色散以及偏振模色散(polarization mode dispersion,PMD)效應的影響程度將明顯增加。上述各項效應會在DWDM系統的傳輸階段中發生持續積累，使光信號的性能發生顯著下降。因此，為了有效控制光信號性能的惡化程度，只有將傳送網的鏈路距離控制在合理范圍內。

摻鉺光放大器(erbium doped waveguide amplifiers,EDFA)是一種能夠有效降低光纖信號在傳輸階段衰減程度的部件。對于色度色散問題，可通過啁啾光纖布喇格光柵(chirped fiber Bragg grating,CFBG)對特定傳輸距離中發生的色散進行有效補償，從而有效避免色度色散的問題[8-10]。對于偏振模色散問題，則可以通過電域補償、光域補償以及光電混合補償方式得到有效解決[11-14]。對于偏振模色散光補償過程，可以通過光可調延遲線對光信號傳輸期間的兩個偏振態傳輸速率差異導致的時延進行補償，通過增加速度較快偏振方向的光路距離來消除偏振模色散現象；光電混合補償需使光信號首先從偏振分束器中經過，形成互相垂直的兩個偏振方向,再利用兩個光電檢測模塊把上述兩個不同的偏振方向信號都轉變成電域信號,再通過對射頻時延線長度進行合理調節來消除偏振模的色散問題[15-17]。

通過以上分析可知，當前對于偏振模色散的抑制方法基本都是采取主動補償的處理方式，需要設置復雜的光傳輸結構，在系統結構方面也存在較大的差異，因此需要對目前的光傳送網進行系統改造，極大增加了經濟成本[18-19]。為了更好地解決上述問題，本文中提出了以光環形器作為基礎的色散抑制偏振模方案。該方案的設計思路是將光環形器置于光放大器的前端部位，使光信號偏振方向發生等效變化，從而對這兩個具有不同傳輸速度的偏振態光信號延遲進行等效補償，最終實現補償偏振模色散的效果。

1 原 理

基于DWDM光網絡的光傳送網方案如圖1所示。各類波長不同的激光二極管(laser diode, LD)光信號先從左側密集波分復用器DWDM進入，再經光纖繼續傳輸。在理想單模光纖條件下，這兩個正交偏振模將具有相同的傳播性能，不會產生偏振模色散現象。但在實際情況下，光纖傳輸系統中的單模光纖的纖芯因制備工藝條件限制并不能達到完全的理想圓對稱狀態，同時摻雜濃度也存在不均勻的分布現象，從而使光傳輸信號在不同的偏振方向上存在折射率差異。由于受偏振模色散作用，解復用器DWDM實際接收到的光信號將發生顯著展寬，引起偏振模色散從而使光載波及其邊帶傳輸速率存在差異，隨著系統中的偏振模色散程度不斷增加，光信號性能也持續下降，從而嚴重影響到光傳送網的整體通信能力。

為了有效處理光傳送網的光纖衰減問題，可以采取將摻鉺光放大器加入到鏈路中的方法以增強光信號的功率，并在此基礎上，將光環形器設置在EDFA的前部以形成偏振控制系統，該系統由一面反射鏡與一個法拉第鏡圓筒共同構成，并滿足如下所示的瓊斯矩陣[14]：

Fig.1 Structure of optical transmission network communication system based on DWDM

(1)

式中，r代表光信號的損耗系數。

圖2顯示了光環形器的傳送網模型。各個具有不同波長的光信號從左側密集波分復用器DWDM進入,再經光纖完成傳輸過程。當光信號受到偏振模色散的作用后將進入到光環形器內，輸出信號對應的偏振方向將轉動π/2，這時原先具有較快速率的偏振光信號將進入較慢速率的偏振方向中，而原先速度較慢的偏振光信號將進入到較快速率的偏振方向中，以此降低了系統的展寬程度，減小偏振模色散引起的光傳送網傳輸誤比特率。

Fig.2 Model of optical transmission network communication system with optical circulator

2 實 驗

為了進一步分析光環形器的結構對通信偏振模色散所起到的抑制作用，利用光通信仿真分析軟件VPI對其實施了半實物測試。通過對比分析接收端的誤比特率來體現光功率衰減、偏振模色散以及群速度色散等多種因素所產生的光信號影響效果。當群速度色散與光功率衰減情況相同時，隨著偏振模色散的增大，光通信誤比特率也會隨之增加。通過測試長度相等的偏振模色散光纖傳輸效果，對比了接收端誤比特率(bit error rate,BER)情況，從而以間接方式完成了對光環形器結構所具有的抑制偏振模色散效果的測試過程。

圖3是偏振模抑制仿真框圖。首先，由激光器產生的光信號先通過馬赫-曾德爾外調制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)把射頻(radio frequency,RF)信號轉換為如圖4所示的光邊帶信號。這些調制得到的光信號等效于各個波長不同的光信號并進入到左側密集波分復用器DWDM中。之后，把數據調制成光邊帶再通過高偏振模色散光纖中傳輸。對于接收端，則以光電二極管(photo-diode，PD)拍頻方式獲得射頻信號，再通過下變頻生成基帶信號后傳輸至示波器中查看眼圖，完成誤碼分析。

Fig.3 Simulation block diagram of polarization mode suppression

Fig.4 Optical signal with external modulation

固定光載波的中心頻率等于193.1THz，副載波頻率等于30GHz，仿真間距是10km，數據傳輸速率是2.5Gbit/s，偏振模色散系數等于5ps/km1/2。圖5顯示了在10km偏振模光纖長度下補償前后得到的傳輸眼圖結果。根據圖5可知，當發送功率相同時，采用光環形器完成偏振模色散補償處理后得到的眼圖具有明顯的張開狀態，對解調信號起到良好的改善作用。

固定光載波的中心頻率等于193.1THz，副載波頻率等于30GHz，仿真間距是100km，數據傳輸速率是50Gbit/s，偏振模光纖PMD系數等于5ps/km1/2。圖6顯示了在100km偏振模光纖長度下補償前后得到的傳輸眼圖結果。根據圖6可知，經過補償處理的傳輸眼圖具有更加明顯的張開狀態。考慮到除了偏振模色散會對傳輸眼圖與誤比特率產生影響以外，當光線線路過長時，也會增加色度色散影響效果，因此在這種情況下,對偏振模色散補償后依然存在明顯的誤碼現象。

Fig.5 Comparison of 10km eye diagramsa—without PMD compensation b—with PMD compensation

圖7顯示了補償偏振模色散前后的誤比特率R計算結果。從中可以發現，當發送功率相同時，利用光環形器對偏振模色散進行補償時，也可以對通信系統誤比特率起到較好的改善作用，偏振模光纖越長,誤比特率改善得越好，這與傳輸眼圖結果一致。相對于沒有添加光環形器，誤比特率R的效率提高了約1倍。由此可見，光環形器對光傳送網通信的偏振模色散現象具有顯著的抑制效果。

Fig.7 Comparison of bit error rate R of transmission

3 結 論

設計了一種基于光環形器與相結合的偏振模色散抑制方案，通過加入控制光信號的偏振方向，使得在速度較快的偏振方向的光信號進入速度較慢的偏振方向中傳遞，而在速度較慢的偏振方向的光信號進入速度較快的偏振方向中傳遞，實現了對偏振模色散的補償，從而減小系統展寬大小，降低了偏振模色散對于光傳送網傳輸的誤比特率的影響。通過仿真可以看出，經過偏振模色散抑制后，系統的傳輸性能有一定的提高，有效抑制了光傳送網通信中的偏振模色散。