一種在光纖通信中的偏振穩定系統設計與實現*

王思堯，張陽安，袁學光，黃永清

（北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院，北京 100876）

0 引 言

新型數據業務的不斷出現，給傳統通信網絡帶來巨大挑戰，光纖通信正朝著大容量、高速率、長距離的方向飛速發展，原本忽略的偏振態相關問題隨之凸顯。一方面偏振復用技術可將通信容量提高一倍，而光纖鏈路中偏振態發生隨機變化產生RSOP 效應，故需對信號進行偏振穩定控制[1]。另一方面，偏振效應引起的偏振模色散會展寬光信號脈沖，已成為限制高速光纖通信長距傳輸的主要因素[2]。因此，偏振穩定技術的研究尤為重要。

目前，偏振穩定控制技術主要有保偏光纖、偏振分集和偏振態檢測控制等。保偏光纖成本高，損耗較大，不宜用于長距通信。偏振分集技術雖對相干接收機中的極化失配和相位噪聲問題十分有效，但由于光鏈路的增多導致接收機結構復雜，成本高[3]。普通的偏振態檢測控制技術由于受到高速電路及數據處理能力的限制，導致其相應速度慢，僅可用于偏振態變化緩慢、平穩的場合。綜上，需要研制一種高響應速度、高靈敏度的偏振穩定裝置，將光信號偏振態在光纖通信接收端保持穩定。

1 偏振穩定系統設計

本文對普通的偏振態直接檢測系統進行改進，提出了如圖1所示的基于偏振跟蹤的直接檢測方案。它無需高速電路支持，可在光纖通信系統接收端實現偏振穩定。

圖1 偏振穩定系統

系統由偏振控制器（Polarization Controler，PC）、偏振分束器（Polarization Beam Splitter，PBS）、光電探測器（Photo Diode，PD）、模數轉換器（Analog to Digital Convertor，ADC）、數據處理單元以及數模轉換器（Digital to Analog Convertor，DAC）等構成。實現偏振穩定的過程如下：入射光進入偏振控制器偏振態被改變，使用偏振分束器將信號分解成兩束偏振態正交的光，并耦合成4 路輸出，其中2 路光作為偏振穩定系統輸出光，另外2 路作為反饋信號進入PD，并進行放大及模數轉換，以兩路數字電壓的形式進入數據處理單元。此單元計算兩路電壓差作為反饋變量，根據此值推算出當前偏振態狀態，通過反饋控制算法計算此時為保證偏振穩定應加至PC 的電壓值，將此電壓值轉化至模擬量后施加PC以改變光路偏振態形成反饋回路，最終實現輸出光信號偏振態的穩定控制。

下面理論分析該方案的可行性。

完全偏振光的斯托克斯矢量表示為：

其中，P 為光功率，ε 為橢圓率，θ 為方位角。PBS 將信號分解為兩路偏振態相互正交的光，以兩路傳輸軸為x、y 方向建立參考坐標系，其彌勒矩陣表示為：

由于TH1、TH2兩路光信號偏振態正交，其橢圓率、方位角間有如下關系：

則式（4）和式（5）可化簡為：

由于PD 輸出電信號與輸入光功率成正比，放大電路也為線性放大，故可將PD 及升壓電路當做放大系數為α 的整體，則輸出電壓差為：

由公式知，ΔV 包含偏振態所有信息——方位角與橢圓率，且當ΔV 保持最大時，θ=0°，ε=0°或θ=±90°，ε=±90°，即實現了輸出信號的偏振態穩定。綜上，只要通過反饋控制算法將反饋信號ΔV 穩定在最大值，即可實現偏振態的穩定控制。

2 反饋控制算法

反饋控制算法采用禁忌-粒子群算法，針對粒子群算法權重固定的問題引入自適應權重[4]，并對其陷入局部最優值問題融入禁忌算法的禁忌思想[5]，通過禁忌表的設立，形成收斂速度快、不易陷入局部最優值的禁忌-粒子群算法，流程如下。

（1）初始化，設定粒子數、最大迭代次數、粒子維數、禁忌表長度等。

（2）計算各個粒子目標函數，更新粒子個體最優值和全局最優值。

（3）計算慣性權重：

其中，tmax為最大迭代次數，t 為當前的迭代次數。

（4）根據式（12）計算更新粒子速度和位置。

（5）迭代。

（6）判斷迭代過程中解是否得到改善，若否，跳轉至步驟（7），若是，繼續迭代運行。

（7）將得到的全局最優解作為禁忌算法初始值在當前解鄰域內進行搜索，選取適應度值較好的候選解生成禁忌表。

（8）比較候選解和當前全局最優解，將較好的解作為全局最優解，更新禁忌表。

（9）判斷是否滿足終止條件，若滿足，輸出當前全局最優解。

3 偏振穩定控制實驗與結果分析

3.1 實驗平臺

為進一步驗證該研究方案的有效性，搭建如圖2 所示的實驗平臺。

圖2 偏振控制實驗系統

可將整個偏振穩定控制實驗平臺分為3 部分。

第1 部分為入射光信號的產生。采用連續波激光器（Continuous Wave，CW）產生光源，用馬赫增德爾調制器（Mach Zehnder Modulator，MZM）對光源進行不同格式的調制，且通過為隨機二進制序列發生器（Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS）調整調制信號速率，從而生成調制格式、調制速率均可調的入射光信號。調制好的光信號進入擾偏器改變其偏振態，進而模擬光纖通信系統中隨機變化的偏振態。

第2 部分為偏振穩定系統的硬件實現，可分為偏振控制單元、反饋信號采集單元和數據處理單元3 個部分。偏振控制單元采用EOSPACE 的鈮酸鋰電控偏振控制器，用于改變光纖鏈路中的信號偏振態。反饋信號采集單元由PBS、PD 及放大電路構成，此單元產生并采集兩路PD 輸出電壓差ΔV 作為反饋信號。數據處理單元使用STM32F407ZG 作為處理器，TI 的DAC8728 作為數模轉換器。此單元對反饋信號進行數據處理并運行反饋控制算法，最終輸出加載至偏振控制單元的模擬電壓。

第3 部分為偏振分析單元，將偏振控制系統穩定后的光信號通過1:1 耦合器接入偏振分析儀進行偏振態分析，通過邦加球可實時、直觀觀測當前光纖偏振態的變化情況。

3.2 實驗參數

激光器輸出波長為1 550.12 nm，擾偏器的干擾速率設為1 krad/s，偏振控制器4 個波片分別設為1/2 波片、1/4 波片、1/2 波片、1/4 波片。

為驗證此偏振穩定系統對信號速率、調制格式的敏感度，對信號源分別進行4 種不同的調制，分別為10 Gb/s NRZ-OOK、20 Gb/s NRZ-OOK、10 Gb/s NRZ-PSK 和40 Gb/s NRZ-PSK。

3.3 實驗結果與分析

對上述4 種不同調制格式、調制速率的信號光分別進行實驗，圖3 為偏振分析儀觀測到系統輸出光信號偏振態變化。

由圖3 觀測得，對于4 種不同調制格式、調制速率信號光，信號偏振態均由最初的雜亂無章，隨著反饋控制算法進行穩定在邦加球（1，0，0）點附近。由于邦加球為偏振態的Stocks 矢量在球坐標系中的直觀圖像，故信號光偏振態穩定在邦加球上某一點即實現了偏振態穩定控制，由此驗證了該偏振穩定系統的有效性，且該技術對光信號調制格式、調制速率透明。

圖3 偏振分析儀中光信號偏振態變化情況

4 結 語

本文提出了一種光纖通信系統中對光信號調制格式、調制速率透明的偏振穩定系統，并通過理論分析及實驗的方式，驗證了該系統的有效性。