高速傳輸系統的偏振模色散補償技術

高 瞻， 王孝周

（江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京210006）

0 引言

社會信息化發展提高了人們對信息量的需求，使得光傳輸網絡向著高速率，大容量和長距離的方向迅猛地發展[1]。系統速率的不斷提升，PMD造成的影響讓人們越來越重視。光纖存在的雙折射現象具有隨機性，并且隨著時間，光頻率以及環境的變化而變化，由雙折射隨機變化引起兩偏振分量的互相耦合而導致信號脈沖展寬稱為偏振模色散[2]。長距離傳輸使得 PMD逐漸累計并在光纖通信系統中產生偏振相關損耗、偏振相關增益等偏振效應，這些效應將導致信道衰落，有時甚至會導致長距離高速波分復用系統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，從而導致非線性效應，進一步限制了光纖的傳輸碼率，因此必須要對偏振模色散進行補償。PMD補償方案主要是光域補償和電域補償，以此來討論相應的PMD補償方案來補償一階 PMD，二階 PMD以及高階PMD。

1 PMD補償理論

運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 光域補償方案

光域補償方案是直接在傳輸的光路上對光信號進行補償，而且不受系統傳輸速率限制，補償形式靈活多樣，以下將介紹幾種技術補償方案。

2.1 PSP

PSP傳輸法[3]是基于PSP概念和一階PMD效應，是一種讓信號避免PMD影響的方法。該方法是在發射端插入一個PC，使得入射光的偏振態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，補償原理如圖1所示。

2.2 保偏光纖

保偏光纖[4-5]（PMF）屬單模光纖，對其纖芯設計可以產生強烈的雙折射效應，可以對兩偏振模之間的時延差進行補償，補償原理如圖2所示，圖2中的光延遲線為保偏光纖（PMF）。

保偏光纖補償技術可以補償一，二階 PMD，補償效果優于一階PMD補償器，具體結構是由兩個PC和兩個PMF組成。這樣兩級固定延時補償器的組合還可以產生可變的光時延，能補償高階的PMD[6]。其中第一組PC和PMD能對一階PMD進行補償，結構原理如圖3所示。但是整體補償情況隨著補償器的控制節點增加，系統和對應的算法變的更加復雜，使得補償速度降低。還有一種兩級級聯方案是用兩個PC后面分別加上一個由PMF構成的固定延時器和可變延時器，結構如圖4所示，這樣的結構具能對高階PMD進行補償。

2.3 光纖光柵補償技術

光纖光柵(FBG)屬于全光纖無源器件，根據信號兩正交的偏振模在光柵上不同的反射位置，兩個主偏振態反射的時延值不同，時延差就可以補償PMD。非線性啁啾布拉格光纖光柵（NC-FBG）[7]能同時補償PMD和CD，采用拉伸，擠壓等方法可以調節PMD的補償量，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合使用可以同時補償 CD和 PMD[8],如圖 6所示。HBNC-FBG主要補償PMD,NC-FBG用于補償CD，兩者均可調，構成的可調PMD補償器和偏振控制器（PC）組合還能補償高階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境影響。

WDM 技術可以提高信道的信號傳輸量，但WDM每個信道的PMD各不一樣，因此補償難度較高。取樣光柵是一段FBG在周期取樣函數作用下得到的，在此基礎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，因此可以選擇不同取樣啁啾系數就能補償不同信道的PMD。

根據以上情況分析，光纖光柵補償技術具有以下優點：①可調范圍廣，能補償一階，二階以及高階PMD；②應用面廣，適用于單信道和多信道PDM補償；③可以補償PMD和CD，有效提高傳輸系統性能。

圖5 光纖光柵補償方案原理

3 電域補償技術

電域補償技術[9-10]主要是在接收機之前均衡整形電信號的方法。目前，電域PMD補償方案大多數是利用成熟的電子均衡技術，其中運用到的電子均衡器結構有線性前饋橫向均衡器（FFE），判決反饋均衡器(DFE)，最大似然序列估計均衡器（MLSE），結構圖如圖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現，是一種線性濾波器，優勢在于可以補償線性畸變信號，結構十分簡單，易于實現。但容易引入噪聲，并且隨抽頭數的增加而造成更加嚴重的線性失真，不能補償嚴重非線性引起畸變的信號。

圖8 判決反饋均衡器結構

圖9 最大似然序列估計均衡器

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上增加了反饋支路，提高均衡性能。DFE結構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。

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

從總體上看，電域補償技術成熟，相應的均衡器成本低并且容易與接收機集成等一系列特點，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行一定的補償。

由于電子器件相應時間的限制，電補償器一般用于小于10 Gb/s的系統中。

4 結語

在高速長距離的光纖傳輸系統中，PMD的影響越來越顯著，對已有的光纖傳輸系統的PMD補償技術進行了綜述，比較了光域和電域PMD補償技術的優劣，指出了電域補償技術受電子“瓶頸”影響再難有更好的發展。根據目前PMD補償技術的發展趨勢，光域補償技術不受系統碼率限制，能更好地解決高速光纖傳輸系統中的PMD補償問題。光傳輸網的碼率不斷提升，系統色散的容忍度會越來越小，對PMD和CD的補償要求更高以及控制度會更加復雜，光纖光柵技術能同時調節CD和PMD，這對高速傳輸系統就顯得尤為重要。通過對比幾種光域補償技術，光纖光柵技術更易于集成，補償度可調范圍大，適用于單信道和多信道PMD補償，插入損耗低，實用性強，因此最具發展潛力。

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