基于脈沖位置調制系統的偏振模色散監測方案

王梓驍，羅風光，李 斌，胡杭聽，楊帥龍

(華中科技大學 光學與電子信息學院， 武漢 430074)

基于脈沖位置調制系統的偏振模色散監測方案

王梓驍，羅風光*，李 斌，胡杭聽，楊帥龍

(華中科技大學 光學與電子信息學院， 武漢 430074)

為了實現對脈沖位置調制傳輸系統光纖信道中偏振模色散的動態監測，提出了一種新型偏振膜色散監測方案，并基于監測原理構建了數學模型。該方案基于單邊帶內不同偏振信號相位差實現，具有結構簡單、易于實現、成本低等優點。結果表明，本方案可以實現對光信號的差分群延時與偏振態的動態監測，即當差分群延時在0ps～100ps范圍內時，可準確監測；同時證實了其與信號速率關系較小，能夠適應不同速率的系統，且可對脈沖位置調制傳輸系統的偏振模色散進行實時動態監測。該方案是一個高效可行的偏振模色散監測方案。

光通信；偏振膜色散監測；光纖信道；單邊帶；相位差

引 言

信息時代的到來，使得人們對于高速通信系統的要求越來越迫切。光通信系統憑借其高速率、大容量、低損耗、抗干擾、保密性強和材料來源充足等優勢，在通信領域得到廣泛應用。然而在超高速光傳輸鏈路中，偏振模色散(polarization mode dispersion，PMD)效應極大地限制了系統性能[1]。傳統的PMD監測方案無法滿足高速傳輸鏈路的要求[2]，因此光性能監測成為一個熱點問題[3-6]。 PMD監測解決方案可以分為主動式和被動式[7]。被動式主要是采用特殊的傳輸方式和高級調制格式等方式，提高系統的PMD容限，以盡量降低PMD效應對系統性能的影響；但被動式方案難以起到良好的監測效果，故而研究者多采用主動式補償方案。

由于PMD是隨機變化的，并且對于環境變化十分敏感，因此必須進行動態補償才能達到理想的效果。對實時的PMD動態監測的研究具有重要的意義。大多PMD補償方案都是基于反饋調節以實現動態的補償，這使得PMD補償變得異常復雜。基于反饋調節補償的PMD補償方案主要有：頻譜分析法、眼圖法、相位差法、副載波導頻法等[8-13]。頻譜分析法分為單頻法和頻帶法，前者不適用于傳輸速率較高的傳輸系統；后者通用性差，升級困難。眼圖法缺點是當信號的誤比特率較低時，對差分群延時探測的靈敏度不足，難以適應高速鏈路下PMD監測的要求。相位差法監測范圍較小，對較大的PMD或者較小的PMD難以進行有效監測。副載波導頻法是基于性能最差的信道進行補償，因此對于其它信道補償效果難以保證。

本文中研究的主要目的是進行鏈路PMD實時監測，以此給動態補償提供補償[14-15]依據。因此作者提出了一種基于單邊帶頻譜內不同偏振信號相位差的PMD監測方案，針對脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)系統的1階PMD進行實時監測。仿真結果表明,該方案對于PMD的實時監測，受鏈路速率的影響較小，適應性較好,且該方案結構簡單、對器件性能要求低、監測范圍相對較廣、能有效降低PMD實時監測的成本。

1 PMD監測原理

圖1為PMD對可調諧激光器[16]產生的光信號的脈沖影響示意圖。PMD會造成不同偏振信號間的時延，進而使脈沖展寬，最終降低系統傳輸性能。在高速通信系統中，1階PMD效應是造成的傳輸性能劣化的主要原因，因此本文中針對1階PMD效應的監測提出了一種有效的方案。PMD效應對信號的影響主要是改變信號的相位值，通常情況下，會用光纖中不同偏振信號的群時延差來表示光纖中PMD的大小，即差分群延時(differential group delay， DGD)。基于單邊帶頻譜內不同偏振信號相位差的PMD監測方案，其原理為通過計算不同偏振光信號的相位差值，以實現PMD監測的目的。

Fig.1 The impact of PMD on optical signal

本文中所提出的監測系統原理如圖2所示。首先通過馬赫-曾德爾調制器將產生的PPM調制信號調制到光載波上，然后使用PMD模擬器對信號加載DGD，以模擬PMD對信號的影響。再通過偏振分離器(polarizing beam splitter，PBS)分離出快軸(F軸)、慢軸(S軸)的光信號，使信號被探測器接收。探測器輸出的電信號最終被分成兩路，分別與I路和Q路的本振射頻信號混頻，并通過低通濾波器 (low-pass filter，LPF)

Fig.2 PMD monitoring system for PPM signal

濾出下混頻信號，最后經模數轉換(analog to digital converter,ADC)后，將采樣數據輸入數字信號處理(digital signal processing，DSP)。通過DSP對信號進行處理，最終計算出F軸偏振信號與S軸偏振信號的相位差Δφ。由于系統的DGD與Δφ線性相關，因此，最終可以實現對PMD的監測。

由PMD效應所造成的不同偏振方向信號的相位差Δφ為[1]：

式中,ΔφS是慢軸信號與載波間的相位差，ΔφF是快軸信號與載波間的相位差，IIS是S軸電信號與I路本振射頻信號混頻后信號的幅值，IQS是S軸電信號與Q路本振射頻信號混頻后信號的幅值，IIF是F軸電信號與I路本振射頻信號混頻后信號的幅值，IQF是F軸電信號與Q路本振射頻信號混頻后信號的幅值。

2 仿真實驗與分析

基于OPTISYSTEM 14和MATLAB 2014a對本方案進行仿真。仿真系統首先通過脈沖位置調制信號產生器生成PPM信號，然后通過馬赫-曾德爾調制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)將信號調制到光域上，產生調制光信號。調制光信號先通過摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)實現增益，以應對之后鏈路中的功率衰減，并摻入噪聲。然后通過PMD模擬器加載不同的差分群延時值，模擬PMD對光信號的影響。之后光信號通過可調光濾波器，選取對應信道的單邊帶光譜。最后，可調光濾波器所濾出的光信號，通過PBS來實現不同偏振信號的分離。分離后不同偏振的信號分別與本振射頻信號混頻，通過LPF濾出下混頻信號，最后將采樣數據輸入MATLAB，計算出F軸偏振信號與S軸偏振信號的相位差Δφ。

2.1 10Gbit/s傳輸鏈路的仿真實驗

10Gbit/s速率下仿真實驗系統關鍵參量如下：連續光源的中心頻率設定為193.1THz，線寬為10MHz，發射功率為3dBm； EDFA增益設置為20dB；可調諧濾波器的半波帶寬為10GHz；本振射頻信號頻率為3GHz；低通濾波器3dB截止頻率為10MHz；PMD模擬器加載的色度色散為85ps/nm，并分別加載不同的DGD。可以通過觀測不同差分群延時下的PPM系統性能，以及所測得的F軸與S軸信號的相位差來驗證本方案的正確性。

圖3為接收端在不同DGD值下的眼圖。圖4為不同DGD值對應的系統最大Q值曲線圖。根據眼圖可知，系統傳輸性能隨著DGD值的增大不斷變差。當DGD值為0ps時，眼圖的眼開度很高，表示此時系統傳輸性能良好。當DGD值不斷增大后，眼開度不斷變小，說明PMD效應對PPM信號性能的影響越來越強。根據Q值曲線圖，總體上看，系統最大Q值隨著DGD值的增大而減小，且在DGD處于15ps至30ps間迅速下降；隨后Q值減小的速度放緩，當DGD值為60ps時，系統最大Q值降為0，此時的系統傳輸性能已經很差了。

Fig.3 Eye diagram of different DGD at the rate of 10Gbit/s

Fig.4 Q vs. DGD at the rate of 10Gbit/s

圖5為不同DGD下F軸與S軸相位差Δφ絕對值的曲線。雖然相位差Δφ的符號反映的是F軸與S軸中哪個軸的信號滯后的情況，但在實際應用中，F軸和S軸是難以分辨的。因此選取PBS的一個輸出軸作為參考，將其視作F軸，并以此計算相位差，取相位差Δφ的絕對值進行分析即可。前面對于PMD監測的原理分析提到了，Δφ與DGD線性相關。由圖可知，Δφ的絕對值隨著DGD的增大近似線性遞增，與理論相符。這表明，本方案可以實現對0ps～100ps范圍內PMD的監測。

Fig.5 Δφ vs.DGD at the rate of 10Gbit/s

2.2 40Gbit/s傳輸鏈路的仿真實驗

40Gbit/s速率下仿真實驗系統的關鍵參量如下：連續光源的中心頻率設定為193.1THz，線寬為10MHz，發射功率為3dBm； EDFA增益設置為20dB；可調諧濾波器的半波帶寬為10GHz；本振射頻信號頻率為3GHz；低通濾波器3dB截止頻率為10MHz； PMD模擬器加載的色度色散為10ps/nm，并分別加載不同的DGD。

圖6為接收端在不同DGD值下的眼圖。圖7為不同DGD值對應的系統最大Q值曲線圖。很明顯，在相同DGD值下，40Gbit/s系統眼圖的品質均不如10Gbit/s系統，這表明在速率更高的條件下，PPM信號傳輸性能更容易受色散的影響。由Q值曲線可知，40Gbit/s鏈路的系統最大Q值始終隨DGD的增大快速下降。當DGD為16ps時，系統最大Q值已降為0。以上現象說明，40Gbit/s傳輸鏈路的性能劣化速度要遠遠大于10Gbit/s傳輸鏈路。這是因為隨著傳輸速率的增大，系統的色散容限會相應減小。

Fig.6 Eye diagram of different DGD at the rate of 40Gbit/s

Fig.7 Q vs. DGD at the rate of 40Gbit/s

圖8為不同DGD下F軸與S軸相位差Δφ絕對值的曲線。由圖可知，Δφ的絕對值隨著DGD的增大幾乎線性增加，其線性程度依然保持得較好。這說明本方案受PPM傳輸速率影響較小，適用性廣，可以實現不同傳輸速率系統的PMD在線監測。

Fig.8 Δφ vs. DGD at the rate of 40Gbit/s

3 結 論

提出了針對PPM調制信號的偏振模色散監測方案，對其基本原理進行了分析，并進行了仿真驗證與實驗分析。該方案采用單邊帶頻譜內兩個偏置信號的位相差來測量光纖鏈路中的PMD，可以實現范圍在0ps～100ps內的PMD監測。因為實際情況下，鏈路中的PMD不會無限累加，故本方案可以監測大部分情形下的PMD，而且其實現過程相對簡單，無需加載額外信號，對器件性能要求較低，測量結果受信號速率影響較小，適應性好。本方案能實現針對PPM系統的實時動態監測。

[1] LI B. Investigation of dispersion monitoring technology for ultra-high speed optical transmission link [D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012: 75-102 (in Chinese).

[2] ZHANG L, CHRISTEN L C, ZHANG B,etal. Polarization-mode dispersion monitoring for phase-modulated signals using DGD-genera-ted interferometric filter [J]. IEEE Photonics Technology Letters,

[3] DENG N, CHAN C K, CHEN L K. A hybrid OTDM scheme with enhanced demultiplexing performance[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2007, 19(19):1454-1456.

[4] ZHAO J, CHEN L K, CHAN C K. A novel re-modulation scheme to achieve colorless high-speed WDM-PON with enhanced tolerance to chromatic dispersion and re-modulation misalignment[C]// Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2007. New York， USA: IEEE, 2007:1-3.

[5] LEE J H, YOSHIKANE N, TSURITANI T,etal. In-band OSNR monitoring technique based on link-by-link estimation for dynamic transparent optical networks[J]. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(10):1217-1225.

[6] LEE J H, GUO H, TSURITANI T,etal. Field trial of all-optical networking controlled by intelligent control plane with assistance of optical performance monitors[J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(2):94-100.

[7] GRUPP W. Monitoring requirements for optical transparent networks[C]// Optical Fiber Communication Conference, 2006 and the 2006 National Fiber Optic Engineers Conference. New York， USA: IEEE, 2006:OWN5.

[8] FLORIDIA C, SIMES G C, FERES M M,etal. Simultaneous optical signal-to-noise ratio and differential group delay monitoring based on degree of polarization measurements in optical communications systems[J]. Applied Optics, 2012, 51(17):3957-3965.

[9] YANG J, YU C, CHENG L,etal. CD-insensitive PMD monitoring based on RF power measurement.[J]. Optics Express, 2011, 19(2):1354-1359.

[10] BUCHALI F, BAUMERT W, BULOW H,etal. A 40Gb/s eye monitor and its application to adaptive PMD compensation[C]// Optical Fiber Communication Conference and Exhibit. New York， USA: IEEE,2002:202-203.

[11] LI Z, LI G. In-line performance monitoring for RZ-DPSK signals using asynchronous amplitude histogram evaluation[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(3):472-474.

[12] KOZICKI B, TAKUYA O, HIDEHIKO T. Optical performance monitoring of phase-modulated signals using asynchronous amplitude histogram analysis[J].Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(10):1353-1361.

[13] JARGON J A, WU X, WILLNER A E. Optical performance monitoring by use of artificial neural networks trained with parameters derived from delay-tap asynchronous sampling[C]// Optical Fiber Communication—Incudes Post Deadline Papers, 2009. New York， USA: IEEE,2009:1-3.

[14] HE Ch, LUO F G, LI B. Dispersion measuring technique based on second order lowest power of radio frequency signal[J]. Laser Technology, 2017,41(2):169-173 (in Chinese).

[15] CAO X. Optimization of dispersion compensation in optical fiber communication systems[J]. Laser Technology, 2014,38(1):101-104 (in Chinese).

[16] HU J B, LI M P. Design of novel tunable semiconductor lasers in optical fiber communication systems[J]. Laser Technology, 2016,40(2):280-283 (in Chinese).

Monitoringschemeofpolarizationmodedispersionbasedonpulsepositionmodulationsystem

WANGZixiao，LUOFengguang，LIBin，HUHangting，YANGShuailong

(School of Optoelectronic and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to monitor polarization mode dispersion (PMD) of the fiber communication channel in a pulse position modulation (PPM) transmission system dynamically, a novel PMD monitoring method was proposed based on single sideband polarization phase difference detection technology, and the mathematical model of the method was built in accordance with monitoring principle. The structure of the method was simple, so it can be realized easily at very low cost. The simulation results indicate that the method can realize dynamic PMD monitoring including differential group delay (DGD) and polarization state of output light, and the technique can monitor DGD accurately in the range of 0ps to 100ps. It is proved that the operation of proposed PMD monitor method is independent of data rates, which shows the proposed method can satisfy the need of real time PMD monitoring for PPM transmission systems. It indicates that the proposed method is feasible and effective for PMD monitoring.

optical communication；polarization mode dispersion monitoring；fiber communication channel；single sideband；phase difference

1001-3806(2018)01-0001-04

國家自然科學基金資助項目(61471179；61301226)；國家八六三高技術研究發展計劃資助項目(2015AA016904)

王梓驍(1991-)，男，碩士研究生，主要從事光通信網相關技術的研究。

*通訊聯系人。E-mail：fgluo@mail.hust.edu.cn

2017-03-24；

2017-04-01

TN929.11

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.001