光纖傳輸系統中的PMD效應及其補償分析

宋家麟

（中國電信股份有限公司庫爾勒長途傳輸分局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引 言

現階段，隨著通信事業的不斷發展，用戶對通信容量的需求逐漸增加。光纖統一以高速率通信為主體，在速率、容量以及距離等方面具有更大優勢。在以往低速通信中，PMD很少受到重視。而在高速光纖通信中，該技術的作用和優勢可得到充分發揮，對PMD補償方式的研究也顯得十分重要。

1 PMD簡介與效應分析

偏振模色散（PMD）屬于光信號基本特性之一，是指光信號中電場矢量取向，與光纖長度存在緊密聯系。在波長固定的情況下，信號能量可分為兩個正交偏振模。因雙折射度不同，兩者在傳播速率方面有所不同，且在偏振方面也會發生旋轉，產生時延差Δτ。該因素會影響脈沖展寬，即PMD。當時延之差較大時，光脈沖可能迅速展寬與相鄰脈沖重疊，影響接收機判決科學性，即受錯誤信息影響使光纖信息承載量受到限制，使光纖傳輸系統的速率隨之受限。假設Vgx代表一個偏振模，Vgv代表另一個偏振模，兩者在經過距離L后產生的時延之差用Δτpol表示。該數值的計算公式為：

雙折射效應的產生與溫度之間存在較大聯系，因此PMD的變化具有隨機性，可通過Δτpol表示。采用式（2）獲取期望值〈Δτpol〉：

式中，DPMD代表的是PMD數值平均值，單位為PMD的數值受光纜所處環境的影響，其均值變化區間為0.03～1.30同時，期望值與時間、光源因素之間不存在聯系。

在光纖網絡中，電磁波包括兩項內容，即HEx與HEy。兩者共同形成基礎模型，即偏振模。實際應用中，受多種因素影響，大部分時間無法達到理想狀態，光纖狀態總是變化。例如，在成纜鋪設時，很可能受到外力作用影響使光纖內部產生多種應力，影響光纖的理想性，材料密度不再均勻，不同方向的密度產生差異，影響光纖在不同介質、方向中的折射率而產生雙折射情況；HEx與HEy的傳輸速度不同，形成差分群時延即PMD，對傳輸信號質量產生極大的不良影響。此外，時延的存在還會使激光脈沖形態發生改變，使脈沖展寬和變形。此種變化無法接收和識別光信號而生成誤碼，對此應采取有效措施對光纖系統進行PMD效應補償[1]。

2 光纖傳輸系統中PMD的補償設計

2.1 兩級級聯補償

在光纖通信過程中，可在發射端或者接收端對PMD進行補償。一般情況下，前置補償法是指利用PC控制器調整偏振態，后置法是指采用PC控制器與延遲線相結合來完成。工作過程中，利用反饋控制的方式動態調整PC，使系統性能達到最佳狀態。但是，上述方法僅限于對一階PMD進行補償。對于高階PMD來說，提出可采用多段固定DCG延遲線補償法。由于此種方式較為復雜，需采用多種反饋控制變量來實現，因此實施兩級級聯高階PMD補償方案。從PMD效應可知，傳輸光纖在斯托克斯空間中可利用PMD矢量Ω(w)表示。在后置補償過程中，系統中的PMD矢量可表示為：

式中，Ω(w)代表補償器中的矢量，因此通過調節該因素，使Ω(w)與-Ω(w)相同，便可實現一階PMD的補償，但無法滿足二階PMD補償。當時，可體現出二階PMD中PSP在補償中的主導作用。根據上述理論，研究一種兩級級聯高階PMD補償器，其中一階采用固定DGD延遲線對二階PDM進行補償，二階中采用DGD延遲線對一階PMD進行補償，在整體補償器中安裝PC控制器，實現對光信號偏振態的控制，將DGD延遲線輸入PC中，并用λ/2波片來替代[2]。

2.2 瓊斯矩陣補償

根據高階PMD定義可知，補償方案的制定應對不同階PMD相結合后實施補償。某學者曾開展實驗，將一階PMD與高階分離開進行補償，實施獨立控制。在帶寬固定的情況下，采用光纖傳輸矩陣對旋轉軸進行定義，使其朝著恒定速率的方向旋轉。為了提高高階PMD的補償效率，應對旋轉軸的運動進行補償。此種高階PMD補償器可利用瓊斯矩陣的形式表示：

式中，w代表離中心載頻的頻率偏移；R代表歸一化的瓊斯矩陣，主要負責在空間中促進矢量旋轉；r代表時延；K代表矩陣中旋轉軸的速率。從上述矩陣可知，可采用偏振控制器PC1實現，第二與第四矩陣中采用控制器PC2、合成器、延遲線來實現，使偏振態得到轉變，完善預先確定的查找表。運行過程中，利用微調等形式使延遲K與τ發生改變，不會影響偏振態，此時R-1(wK)便可與一階補償相互分離。具體算法：首先，使K的數值為0，采用PC1與延遲線τ的方式對一階PMD進行補償；其次，調整R-1(wK)，完成對高階PMD的補償。在上述補償方案中，對各個變量的控制與反饋信息的提取與補償器幾乎相同[3]。

2.3 電域補償

在電域補償方面，主要原理為將兩偏振模信號分離開來，用延遲線對其進行延時補償。針對反饋回路進行控制，消除兩偏振模間的時延之差，最終混合輸出補償后的偏振模信號。此過程中，需要解決兩方面問題：一是反饋信號的提取，二是PMD補償。前者主要是從接收端中對PMD相關信息進行檢測，利用射頻電功率進行信息反饋，將被檢測的電功率信號轉變為控制信號，以此控制補償器，使PMD受到的影響盡量降低；后者主要采用固定長度保偏光纖來實現。補償器中，PC控制器主要采用多片電控式結構。當電壓數值發生變化時，波片相位將出現一定延遲，并快速使偏振態的狀態發生轉變，從輸入狀態轉變為輸出狀態，充分滿足PMD的補償要求。當補償光纖的類型為高雙折射率光纖時，反饋的信息是對光探測信號進行放大或者縮小后進行電壓檢測的信號。算法方面，按照輸入信號幅度的變化形成電壓信號，將其應用到偏振控制器中，使光偏振態的算法發生改變，從中尋找到最佳值，使信號展寬縮到最小，達到補償的目標。

2.4 光域補償

傳輸過程中，該技術針對光域中的受損信號進行補償。假設光纖鏈路中PMD利用函數M(w)表示，光域補償器中用變換函數M-1(w)表示，使二者相乘的數值為1。在光域補償中，主要包括主態不常態與時延線補償法兩種。前者的補償原理為偏振控制器順著信號主態方向偏振分量朝著通光方向轉變，可將正交方向的偏振分量過濾出去實現PMD補償；后者則只需一個一階補償器，可對一階PMD進行補償，時延線可以固定不變。對于二階段補償器來說，主要包括雙折射時延線與偏振控制器，可對二階PMD進行補償。從實驗可知，二階補償器可不斷對一階進行補償，還可實現二階PMD中的去偏振項[4]。

3 自適應PMD補償器的設計與實現

從PMD隨機特性可知，PMD補償系統中包括多個部分，即補償單元、邏輯控制單元與在線檢測單元。其中，補償單元包括差分群時延線、偏振控制器等，可調整信號偏振方向，使其始終處于主態方向中，順著主態方向完成傳輸活動；時延線的主要作用在于對差分群時延進行調整，實現PMD補償；在線檢測單元的作用主要在于監測光信號偏振態，利用系統反饋信號輸送到邏輯控制單元，借助該單元進行PMD信息采集，調整電控PC與時延線，實現信號PMD的補償。

3.1 系統設計

3.1.1 補償單元

該部分主要包括PC與時延線兩項內容。補償單元中包括一階與二階補償器，前者屬于鏈路中的一階PMD，后者則可對鏈路中一階與二階中的垂直分量進行補償。單元中的段數越多，補償效果越佳，自由度也隨之增加，響應時間縮短。在應用過程中，補償量與響應速度之間可實現平衡。

3.1.2 在線檢測單元

該單元主要包括DSP數據處理、A/D轉換單元以及在線檢偏器等，以檢偏器為核心，主要作用在于有效監測鏈路中的SOP，按照監測中獲取的SOP計算DOP數值，依靠控制單元調控PC中的驅動電壓，以實現PMD的補償目標。

3.1.3 邏輯控制單元

該單元是補償系統的核心所在，相當于人類的大腦。根據該單元中的反饋信息，利用粒子群優化算法，對當前鏈路中的最優DOP進行搜索與跟蹤，將結果傳遞到補償單元，實現對PMD的自適應補償[5]。

3.2 補償實驗

3.2.1 樣機系統

本次實驗中，采用自適應PMD補償器，如圖1所示。

圖1 PMD補償系統裝置

3.2.2 實驗裝置

該系統包括補償器、模擬器、發射機以及接收機等。實驗過程中，利用10 Gb/s XFP光電轉換板卡。在光路中對不同長度延時后，得出速率為10 Gb/s時的驅動電壓，利用其對平行調制器的兩臂進行驅動，形成20 Gb/s NRZ-DQPSK調制信號。調制完畢后，在PMD模擬器的作用下產生PMD，經過光帶通濾波后將其傳送到光纖鏈路中。在接收端，利用自制的PMD補償器對光信號進行補償，將補償完畢的信號傳輸到解調器中平衡接收，最終采用高速示波器檢測PMD補償器的補償效果。

3.2.3 實驗結果

構建20 Gb/s的調制系統，在信號傳輸完畢后開展OMD補償實驗，繪制背靠背眼圖，顯示出直接將信號從發射端傳輸到接收端后觀測到的情況；繪制補償前眼圖，顯示在經過960 km光纖傳輸后，在補償前觀測到的信號情況；繪制補償后眼圖，顯示在經過960 km傳輸后，完善補償后觀測到的信號情況。

從實驗結果可知：在調制系統中，補償之前眼圖中含有過沖情況，補償完畢后眼圖中眼睛已經張開，說明設計的MD補償器能夠對PMD進行有效補償；在性能指標方面，PMD補償器可跟蹤信號，偏振態變化為65 rad/s；在1 dB OSNR情況下，可使系統容限增加26 ps，補償相應時間不超過1 ms，平均補償時間不超過8 ms。

4 結 論

綜上所述，本文簡要分析PMD效應，提出兩級級聯補償、瓊斯矩陣補償、電域補償以及光域補償等應用措施，最后構建調制系統。針對自適應PMD補償器開展實驗探究，從實驗結果可知：在不陷入局部極值的情況下，該補償器可跟蹤信號的變化為65 rad/s，與以往相比，系統容限增加26 ps，響應時間與平均補償時間明顯縮短，證明該補償器具有實用性與可行性。