劉紅捷,楊 名
(武漢郵電科學(xué)研究院,湖北 武漢430074)
摘 要:文章介紹了4種在高速光纖通信系統(tǒng)中抑制偏振模色散(PMD)的方法,提出了目前比較可行的措施.
關(guān)鍵詞:偏振模色散;功率代價;碼型;偏振分集接收機
隨著光纖通信系統(tǒng)中單通道速率的不斷提高,偏振模色散(PMD)的影響被認(rèn)為是超高速長途光纖通信系統(tǒng)的最終限制因素.近年來,PMD的抑制技術(shù)成為研究熱點.
1 PMD抑制技術(shù)概述
抑制PMD的技術(shù)主要有4種:通過改進光纖光纜的制作工藝降低鏈路的PMD系數(shù);利用PMD補償技術(shù);采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù);采用新的傳輸碼型.
(1) 抑制PMD的最直觀的方法是選用低PMD系數(shù)的光纖.相同長度、不同PMD系數(shù)的光纖,其PMD均值相差很大,因而對系統(tǒng)的影響也大不相同.采用APD接收時,通常認(rèn)為0.3 bit的瞬時差分群時延(DGD)對應(yīng)的功率代價為1 dB;采用PIN接收時,通常認(rèn)為0.4 bit的瞬時DGD對應(yīng)于1 dB功率代價[1].對于40 Gbit/s系統(tǒng)而言,經(jīng)過200 km不同PMD系數(shù)的光纖傳輸后,利用PMD的概率密度函數(shù)[1],通過數(shù)值積分可計算出功率代價超過1 dB的概率如表1所示.由表1可見,PMD系數(shù)越小,概率越低.采用低PMD系數(shù)的光纖能夠顯著降低功率代價超過1 dB的概率.但除光纖之外,組成光纖通信系統(tǒng)的光放大器、耦合器、隔離器及光開關(guān)等元件也會產(chǎn)生PMD,從而影響系統(tǒng)性能.
(2) PMD補償技術(shù)是近年的研究熱點.補償可分為一階補償和高階補償,一階補償主要是利用主偏振態(tài)(PSP)理論[2],分為PSP傳輸法和后置補償法兩種.而高階補償則主要是使補償網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣與光纖的傳輸矩陣正好互逆,實現(xiàn)起來比較復(fù)雜.

(3) 從原理上講,DSP技術(shù)可以對付任何形式的損傷.目前,電的DSP技術(shù)比較成熟,比較典型的有橫向濾波器技術(shù)以及在長途高速系統(tǒng)中普遍采用的前向糾錯(FEC)技術(shù).近年來,偏振分集接收機技術(shù)引起了廣泛關(guān)注.對于電DSP而言,突出的問題有兩個:第1,因這些技術(shù)均與速率相關(guān),故以后系統(tǒng)難以平滑升級;第2,高速電子器件的價格問題.
(4) 采用新的碼型,也能在一定程度上抑制PMD的影響.一般來說,RZ碼由于能量更集中,相鄰的兩個脈沖之間有一段緩沖時間,因而相對NRZ碼受一階PMD的影響較小,但因RZ碼的光譜比NRZ碼的光譜寬,因而受高階PMD的影響較NRZ碼嚴(yán)重.目前,各種改進的RZ碼技術(shù)(CSRZ、DCSRZ等)有望降低光譜寬度,從而提高系統(tǒng)的PMD容忍度.
2 抑制PMD的新技術(shù)
在ECOC2002和OFC2002中,提出了一些抑制PMD的新技術(shù).
(1) 通過分布式補償一階PMD來抑制高階PMD.該技術(shù)由朗訊公司在ECOC2002上提出[3].由于各階PMD的統(tǒng)計特性有著內(nèi)在的聯(lián)系,利用這種內(nèi)在的聯(lián)系,通過分布式補償一階PMD,就可以抑制高階PMD.對于二階PMD而言,它的DGD的均方值與一階PMD之間滿足
對于n階PMD而言,其DGD的均方值與一階PMD的關(guān)系為
顯然,我們只需要將一階PMD限制在較小的范圍內(nèi),就可以抑制高階PMD.
假設(shè)從發(fā)送到接收的整個鏈路的一階PMD的均方值為〈Δτ2〉,如果等分成N段,則每段的一階PMD滿足〈Δτ2〉i=〈Δτ2〉N,i=1,2,…,N.
分別對每段進行一階PMD補償,并假定補償不會引入高階PMD,每段引入的二階PMD滿足〈Δτ2二階〉i=〈Δτ2〉2/3N.因每段的一階PMD不再積累,故整個鏈路的二階PMD的均方值為各段引入的二階PMD之和,即∑〈Δτ2二階〉i=〈Δτ2〉2/3N.
從上式可以看出,整個鏈路的二階PMD減小為原來的1/N.其原理框圖如圖1所示.

實際上,一階PMD的補償會引入高階PMD,因而補償?shù)亩螖?shù)不能太多.
(2) 利用偏振分集接收機.其原理是不同的偏振態(tài)具有不同的噪聲特性,因而用多個接收機可以大大消除噪聲的影響[2].
信號被等分為3部分,分別送到3個支路:第1個支路通過線性偏振束分光器(LPBS),將輸入的線偏振光分成水平分量和垂直分量;第2支路先通過1/4波片將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光,再通過LPBS分成左旋分量和右旋分量;第3支路通過LPBS將光分成兩個對角(45°和-45°)的偏振光.將每個分量分別接收后再合成,選擇一路質(zhì)量較好的信號輸出.因為這里采用3對均勻分布于邦加球的偏振對,因而能夠更接近于PSP.偏振分集接收機原理框圖如圖2所示.

(3) 采用新的調(diào)制技術(shù)并綜合運用其它手段.一般認(rèn)為RZ碼由于相鄰的兩個脈沖之間有一段緩沖時間,因而對PMD有較大的容忍能力.但由于頻譜較寬,因而受高階PMD的影響較嚴(yán)重.對于RZ碼而言,若改用窄帶光接收濾波器,則可以大大減小高階PMD的影響.Masahito Tomizawa等采用CSRZ、偏振分集接收機及糾錯技術(shù)將PMD的容忍度提高到了0.48 bit[5]
3 總結(jié)
本文簡要地介紹了高速光纖通信系統(tǒng)中抑制PMD影響的方法,但具體采用何種方法,應(yīng)根據(jù)綜合成本來考慮.鑒于目前PMD補償技術(shù)不是很成熟且價格昂貴,采用新型光纖結(jié)合新的調(diào)制方式及DSP技術(shù)可能是最佳選擇.
參考文獻
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[2]Lima A O,Adali T,Lima I T,et al.Polarization diversity receiver for PMD mitigation [A]. OFC 2002 [C]. Anaheim,California:IEEE,2002.WI7.
[3]Xie Chongjin.Mitigation of higher order PMD by distributing PMD compensators in the transmission line [A].ECOC 2002 [C]. Copenhagen,Denmark:2002.
[4]Masahito Tomizawa,Yoshiaki Kisaka,Akira Hirano,etal.PMD mitigation by frequency diverse detection receiver employing errorcorrection function[A].ECOC 2002 [C]. Copenhagen,Denmark:2002.
[5]Poole C D, wangner R E.Phenomenological approach to polarization dispersion in long singlemode,fibres [J].Electron.lett.,1986,22(19):1029-1030.