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.
