高速传输系统的偏振模色散补偿技术

高 瞻， 王孝周

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京210006）

0 引言

社会信息化发展提高了人们对信息量的需求，使得光传输网络向着高速率，大容量和长距离的方向迅猛地发展[1]。系统速率的不断提升，PMD造成的影响让人们越来越重视。光纤存在的双折射现象具有随机性，并且随着时间，光频率以及环境的变化而变化，由双折射随机变化引起两偏振分量的互相耦合而导致信号脉冲展宽称为偏振模色散[2]。长距离传输使得 PMD逐渐累计并在光纤通信系统中产生偏振相关损耗、偏振相关增益等偏振效应，这些效应将导致信道衰落，有时甚至会导致长距离高速波分复用系统中某一信道信号的完全丢失。一阶偏振模色散是由差分群延时（DGD）引起的，而一阶PMD能引起二阶PMD以及高阶PMD，从而导致非线性效应，进一步限制了光纤的传输码率，因此必须要对偏振模色散进行补偿。PMD补偿方案主要是光域补偿和电域补偿，以此来讨论相应的PMD补偿方案来补偿一阶 PMD，二阶 PMD以及高阶PMD。

1 PMD补偿理论

运用泰勒公式可以把式（1）对信号频谱中心频率ω0展开：

式中：

2 光域补偿方案

光域补偿方案是直接在传输的光路上对光信号进行补偿，而且不受系统传输速率限制，补偿形式灵活多样，以下将介绍几种技术补偿方案。

2.1 PSP

PSP传输法[3]是基于PSP概念和一阶PMD效应，是一种让信号避免PMD影响的方法。该方法是在发射端插入一个PC，使得入射光的偏振态与光纤链路的任意一个PSP相同，而另一PSP则完全没有光信号，从而有效地去除一阶PMD效应，补偿原理如图1所示。

2.2 保偏光纤

保偏光纤[4-5]（PMF）属单模光纤，对其纤芯设计可以产生强烈的双折射效应，可以对两偏振模之间的时延差进行补偿，补偿原理如图2所示，图2中的光延迟线为保偏光纤（PMF）。

保偏光纤补偿技术可以补偿一，二阶 PMD，补偿效果优于一阶PMD补偿器，具体结构是由两个PC和两个PMF组成。这样两级固定延时补偿器的组合还可以产生可变的光时延，能补偿高阶的PMD[6]。其中第一组PC和PMD能对一阶PMD进行补偿，结构原理如图3所示。但是整体补偿情况随着补偿器的控制节点增加，系统和对应的算法变的更加复杂，使得补偿速度降低。还有一种两级级联方案是用两个PC后面分别加上一个由PMF构成的固定延时器和可变延时器，结构如图4所示，这样的结构具能对高阶PMD进行补偿。

2.3 光纤光栅补偿技术

光纤光栅(FBG)属于全光纤无源器件，根据信号两正交的偏振模在光栅上不同的反射位置，两个主偏振态反射的时延值不同，时延差就可以补偿PMD。非线性啁啾布拉格光纤光栅（NC-FBG）[7]能同时补偿PMD和CD，采用拉伸，挤压等方法可以调节PMD的补偿量，原理如图5所示。

将一段高双折射非线性啁啾光纤光栅（HBNC-FBG）和一段普通非线性啁啾光纤光栅结合使用可以同时补偿 CD和 PMD[8],如图 6所示。HBNC-FBG主要补偿PMD,NC-FBG用于补偿CD，两者均可调，构成的可调PMD补偿器和偏振控制器（PC）组合还能补偿高阶PMD。该方案的问题在于非线性啁啾光纤光栅的制作难度大，而且很容易受外界环境影响。

WDM 技术可以提高信道的信号传输量，但WDM每个信道的PMD各不一样，因此补偿难度较高。取样光栅是一段FBG在周期取样函数作用下得到的，在此基础上制作出高双折射取样啁啾光纤光栅[8]，其啁啾正比与傅里叶级数，因此可以选择不同取样啁啾系数就能补偿不同信道的PMD。

根据以上情况分析，光纤光栅补偿技术具有以下优点：①可调范围广，能补偿一阶，二阶以及高阶PMD；②应用面广，适用于单信道和多信道PDM补偿；③可以补偿PMD和CD，有效提高传输系统性能。

图5 光纤光栅补偿方案原理

3 电域补偿技术

电域补偿技术[9-10]主要是在接收机之前均衡整形电信号的方法。目前，电域PMD补偿方案大多数是利用成熟的电子均衡技术，其中运用到的电子均衡器结构有线性前馈横向均衡器（FFE），判决反馈均衡器(DFE)，最大似然序列估计均衡器（MLSE），结构图如图7、图8和图9所示。

线性前馈横向均衡器（FFE）是由延迟抽头单元横向排列的滤波器实现，是一种线性滤波器，优势在于可以补偿线性畸变信号，结构十分简单，易于实现。但容易引入噪声，并且随抽头数的增加而造成更加严重的线性失真，不能补偿严重非线性引起畸变的信号。

图8 判决反馈均衡器结构

图9 最大似然序列估计均衡器

判决反馈均衡器（DFE）是一种非线性滤波器，在线性均衡器的基础上增加了反馈支路，提高均衡性能。DFE结构最主要的问题就是错误传播，对信息的不正确判决反馈会影响未来信息的判决。

最大似然序列估计均衡器[10]（MLSE）是一种非线性均衡技术，它利用信道特性对一切假设可能发射序列，然后比较实际接收序列，以此找出与接收序列最为接近的假设序列。MLSE是对整个码元序列进行判决，抗干扰性能好，色散补偿性能好。

从总体上看，电域补偿技术成熟，相应的均衡器成本低并且容易与接收机集成等一系列特点，而且电子均衡还能对信号的色度色散（CD）和非线性造成的损伤进行一定的补偿。

由于电子器件相应时间的限制，电补偿器一般用于小于10 Gb/s的系统中。

4 结语

在高速长距离的光纤传输系统中，PMD的影响越来越显著，对已有的光纤传输系统的PMD补偿技术进行了综述，比较了光域和电域PMD补偿技术的优劣，指出了电域补偿技术受电子“瓶颈”影响再难有更好的发展。根据目前PMD补偿技术的发展趋势，光域补偿技术不受系统码率限制，能更好地解决高速光纤传输系统中的PMD补偿问题。光传输网的码率不断提升，系统色散的容忍度会越来越小，对PMD和CD的补偿要求更高以及控制度会更加复杂，光纤光栅技术能同时调节CD和PMD，这对高速传输系统就显得尤为重要。通过对比几种光域补偿技术，光纤光栅技术更易于集成，补偿度可调范围大，适用于单信道和多信道PMD补偿，插入损耗低，实用性强，因此最具发展潜力。

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