光纤传输系统中的PMD效应及其补偿分析

宋家麟

（中国电信股份有限公司库尔勒长途传输分局，新疆 库尔勒 841000）

0 引 言

现阶段，随着通信事业的不断发展，用户对通信容量的需求逐渐增加。光纤统一以高速率通信为主体，在速率、容量以及距离等方面具有更大优势。在以往低速通信中，PMD很少受到重视。而在高速光纤通信中，该技术的作用和优势可得到充分发挥，对PMD补偿方式的研究也显得十分重要。

1 PMD简介与效应分析

偏振模色散（PMD）属于光信号基本特性之一，是指光信号中电场矢量取向，与光纤长度存在紧密联系。在波长固定的情况下，信号能量可分为两个正交偏振模。因双折射度不同，两者在传播速率方面有所不同，且在偏振方面也会发生旋转，产生时延差Δτ。该因素会影响脉冲展宽，即PMD。当时延之差较大时，光脉冲可能迅速展宽与相邻脉冲重叠，影响接收机判决科学性，即受错误信息影响使光纤信息承载量受到限制，使光纤传输系统的速率随之受限。假设Vgx代表一个偏振模，Vgv代表另一个偏振模，两者在经过距离L后产生的时延之差用Δτpol表示。该数值的计算公式为：

双折射效应的产生与温度之间存在较大联系，因此PMD的变化具有随机性，可通过Δτpol表示。采用式（2）获取期望值〈Δτpol〉：

式中，DPMD代表的是PMD数值平均值，单位为PMD的数值受光缆所处环境的影响，其均值变化区间为0.03～1.30同时，期望值与时间、光源因素之间不存在联系。

在光纤网络中，电磁波包括两项内容，即HEx与HEy。两者共同形成基础模型，即偏振模。实际应用中，受多种因素影响，大部分时间无法达到理想状态，光纤状态总是变化。例如，在成缆铺设时，很可能受到外力作用影响使光纤内部产生多种应力，影响光纤的理想性，材料密度不再均匀，不同方向的密度产生差异，影响光纤在不同介质、方向中的折射率而产生双折射情况；HEx与HEy的传输速度不同，形成差分群时延即PMD，对传输信号质量产生极大的不良影响。此外，时延的存在还会使激光脉冲形态发生改变，使脉冲展宽和变形。此种变化无法接收和识别光信号而生成误码，对此应采取有效措施对光纤系统进行PMD效应补偿[1]。

2 光纤传输系统中PMD的补偿设计

2.1 两级级联补偿

在光纤通信过程中，可在发射端或者接收端对PMD进行补偿。一般情况下，前置补偿法是指利用PC控制器调整偏振态，后置法是指采用PC控制器与延迟线相结合来完成。工作过程中，利用反馈控制的方式动态调整PC，使系统性能达到最佳状态。但是，上述方法仅限于对一阶PMD进行补偿。对于高阶PMD来说，提出可采用多段固定DCG延迟线补偿法。由于此种方式较为复杂，需采用多种反馈控制变量来实现，因此实施两级级联高阶PMD补偿方案。从PMD效应可知，传输光纤在斯托克斯空间中可利用PMD矢量Ω(w)表示。在后置补偿过程中，系统中的PMD矢量可表示为：

式中，Ω(w)代表补偿器中的矢量，因此通过调节该因素，使Ω(w)与-Ω(w)相同，便可实现一阶PMD的补偿，但无法满足二阶PMD补偿。当时，可体现出二阶PMD中PSP在补偿中的主导作用。根据上述理论，研究一种两级级联高阶PMD补偿器，其中一阶采用固定DGD延迟线对二阶PDM进行补偿，二阶中采用DGD延迟线对一阶PMD进行补偿，在整体补偿器中安装PC控制器，实现对光信号偏振态的控制，将DGD延迟线输入PC中，并用λ/2波片来替代[2]。

2.2 琼斯矩阵补偿

根据高阶PMD定义可知，补偿方案的制定应对不同阶PMD相结合后实施补偿。某学者曾开展实验，将一阶PMD与高阶分离开进行补偿，实施独立控制。在带宽固定的情况下，采用光纤传输矩阵对旋转轴进行定义，使其朝着恒定速率的方向旋转。为了提高高阶PMD的补偿效率，应对旋转轴的运动进行补偿。此种高阶PMD补偿器可利用琼斯矩阵的形式表示：

式中，w代表离中心载频的频率偏移；R代表归一化的琼斯矩阵，主要负责在空间中促进矢量旋转；r代表时延；K代表矩阵中旋转轴的速率。从上述矩阵可知，可采用偏振控制器PC1实现，第二与第四矩阵中采用控制器PC2、合成器、延迟线来实现，使偏振态得到转变，完善预先确定的查找表。运行过程中，利用微调等形式使延迟K与τ发生改变，不会影响偏振态，此时R-1(wK)便可与一阶补偿相互分离。具体算法：首先，使K的数值为0，采用PC1与延迟线τ的方式对一阶PMD进行补偿；其次，调整R-1(wK)，完成对高阶PMD的补偿。在上述补偿方案中，对各个变量的控制与反馈信息的提取与补偿器几乎相同[3]。

2.3 电域补偿

在电域补偿方面，主要原理为将两偏振模信号分离开来，用延迟线对其进行延时补偿。针对反馈回路进行控制，消除两偏振模间的时延之差，最终混合输出补偿后的偏振模信号。此过程中，需要解决两方面问题：一是反馈信号的提取，二是PMD补偿。前者主要是从接收端中对PMD相关信息进行检测，利用射频电功率进行信息反馈，将被检测的电功率信号转变为控制信号，以此控制补偿器，使PMD受到的影响尽量降低；后者主要采用固定长度保偏光纤来实现。补偿器中，PC控制器主要采用多片电控式结构。当电压数值发生变化时，波片相位将出现一定延迟，并快速使偏振态的状态发生转变，从输入状态转变为输出状态，充分满足PMD的补偿要求。当补偿光纤的类型为高双折射率光纤时，反馈的信息是对光探测信号进行放大或者缩小后进行电压检测的信号。算法方面，按照输入信号幅度的变化形成电压信号，将其应用到偏振控制器中，使光偏振态的算法发生改变，从中寻找到最佳值，使信号展宽缩到最小，达到补偿的目标。

2.4 光域补偿

传输过程中，该技术针对光域中的受损信号进行补偿。假设光纤链路中PMD利用函数M(w)表示，光域补偿器中用变换函数M-1(w)表示，使二者相乘的数值为1。在光域补偿中，主要包括主态不常态与时延线补偿法两种。前者的补偿原理为偏振控制器顺着信号主态方向偏振分量朝着通光方向转变，可将正交方向的偏振分量过滤出去实现PMD补偿；后者则只需一个一阶补偿器，可对一阶PMD进行补偿，时延线可以固定不变。对于二阶段补偿器来说，主要包括双折射时延线与偏振控制器，可对二阶PMD进行补偿。从实验可知，二阶补偿器可不断对一阶进行补偿，还可实现二阶PMD中的去偏振项[4]。

3 自适应PMD补偿器的设计与实现

从PMD随机特性可知，PMD补偿系统中包括多个部分，即补偿单元、逻辑控制单元与在线检测单元。其中，补偿单元包括差分群时延线、偏振控制器等，可调整信号偏振方向，使其始终处于主态方向中，顺着主态方向完成传输活动；时延线的主要作用在于对差分群时延进行调整，实现PMD补偿；在线检测单元的作用主要在于监测光信号偏振态，利用系统反馈信号输送到逻辑控制单元，借助该单元进行PMD信息采集，调整电控PC与时延线，实现信号PMD的补偿。

3.1 系统设计

3.1.1 补偿单元

该部分主要包括PC与时延线两项内容。补偿单元中包括一阶与二阶补偿器，前者属于链路中的一阶PMD，后者则可对链路中一阶与二阶中的垂直分量进行补偿。单元中的段数越多，补偿效果越佳，自由度也随之增加，响应时间缩短。在应用过程中，补偿量与响应速度之间可实现平衡。

3.1.2 在线检测单元

该单元主要包括DSP数据处理、A/D转换单元以及在线检偏器等，以检偏器为核心，主要作用在于有效监测链路中的SOP，按照监测中获取的SOP计算DOP数值，依靠控制单元调控PC中的驱动电压，以实现PMD的补偿目标。

3.1.3 逻辑控制单元

该单元是补偿系统的核心所在，相当于人类的大脑。根据该单元中的反馈信息，利用粒子群优化算法，对当前链路中的最优DOP进行搜索与跟踪，将结果传递到补偿单元，实现对PMD的自适应补偿[5]。

3.2 补偿实验

3.2.1 样机系统

本次实验中，采用自适应PMD补偿器，如图1所示。

图1 PMD补偿系统装置

3.2.2 实验装置

该系统包括补偿器、模拟器、发射机以及接收机等。实验过程中，利用10 Gb/s XFP光电转换板卡。在光路中对不同长度延时后，得出速率为10 Gb/s时的驱动电压，利用其对平行调制器的两臂进行驱动，形成20 Gb/s NRZ-DQPSK调制信号。调制完毕后，在PMD模拟器的作用下产生PMD，经过光带通滤波后将其传送到光纤链路中。在接收端，利用自制的PMD补偿器对光信号进行补偿，将补偿完毕的信号传输到解调器中平衡接收，最终采用高速示波器检测PMD补偿器的补偿效果。

3.2.3 实验结果

构建20 Gb/s的调制系统，在信号传输完毕后开展OMD补偿实验，绘制背靠背眼图，显示出直接将信号从发射端传输到接收端后观测到的情况；绘制补偿前眼图，显示在经过960 km光纤传输后，在补偿前观测到的信号情况；绘制补偿后眼图，显示在经过960 km传输后，完善补偿后观测到的信号情况。

从实验结果可知：在调制系统中，补偿之前眼图中含有过冲情况，补偿完毕后眼图中眼睛已经张开，说明设计的MD补偿器能够对PMD进行有效补偿；在性能指标方面，PMD补偿器可跟踪信号，偏振态变化为65 rad/s；在1 dB OSNR情况下，可使系统容限增加26 ps，补偿相应时间不超过1 ms，平均补偿时间不超过8 ms。

4 结 论

综上所述，本文简要分析PMD效应，提出两级级联补偿、琼斯矩阵补偿、电域补偿以及光域补偿等应用措施，最后构建调制系统。针对自适应PMD补偿器开展实验探究，从实验结果可知：在不陷入局部极值的情况下，该补偿器可跟踪信号的变化为65 rad/s，与以往相比，系统容限增加26 ps，响应时间与平均补偿时间明显缩短，证明该补偿器具有实用性与可行性。