高速光通信系统中的偏振复用技术

1高速光通信系统中的偏振复用技术摘要：偏振复用（PolarizationDivisionMultiplexing:PDM）技术不仅能够在很大程度上提高系统通信容量还能使系统的频谱效率得到明显改善。偏振复用技术利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍系统总容量和频谱利用率目的。它是光纤通信中一种比较新的复用方式，在这种复用方式中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。本文论述了高速光通信系统中的偏振复用技术的研究意义，发展现状以及偏振复用技术在高速光通信系统中的关键技术和信息处理技术，包括全光复用技术、全光信号处理技术和数字信号处理技术。最后对高速传输时偏振复用链路的损失和串扰进行概述。关键词：偏振复用；高速光通信；PMDPolarizationDivisionMultiplexingInHigh-speedOpticalCommunicationSystemsLiuYu(OptoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065)Abstract：PolarizationDivisionMultiplexing(PolarizationDivisionMultiplexing:PDM)technologycannotonlyimprovethesystemtoagreatextentcommunicationcapacityofthesystemspectrumefficiency,butalsocanbesignificantlyimproved.PDMtechniquewhichutilizesthepolarizationdimensionoflight,carriestwoindependentdataatthesamewavelengthwithorthognalstatesofpolarization.Itcandoublethesystemcapacityandspectralefficiencydirectly.Itisakindofrelativelynewmultiplexingmethod,opticalfibercommunicationinthiskindofmultiplexmode,twoorthogonalpolarizationoftransmissionwavelengthsasaseparatechannelsignaltransmissiontworoadisindependentandmutually,sothatthecapacityofopticalfiberinformationtransmissiontodoubleanddoesnotneedtoincreasetheadditionalbandwidthresources.Thispaperdiscussestheresearchsignificanceofthepolarizationmultiplexingtechnologyofhighspeedopticalcommunicationsystem,thecurrentsituationofthedevelopmentandthekeytechnologyofpolarizationmultiplexingtechnologyinhigh-speedopticalcommunicationsystemandinformationprocessingtechnology,includingQuanGuangFutechnology,all-opticalsignalprocessingtechnologyanddigitalsignalprocessingtechnology.Finally,thehighspeedtransmissionwhenpolarizationmultiplexinglinklossandcrosstalkaresummarized.Keywords：PolarizationDivisionMultiplexing;High-speedopticalcommunication;PMD0前言随着互联网业务的快速发展，尤其是基于互联网的视频应用和P2P交互式应用的爆炸式发展，骨干通信网络带宽需求迅猛增长，现有密集波分复用（DWDM）系统己经不能满足日益增长的带宽需求，提高系统传输能力势在必行。偏振复用技术能2够平滑的使通信系统数据速率提升一倍，进而使得通信系统的传输能力增加一倍，并且在较高的通信速率下，系统仍能保持很高的偏振模色散的容限和灵敏度，具有相对简单的系统终端扩容设备，因此针对偏振复用技术的探索1高速光通信系统及偏振复用技术的发展1.1偏振复用技术的研究意义复用技术即在信号发送端将多路信号按照不同的方法或者区分方式进行组合，经历同一个信道传输后，在接收端将原本复用的信号分离出来，达到有效利用现有设施的目的。除了DWDM（密集型光波复用），OTDM（光时分复用）和OFDM（正交频分复用技术）外，提高单波长比特率来满足增长的带宽需求引起了普遍的关注。然而当比特率达到160Gbit/s时，超短脉冲的生成、积累色散的管理在OTDM中都会限制每个波长比特率的增长。因此，当传输带宽受限时，偏振复用成为了提高传输容量的有效的方法之一。在偏振复用方式中，两束相同或不同波长的光可以同时在一根光纤中相互独立地传输，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。所以偏振复用技术的提出对于实现高速传输是非常有意义的[1]。1.2偏振复用技术的发展及现状在上世纪八十年代的一次学术会议上，首次提出偏振复用技术，但当时的传输方案是使用保偏光纤（CPMF）来实现偏振复用，由于保偏光纤的价格与普通单模光纤（SMF）相比较高，而实际中投入使用的大多数都是SMF，这就使得以SMF作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点。国外对于偏振复用技术的研究更为深入并且取得了一定的成果。1991年，ClaudeHerard和AlainLacourt提出了偏振光复用的基础理论以及偏振光在单模光纤中的传播。1992年，S.G.EvangelidesJr.等人提出基于孤子源发射的正交偏振态在系统中能保持其正交性的事实，提出了偏振/时分复用的方法，两路正交偏振的光孤子比特流在时间上交叉复用。同年，PaulM.Hill用每路2Gbit/s二进制相移编码（BPSK）的数据正交复用形成了4Gbit/s的光偏振复用信号，接收端则采用相关的外差检测方法。2001年，通过采用40Gbit/s的复用器和铌酸锂（LiNbO3）调制器产生20Gbit/s的光传输信号。在发射端用差分相移编码（DPSK）调制来控制信道间干扰，接收端允许适当调整偏振控制器来最小化干涉。2007年，S.J.Savory等人提出接收端采用盲均衡实现偏振解复用的技术方案，使用非归零码-正交相移编码（NRZ-QPSK）调制方式，以标准单模光纤（SSMF）作为传输媒质实现了速率为42.8Gbit/s的信号传输6400km的实验，并首次使用恒模算法（CMA）在离线（OilLine）的条件下对混合信号解复用。2008年，C.Wree,S.Bhandare等人第一次采用归零码·差分正交相移编码（RZ-DQPSK）码型的偏振复用技术实现了40Gbit/s(2.20Gbit/s)的传输。同年，在波兰电信研究和发展中心，Obrzezna等人提出并在实验室实现了三路偏振光信道的复用和解复用技术，这是第一次超过两路偏振信道的偏振复用传输。2010年，在文献[2]中，第一次在实验室实现用单偏振-差分八进制相移编码（SP-DBPSK）OTDM技术达到传输距离超过220km、传输速率为0.44Tbit/s的目的，解决了400Gbit/s以太网的可行性问题，同时也证明了在没有辅助时钟情况下也能在速率为0.87Tbit/s的情况下使传输距离达到110km。2011年，在文献[3]中，采用了InP接收机光激性的集成电路和偏振复用差分正交相移编码（DQPSK）技术实现了10信道每个信道45.6Gbit/s的传输。光激性的集成电路（PIC）对于偏振复用的DQPSK信号来说是一种新的解调技术，将光输入信号组合及复用来解调信号。国内对于偏振复用技术的研究相对于国外来说较慢，实际上早在1986年，就提到了这种新的光纤通信复用方式。文中阐述了偏振复用可以在一根光纤中同时传输两路相同波长的光信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍。为了分析偏振复用的指标，又提出了固有偏振消光比这个参数，并用回谐函数展开法对单模光纤的固有偏振消光比进行了计算，并给出了相应的结果。只是当时这个新的复用技术并没有引起国内专家的关注，直到近十年内，偏振复用技术才又重新受到国内的青睐。2002年，徐文成和陈伟成研究了双折射光纤中偏振复用技术的三阶色散抑制和补偿。文中描述了在强双折射光纤中，让两孤子脉冲沿光纤的两个偏振轴入射，利用交叉相位调制效应克服偏振模色散，自相位调制效应克服群速度色散，使两偏振脉冲在光纤中互不走离地稳定传输，在单信道码率不变的情况下能提3高一倍的通信容量。但是从长距离传输角度看，色散平坦光纤仍不能很好地解决问题。2009年，王铁城和姚晓天根据偏振依赖损耗（CPDL）的原理，推导了偏振复用系统中两正交信道夹角与PDL（偏振依赖损耗）的数值关系[4]，计算了PDL大小对系统的影响。并依据理论模型构建了实验系统，对光纤一个主轴光强进行衰减，描绘出信道间串扰和PDL之间的实验曲线，验证了理论分析的有效性。2010年，冯勇闻等人利用已有的混频器，搭建了偏振分集90°光学混频器，并且补偿其相位误差，接收端实现了偏振分集的相干接收。通过实验实现了10Gbit/s，偏振复用DPSK光信号，经过掺饵光纤放大器（EDFA）和标准单模光纤（SSMF）的干误码280km传输[5]。近些年来，国内外对于偏振复用技术的热衷都表明在高速光纤通信系统中采用偏振复用技术，并将其与先进的调制码型技术相结合来提高光纤传输速率是非常有意义的。2高速光通信系统中偏振复用技术的研究进展2.1偏振复用的光纤通信系统主要关键技术（1）调制码型。不同的码型对通信系统的色散以及非线性效应[6]的影响程度也不一样，因此对光纤通信系统选择合适的码型是非常必要的。随着传输速率的不断提高，为了改善通信系统的传输效率研究人员越来越倾向于使用QPSK（正交相移编码），DQPSK（偏振复用差分正交相移编码），mQAM（正交振幅调制）等多进制调制格式，研究两个偏振态使用不同调制格式的系统性能。使用偏振复用技术与新型的调制格式相融合的方式可以使系统的传输容量得到很大的改善。在高速光纤通信系统中各种因素都会对系统的性能产生一定的影响比如PMD（偏振膜色散）和偏振不稳定性、偏振相关损耗和非线性偏振旋转等。由此可见，在高速偏振复用光纤通信系统中，合适的调制格式的选取对PMD、非线性效应等的抑制以及对系统性能的提高有着不可忽略的作用。（2）解复用方式。对于偏振复用光纤传输系统接收端的解复用方式有两种即：直接检测和相干检测。相干检测结合高速的数字信号处理技术能够很好的抑制PMD的影响，由于高速数字信号处理芯片研究的难点限制了相干检测技术在高速光纤通信系统中的应用。直接检测技术由于其简单易操作因而在高速光纤通信系统中仍有较为广泛的应用[7]。2.2偏振复用光通信系统信息处理技术研究PDM系统中的信号处理技术主要可以分为两大类：直接检测PDM系统中信号处理技术和相干检测PDM系统中信号处理技术。直接检测PDM系统中的信号处理技术主要涉及到：全光偏振解复用、PDM系统中的全光信号处理（如：波长转换、全光再生、码型变换等）。相干检测PDM系统中的信号处理技术主要包括：基于DSP（数字信号处理）技