刘红捷，杨　名

(武汉邮电科学研究院，湖北 武汉430074)

    摘  要：文章介绍了4种在高速光纤通信系统中抑制偏振模色散(PMD)的方法，提出了目前比较可行的措施.
    关键词：偏振模色散；功率代价；码型；偏振分集接收机

    随着光纤通信系统中单通道速率的不断提高，偏振模色散（PMD）的影响被认为是超高速长途光纤通信系统的最终限制因素.近年来，PMD的抑制技术成为研究热点.
1 PMD抑制技术概述
    抑制PMD的技术主要有4种：通过改进光纤光缆的制作工艺降低链路的PMD系数；利用PMD补偿技术；采用数字信号处理(DSP)技术；采用新的传输码型.
    （1） 抑制PMD的最直观的方法是选用低PMD系数的光纤.相同长度、不同PMD系数的光纤，其PMD均值相差很大，因而对系统的影响也大不相同.采用APD接收时，通常认为0.3 bit的瞬时差分群时延(DGD)对应的功率代价为1 dB；采用PIN接收时，通常认为0.4 bit的瞬时DGD对应于1 dB功率代价^[1].对于40 Gbit/s系统而言，经过200 km不同PMD系数的光纤传输后，利用PMD的概率密度函数^[1]，通过数值积分可计算出功率代价超过1 dB的概率如表1所示.由表1可见，PMD系数越小，概率越低.采用低PMD系数的光纤能够显著降低功率代价超过1 dB的概率.但除光纤之外，组成光纤通信系统的光放大器、耦合器、隔离器及光开关等元件也会产生PMD，从而影响系统性能.
    （2） PMD补偿技术是近年的研究热点.补偿可分为一阶补偿和高阶补偿，一阶补偿主要是利用主偏振态(PSP)理论^[2]，分为PSP传输法和后置补偿法两种.而高阶补偿则主要是使补偿网络的传输矩阵与光纤的传输矩阵正好互逆，实现起来比较复杂.

    （3） 从原理上讲，DSP技术可以对付任何形式的损伤.目前，电的DSP技术比较成熟，比较典型的有横向滤波器技术以及在长途高速系统中普遍采用的前向纠错（FEC）技术.近年来，偏振分集接收机技术引起了广泛关注.对于电DSP而言，突出的问题有两个：第1，因这些技术均与速率相关，故以后系统难以平滑升级；第2，高速电子器件的价格问题.
    （4） 采用新的码型，也能在一定程度上抑制PMD的影响.一般来说，RZ码由于能量更集中，相邻的两个脉冲之间有一段缓冲时间，因而相对NRZ码受一阶PMD的影响较小，但因RZ码的光谱比NRZ码的光谱宽，因而受高阶PMD的影响较NRZ码严重.目前，各种改进的RZ码技术(CSRZ、DCSRZ等)有望降低光谱宽度，从而提高系统的PMD容忍度.
2 抑制PMD的新技术
    在ECOC2002和OFC2002中，提出了一些抑制PMD的新技术.
    (1) 通过分布式补偿一阶PMD来抑制高阶PMD.该技术由朗讯公司在ECOC2002上提出^[3].由于各阶PMD的统计特性有着内在的联系，利用这种内在的联系，通过分布式补偿一阶PMD，就可以抑制高阶PMD.对于二阶PMD而言，它的DGD的均方值与一阶PMD之间满足对于n阶PMD而言，其DGD的均方值与一阶PMD的关系为显然，我们只需要将一阶PMD限制在较小的范围内，就可以抑制高阶PMD.
　　假设从发送到接收的整个链路的一阶PMD的均方值为〈Δτ²〉，如果等分成N段，则每段的一阶PMD满足〈Δτ²〉_i=〈Δτ²〉N，i=1，2，…，N.
　　分别对每段进行一阶PMD补偿，并假定补偿不会引入高阶PMD，每段引入的二阶PMD满足〈Δτ²_二阶〉_i=〈Δτ²〉²/3N.因每段的一阶PMD不再积累，故整个链路的二阶PMD的均方值为各段引入的二阶PMD之和，即∑〈Δτ²_二阶〉_i=〈Δτ²〉²/3N.
　　从上式可以看出，整个链路的二阶PMD减小为原来的1/N.其原理框图如图1所示.

　　实际上，一阶PMD的补偿会引入高阶PMD，因而补偿的段数不能太多.
    (2) 利用偏振分集接收机.其原理是不同的偏振态具有不同的噪声特性，因而用多个接收机可以大大消除噪声的影响^[2].
    信号被等分为3部分，分别送到3个支路：第1个支路通过线性偏振束分光器(LPBS)，将输入的线偏振光分成水平分量和垂直分量；第2支路先通过1/4波片将线偏振光转换成圆偏振光，再通过LPBS分成左旋分量和右旋分量；第3支路通过LPBS将光分成两个对角(45°和-45°)的偏振光.将每个分量分别接收后再合成，选择一路质量较好的信号输出.因为这里采用3对均匀分布于邦加球的偏振对，因而能够更接近于PSP.偏振分集接收机原理框图如图2所示.

　　(3) 采用新的调制技术并综合运用其它手段.一般认为RZ码由于相邻的两个脉冲之间有一段缓冲时间，因而对PMD有较大的容忍能力.但由于频谱较宽，因而受高阶PMD的影响较严重.对于RZ码而言，若改用窄带光接收滤波器，则可以大大减小高阶PMD的影响.Masahito Tomizawa等采用CSRZ、偏振分集接收机及纠错技术将PMD的容忍度提高到了0.48 bit^[5]
3　总结
    本文简要地介绍了高速光纤通信系统中抑制PMD影响的方法，但具体采用何种方法，应根据综合成本来考虑.鉴于目前PMD补偿技术不是很成熟且价格昂贵，采用新型光纤结合新的调制方式及DSP技术可能是最佳选择.

参考文献

［1］ITUT Rec. G.6912000， Optical interfaces for single channelSTM64, STM256 systems and other SDH systems with optical amplifiers [S].
［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 errorcorrection function[A].ECOC 2002 [C]. Copenhagen,Denmark:2002.
［5］Poole C D, wangner R E.Phenomenological approach to polarization dispersion in long singlemode，fibres [J].Electron.lett.，1986，22(19):1029-1030.