高速長距離WDM傳輸系統的超速偏振變化

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　　1. 引言
　　當每信道傳輸速率達到10Gbps或更高時，偏振模式色散（PMD）成為高速長距離光傳輸系統的主要障礙。特別是1995年以前生產和安裝的光纖其PMD系統達到了0.5ps/k甚至更高。偏振模式色散補償（PMDC）已被證明為降低高速光傳輸系統PMD的有效方法。

　　
　　不幸的是，PMD隨著溫度和機械振動變化而變化。每一次偏振變化都可能改變系統雙折射方向，從而改變整個PMD值（微分群時延和主要偏振狀態）。PMD補償器需要時時監測鏈路狀態并對新狀態作出動態調整，使之能跟得上最快PMD或偏振變化，從而保證系統的無差錯傳輸。目前已經公布了幾種嘗試方法，用以跟蹤實際操作條件下最快PMD或偏振變化。一個主要問題是如何檢測極高速且大幅度PMD變化。長期經驗發現這種情況每周甚至每月只會出現一次，取決于有限的數據庫和有效概念。當PMD補償器能夠在幾毫秒跟蹤PMD變化時則補償效果明顯。
　　
　　快速偏光計可用來識別高速偏振變化原因。據我們所知，這是行業內首次報道高速傳輸系統內毫秒級偏振變化。對超快速偏振變化的發現對PMD補償器提出了更高的要求。
　　
　　2. 實驗裝置
　　圖1所示為觀察快速偏振變化的實驗裝置，機械振動裝置安裝在桌面或工具的金屬部分。
　　　
　　圖1：實驗裝置圖：實驗使用cw激光器信號，偏振狀態通過輸出端的快速偏光計分析
　　
　　cw激光器將波長約為1550nm的光信號輸入設備并利用輸出端的快速偏光計，可測量出機械偏振對偏振狀態的影響。偏光計的模擬帶寬為700 kHz。從偏光計輸出的電信號包含有Stokes參數信息，該參數由數字抽樣示波鏡采集。采集數據傳送到PC，將偏光計輸出信號轉化為Stokes參數，以便進一步分析。
　　
　　3. 實驗結構和討論
　　在實驗的開始分析了輸出端盤尾纖的偏振變化。尾纖長約20m，光纖護套直徑為3mm。彎曲半徑約為10cm。通過撞擊機架邊緣或將尾纖投擲到桌面產生機械振動。圖2所示為尾纖投擲到桌面后偏振變化描述圖，該圖形將SOP軌跡標記在立體球面。從球面軌跡可知，偏振隨機變化但明顯包含了一些完全的旋轉。
　　　
　　圖2：將長約20m的尾纖投擲到桌面后輸出偏振狀態的變化軌跡
　　　
　　圖3：Stokes參數的時間演變
　　
　　偏振改變的速度如圖3所示，該圖形與圖2描述了相同的數據，但更清楚地表示了Stokes參數的時間變化。最快的偏振變化可根據半個立體球的演變或1毫秒內從SOP轉化到正交狀態觀察到。
　　
　　當分析色散補償光纖（DCF）線軸的偏振狀態可觀察到更快的偏振變化。DCF安裝在模型內，適合于產品部署。線軸上纏有約10km長的光纜，安裝在一金屬容器內。
　　
　　將DCF模塊投擲到桌面或撞擊外科的金屬部分可產生機械振動。其中后者產生產生的機械振動變化速度更快，大多數數據被記錄用于金屬采樣。圖4所示為利用螺旋驅動尖端撞擊DCF模塊后記錄的Stokes參數隨時間變化圖，當從一個SOP轉化到正交狀態時偏振變化最快，歷時幾毫秒。
　　
　　Stokes參數的數據隨時間更新，經過再處理可推出更好的偏振變化速率。圖5所示為Stokes向量隨時間的運動速度。當螺旋驅動尖端以高于45,000轉/秒的速度撞擊DCF模塊時可得到最快的偏振變化。
　　
　　如此快速的偏振變化對實際PMD補償器有相當大的影響。在系統上承載實時業務，可簡單地推出機械振動特性。當與非激活系統共享相同的光纖面板或光纜輸送管時，工作系統的尾纖被頻繁地接觸或移動。DCF模塊的機械振動潛在原因是工具、螺旋或其它金屬裝置偶爾撞擊到機殼或通過機架傳輸到DCF模塊時產生的其它內部或外部振動。傳輸系統不能屏蔽所有的機械振動源。因此可認為是由環境引起的快速偏振變化。
　　　
　　圖4：在輸出端利用螺旋驅動器尖端撞擊DCF線軸，偏振變化Stokes參數隨時間變化圖
　　
　　圖5：繞Poincare球旋轉，Stokes向量的運轉速度
　　
　　傳輸系統必須容忍偏振變化。常規方法是建立偏振非敏感系統，也就是說選擇低偏振相關損耗（PDL）的元器件，從而避免由偏振變化和不可避免的PDL引起的功率電平變化。但PMD太嚴重并引起信號失真時該方案不再有效，此時需增加PMD補償設備。系統雙折身變化可能引起偏振變化，因此需要PMDC，除了光PMDC外還需要電補償方案。兩種補償器都要按照輸出端偏振變化或PMD向量變化而改變，從而保證系統無差錯運行。
　　
　　由機械振動引起的毫秒級偏振變化對PMDC的速度提出了高要求。目前可采用的方案是對幾毫秒內的變化做出響應，機械振動發生和持續時間可限制在指定中斷時間內。同時，增加PMDC數量也是一可行方案。
　　
　　4. 總結與討論
　　該實驗利用快速偏光計說明了長距離高速傳輸系統偏振快速變化的原因。螺旋跳線和DCF線軸是各種機械振動的來源，將跳線投擲到桌面將在毫秒內改變光纜輸出端的SOP。當在DCF線軸中應用機械振動，即使SOP變化再快速也可以被察覺。
　　
　　超快速偏振變化需要高速PMD補償器。因為傳輸系統中的機械振動不可避免，PMDC必須能應付由振動引起的最快速偏振變化。這就要求PMDC的速度從目前的毫秒級提高到1毫秒內。

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