高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷緩解與補(bǔ)償技術(shù)

王偉

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)光纖通信系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，其應(yīng)用規(guī)模也呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，但是，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)損傷問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷主要由偏振模色散引起。本文主要從高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷與補(bǔ)償介紹出發(fā)，具體闡述了高速光纖中偏振模色散概念及其測(cè)量方式，并提出了相應(yīng)的高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷補(bǔ)償技術(shù)，希望對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷緩解與補(bǔ)償有所幫助。

關(guān)鍵詞：高速光纖；通信系統(tǒng)；信號(hào)損傷緩解；補(bǔ)償技術(shù)

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，通信成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢煞蛛x的一部分，通信容量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。科學(xué)家預(yù)測(cè)未來(lái)每名通信用戶的通信容量高達(dá)1000Mb/s，可見(jiàn)未來(lái)人們對(duì)通訊需求之大，因此，高速光纖通信系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展會(huì)逐漸向高速率和大容量發(fā)展。

1 高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷與補(bǔ)償

高速光纖通信系統(tǒng)在傳播過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生信號(hào)損傷的問(wèn)題，色散和光纖耗損是導(dǎo)致高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷的主要原因。傳統(tǒng)光纖系統(tǒng)中，多模光纖較為常見(jiàn)，在不同模式下光纖的信號(hào)傳播速度不同，證明了信號(hào)傳播過(guò)程中存在模間色散。隨著科技的發(fā)展，單模光纖在光纖通信系統(tǒng)中使用廣泛，在一定程度上減少了色散，也就緩解了模間色散的問(wèn)題。 但是，隨著通信容量的不斷擴(kuò)大，信號(hào)傳輸距離也越來(lái)越遠(yuǎn)，新的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中的光纖虛耗成為制約信號(hào)傳播的關(guān)鍵。單模光纖能夠解決模間色散問(wèn)題，但是會(huì)受到材料和波導(dǎo)色散的干擾，導(dǎo)致色度色散問(wèn)題的存在，在傳播過(guò)程中損傷通信信號(hào)。

因此，人們開(kāi)始采用色散補(bǔ)償光纖來(lái)補(bǔ)償色散問(wèn)題，促進(jìn)單載波速率的提高，進(jìn)而解決信號(hào)損傷的問(wèn)題。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明，采取措施緩解和補(bǔ)償高速光纖系統(tǒng)中的信號(hào)損傷能夠大大提高通信的速率。

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，偏振模色散使用廣泛，相干接收和高級(jí)碼型調(diào)制格式也獲得了廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)致偏振模色散和偏振串?dāng)_成為損傷通信系統(tǒng)的主要因素，加上光纖非線性和激光器的相位噪聲的制約，信號(hào)損傷問(wèn)題仍然是通信系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題。

2 高速光纖通信系統(tǒng)中偏振模色散

2.1 高速光纖中偏振模色散概念

單模光纖中，一個(gè)基模由兩個(gè)相互之間垂直的偏振模組合而成，但是，單模光纖在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的制約，導(dǎo)致兩個(gè)偏振模間的無(wú)法保持運(yùn)行速度一致，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而導(dǎo)致偏振模色散的產(chǎn)生，偏振模色散產(chǎn)生的主要原因是：

首先，光纖自身具有雙折射，光纖在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有一些不規(guī)則的應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致光纖信號(hào)發(fā)生折射；

其次，在鋪設(shè)光纜時(shí)，光纜會(huì)受到不同程度的擠壓，進(jìn)而有些部位會(huì)發(fā)生彎曲和變形，加上在環(huán)境的制約下，信號(hào)在傳播過(guò)程中出現(xiàn)偏振模的禍合效應(yīng)，影響偏振模傳播速度，導(dǎo)致偏振模色散的產(chǎn)生。

最后，一些信號(hào)需要經(jīng)過(guò)通信器，例如濾波器和隔離器等，這些通信器的材料和結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)在一定程度上影響信號(hào)傳播，導(dǎo)致雙折射的產(chǎn)生，引起偏振模色散現(xiàn)象。在常規(guī)數(shù)學(xué)中，描述雙折射和禍合效應(yīng)一般采用參量和瓊斯矩陣，也在很大程度上便于人們對(duì)雙折射和禍合效應(yīng)的理解。在理想狀態(tài)下，光波速率不會(huì)導(dǎo)致雙折射，雙折射也與傳送距離無(wú)關(guān)，但是，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，雙折射和禍合效應(yīng)與距離和光波速率關(guān)系重大。

2.2 高速光纖中偏振模色散測(cè)量方式

偏振模色散能夠以一個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)計(jì)算，也在一定程度上受到時(shí)間和溫度變化的制約，同時(shí)測(cè)量環(huán)境也會(huì)影響到偏振模色散的測(cè)量。也就是說(shuō)在不同的時(shí)間進(jìn)行同一光纖的測(cè)量會(huì)有一定誤差的存在。目前，國(guó)際上通行的偏振模色散測(cè)量方法有四種。本文暫不介紹波長(zhǎng)掃描傅立葉變換法和波長(zhǎng)掃描極值數(shù)計(jì)算法。

2.2.1 Jones矩陣本征值測(cè)量法

Jones矩陣本征值測(cè)量法最常用于測(cè)算偏振模色散值的計(jì)算依據(jù)測(cè)量光纖的偏振傳輸函數(shù)這種情形。Jones矩陣本征值測(cè)量法是測(cè)量光纖某一處的偏振傳輸函數(shù)，然后依據(jù)測(cè)試準(zhǔn)確全面描述偏振模色散特征。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要采用激光器和分析儀來(lái)對(duì)光纖上等間距波長(zhǎng)的矩陣進(jìn)行測(cè)量，然后依據(jù)矩陣將本征矢量和本征值算出來(lái)，從而依據(jù)一定公式計(jì)算出PSP和DGD，然后將他們的平均值求出來(lái)，最后變可以得到偏振模色散的值。Jones矩陣本征值測(cè)量法具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠全面測(cè)量偏振模色散值，甚至能夠十分準(zhǔn)確地進(jìn)行最小值的測(cè)量。但是Jones矩陣本征值測(cè)量法也存在一定的缺陷，Jones矩陣本征值測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果受到外界干擾大，且需要較長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)量速度慢，測(cè)量效率低，只適用于科學(xué)研究中。

2.2.2 干涉儀法

干涉儀法適用于一定時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量，主要是通過(guò)試光纖將端電場(chǎng)將自相關(guān)函數(shù)輸出，然后將振模色散的傳輸時(shí)間均方差計(jì)算出來(lái)。寬帶LED是干涉儀法中需要使用到的光源，干涉儀掃描光纖輸出端，確保在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)相關(guān)信號(hào)的存在，偏振模色散值即為測(cè)量出的自相關(guān)函數(shù)的二階矩均方值。干涉儀法具有速度快且效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的外界干擾抵御能力，但是，干涉儀法也存在一定的缺陷，這種方法難以提供一些相關(guān)信息。

3 高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷補(bǔ)償技術(shù)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，長(zhǎng)距離輸送時(shí)，偏振模色散速度為10Gb/S時(shí)，輸送功率會(huì)在很大程度上受到損傷，影響信號(hào)傳輸速率，造成信號(hào)損失。因此，高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷補(bǔ)償技術(shù)研究時(shí)要考慮相關(guān)影響因素。據(jù)相關(guān)研究顯示，信號(hào)損傷的主要原因是一階偏振模色散效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，高階偏振模色散會(huì)加劇信號(hào)損傷的惡化。因此，一階偏振模色散效應(yīng)的研究成為高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷補(bǔ)償技術(shù)研究的關(guān)鍵。光路和電路上的補(bǔ)償是目前最常用的高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷補(bǔ)償技術(shù)。光路和電路上的補(bǔ)償主要原理是采取措施延遲光或者電，然后控制反饋回路，進(jìn)一步將偏振模色散中的兩個(gè)偏振模之間的時(shí)差進(jìn)行延長(zhǎng)，來(lái)補(bǔ)償高速光纖通信系統(tǒng)中的信號(hào)，然后統(tǒng)一輸出兩個(gè)偏振模的信號(hào)。大量實(shí)驗(yàn)表明，光路和電路上的補(bǔ)償能夠?qū)Ω咚俟饫w通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷進(jìn)行補(bǔ)償。在此對(duì)光補(bǔ)償進(jìn)行一個(gè)案例分析。

光補(bǔ)償案例分析：在此方案中，增設(shè)光延遲線，對(duì)兩個(gè)偏振模間的時(shí)差進(jìn)行調(diào)整，最終進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)保證偏光纖。同時(shí)，在以上基礎(chǔ)上安裝偏振模控制器，來(lái)調(diào)整輸入光的偏振態(tài)，確保光的偏振態(tài)與光纖切合，需要注意的是，在此過(guò)程中，控制器反應(yīng)速度必須大于偏振器變換速度，從而確保光纖輸出光信號(hào)，控制偏振器的信號(hào)。這種方案能夠補(bǔ)償高速率高速光纖信號(hào)，也能夠補(bǔ)償長(zhǎng)距離高速光纖信號(hào)，同時(shí)在一定程度上降低功率損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，偏振模色散是引起高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷的主要原因，目前，高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷已逐漸成為通信系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷緩解與補(bǔ)償技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展，希望在未來(lái)我國(guó)能夠采用更加科學(xué)的手段來(lái)解決高速光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)損傷問(wèn)題，為人們通信需求提供更好的服務(wù)。

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