偏振模色散補(bǔ)償用調(diào)制格式的研究

偏振模色散補(bǔ)償用調(diào)制格式的研究

1偏振模染色控制對(duì)于高速和密集的光纖通信系統(tǒng)，通過通過傳輸距離、傳輸容量和傳輸效率的增加，可以忽略色散、極化模型色散（pmd）和非線性效應(yīng)等系統(tǒng)的影響。對(duì)于40Gb/s及更高速率的系統(tǒng),偏振模色散是必須考慮的一個(gè)因素。近幾年人們又提出采用具有緊湊調(diào)制帶寬和高偏振模色散、色度色散(CD)、非線性容忍度的新型調(diào)制格式來緩解偏振模色散,并與偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)合,達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。本文基于LiNbO3調(diào)制器的調(diào)制原理,從實(shí)驗(yàn)得到了不同調(diào)制格式的眼圖和頻譜,包括開關(guān)鍵控(OOK)、差分相移鍵控(DPSK)和載波抑制碼(CSRZ),并將其應(yīng)用于偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng),對(duì)補(bǔ)償前后的眼圖進(jìn)行了比較,實(shí)現(xiàn)了緩解與補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)結(jié)合。2不同的布局模式、布局模式和位移模型的色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)2.1到非歸零rz調(diào)制格式開關(guān)鍵控調(diào)制格式的產(chǎn)生一般采用馬赫-曾德爾干涉儀型的LiNbO3調(diào)制器,通過加載數(shù)據(jù)和偏置電壓,實(shí)現(xiàn)信號(hào)格式的調(diào)制。在具體調(diào)制過程中,利用一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器,加載數(shù)據(jù)和偏置電壓就會(huì)得到非歸零(NRZ)調(diào)制格式。要想得到占空比不同的開關(guān)鍵控調(diào)制格式,則需要二級(jí)調(diào)制。依據(jù)調(diào)制器的調(diào)制曲線(如圖1所示),在第二級(jí)調(diào)制器上,選取不同的時(shí)鐘信號(hào)幅度、頻率、相位和直流偏置就會(huì)在輸出端產(chǎn)生占空比不同的開關(guān)鍵控調(diào)制格式。實(shí)驗(yàn)中采用的原理框圖如圖2,所得的調(diào)制信號(hào)的速率為10Gb/s,當(dāng)偏置電壓偏置在中間點(diǎn),且加入10GHz的時(shí)鐘信號(hào),就會(huì)得到占空比為50%的歸零(RZ)碼;當(dāng)偏置電壓偏置在谷底點(diǎn),且加入5GHz的時(shí)鐘信號(hào),就會(huì)得到載波抑制碼。依據(jù)上述原理在實(shí)驗(yàn)中得到圖2\~圖4的不同調(diào)制格式的眼圖(圖3)和頻譜(圖4)。2.2強(qiáng)度調(diào)制器的應(yīng)用差分相移鍵控調(diào)制格式的產(chǎn)生原理框圖如圖5所示,將經(jīng)過差分預(yù)編碼的非歸零數(shù)據(jù)加載到相位調(diào)制器上進(jìn)行調(diào)制就可以得到非歸零-差分相移鍵控信號(hào)。如果要得到歸零-差分相移鍵控/載波抑制碼-差分相移鍵控信號(hào),則需要再加一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器,依據(jù)2.1中所述的二級(jí)調(diào)制的原理,通過加載不同的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)得到。差分相移鍵控格式是用相位來攜帶信息,而且相鄰比特間的相位差為0或π,因此必須在接收時(shí)采用延時(shí)一個(gè)比特周期的馬赫-曾德爾干涉儀來進(jìn)行解調(diào)。實(shí)驗(yàn)中得到了解調(diào)器“加口”(圖6)和“減口”處(圖7)的頻譜。如果采用平衡接收會(huì)提高3dB的接收靈敏度。2.3信號(hào)源的產(chǎn)生過程實(shí)驗(yàn)中選取RZ50、CSRZ、RZ33-DPSK、RZ50-DPSK和CSRZ-DPSK格式作為信號(hào)源,進(jìn)行了偏振模色散的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。偏振模色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示,包括不同調(diào)制格式發(fā)射部分、模擬器部分、補(bǔ)償和控制算法部分。不同調(diào)制格式發(fā)射部分用于信號(hào)源的產(chǎn)生;三階段模擬器由三個(gè)偏振控制器和三段保偏光纖組成,這樣的模擬器能夠產(chǎn)生二階和更高階偏振模色散。補(bǔ)償器是兩階段的,由兩個(gè)偏振控制器、一段保偏光纖和一個(gè)可變時(shí)延線組成,總共有7個(gè)可變自由度。保持模擬器、補(bǔ)償器和控制算法不變,依次將不同的調(diào)制格式經(jīng)過三階段模擬器,然后經(jīng)過補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償,最后輸出,圖9\~圖13是不同調(diào)制格式在補(bǔ)償前后的眼圖,由圖可見,將緩解與補(bǔ)償技術(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)合后,眼圖與補(bǔ)償前的相比,得到了明顯改善。3不同組成格式的位移模型色散補(bǔ)償性能的模擬3.1差分群時(shí)延對(duì)偏振度的影響在偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)中一般以偏振度作反饋信號(hào)來進(jìn)行偏振模色散補(bǔ)償。在單一頻率下偏振度定義為D=s21+s22+s23√s0,(1)D=s12+s22+s32s0,(1)式中s0,s1,s2,s3分別為光場(chǎng)的四個(gè)斯托克斯分量。對(duì)于完全偏振光,D=1,對(duì)于部分偏振光,D<1。偏振度就是其信號(hào)頻譜上各個(gè)頻率分量的偏振度對(duì)功率譜加權(quán)平均的結(jié)果,因此信號(hào)的偏振度與輸入信號(hào)的偏振態(tài)、偏振模色散以及信號(hào)的頻譜有關(guān)。圖14是仿真得到的各種調(diào)制格式的偏振度隨差分群時(shí)延(DGD)的變化情況。在開關(guān)鍵控格式中,除非歸零碼的偏振度動(dòng)態(tài)范圍較小以外,其他幾種不同調(diào)制格式的偏振度初始下降的速度相差不多。RZ33、RZ50和載波抑制碼格式下降后又開始上升,呈現(xiàn)來回波動(dòng)狀態(tài),在補(bǔ)償過程中容易使搜索算法陷入局部極值,增加了搜索難度。從圖中還可看出,在開關(guān)鍵控格式中以載波抑制碼格式的偏振度響應(yīng)范圍最大。而差分相移鍵控格式中,偏振度隨著差分群時(shí)延的增大整體呈單調(diào)下降趨勢(shì),沒有波動(dòng)狀況,這對(duì)偏振模色散補(bǔ)償非常有利,也不會(huì)使搜索算法陷入局部極值。在這幾種調(diào)制格式當(dāng)中,差分相移鍵控格式用于偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)中是最適合的。3.2不同種類偏振模染色補(bǔ)償效果比較仿真中采用的系統(tǒng)模型為2.3節(jié)中的圖8,信號(hào)源所用的調(diào)制格式包括NRZ、RZ33、RZ50、CSRZ、NRZ-DPSK、RZ33-DPSK、RZ50-DPSK、CSRZ-DPSK;模擬器中三段保偏光纖的時(shí)延分別為ΔTDGD1=5ps,ΔTDGD2=5ps,ΔTDGD3=5ps;補(bǔ)償器中保偏光纖的時(shí)延為8ps。首先得到了各種不同調(diào)制格式在補(bǔ)償前后的偏振度D值,結(jié)果如圖15所示。比較補(bǔ)償前的D值,非歸零碼的D值分布范圍是比較小,而其他不同調(diào)制格式的D值分布范圍相對(duì)較大,這與3.1中的結(jié)果相符。比較各種調(diào)制格式在補(bǔ)償前后的D值可以看出,非歸零補(bǔ)償后D值最好,幾乎全部分布在0.95\~1。CSRZ、NRZDPSK、CSRZDPSK補(bǔ)償前后D值大部分為0.95,補(bǔ)償前后D值變化也比較明顯。這對(duì)于以D作反饋信號(hào)的偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)來說是有利的。為了更好地比較這幾種調(diào)制格式的偏振模色散補(bǔ)償效果,又計(jì)算了補(bǔ)償后的剩余差分群時(shí)延值,結(jié)果如圖16所示。從圖中可以看出,對(duì)于開關(guān)鍵控和差分相移鍵控來說,占空比越小,補(bǔ)償效果越差。這是因?yàn)檎伎毡刃〉男盘?hào)對(duì)應(yīng)其帶寬比較大,因此受高階偏振模色散的影響更加嚴(yán)重,這就限制了系統(tǒng)的偏振模色散補(bǔ)償效果。對(duì)于相同的占空比的調(diào)制格式來說,差分相移鍵控的補(bǔ)償性能要好于開關(guān)鍵控。在開關(guān)鍵控格式中,如圖16(a)\~圖16(d)所示,載波抑制碼和非歸零格式的偏振模色散補(bǔ)償效果要好于歸零格式,這對(duì)補(bǔ)償來說是有利的。但是非歸零格式功率較高,受非線性影響較大,不適合長距離傳輸,這也是長距離大容量光纖通信系統(tǒng)不選用非歸零格式的原因。歸零格式雖然具有較好的光纖非線性容忍度,但因其頻帶較寬,受偏振模色散的影響很大,補(bǔ)償效果比較差。載波抑制碼格式相比非歸零和歸零有更高的色散和偏振模色散容忍度,而且它還具有歸零脈沖的形狀,所以對(duì)自相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)等非線性效應(yīng)也有較好的容忍度。而且由于其載波被抑制特性,將載波抑制碼格式用于偏振模色散補(bǔ)償系統(tǒng)中,更能緩解偏振模色散的影響,其補(bǔ)償性能要比非歸零和歸零碼好的多。因此在開關(guān)鍵控格式中,綜合考慮偏振模色散補(bǔ)償效果、偏振模色散、色度色散和非線性效應(yīng)容忍度來說,載波抑制碼是最理想的格式。圖16中可以看出,相對(duì)于開關(guān)鍵控格式,差分相移鍵控格式的偏振模色散補(bǔ)償性能有明顯提高。而其中的載波抑制碼差分相移鍵控格式具有最窄的帶寬,受高階偏振模色散的影響最小,因此具有最好的偏振模色散補(bǔ)償效果。相比于開關(guān)鍵控中的載波抑制碼格式,載波抑制碼差分相移鍵控的偏振模色散容忍度更高,偏振模色散補(bǔ)償效果更好。綜上所述,如果要綜合考慮偏振模色散容忍度、偏振模色散補(bǔ)償效果容量、距離、光譜效率、等因素的話,載波抑制碼-差分相移鍵控?zé)o疑是最具優(yōu)勢(shì)的調(diào)制方式。4比較優(yōu)勢(shì)的比較多對(duì)工藝從實(shí)驗(yàn)上得到了不同調(diào)制格式的頻譜和眼圖,并將其應(yīng)用于偏振模色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),得到了補(bǔ)償前后的眼圖,實(shí)現(xiàn)了不同調(diào)制格式偏振模色散緩解與補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)結(jié)合。同時(shí)利用DOP作反饋信號(hào),比較了不