光网络中的偏振效应：06年11月JLT
发布时间：2006-12-22 10:33:31 热度：3220
不支持该视频 本期的JLT是一个关于光网络中偏振效应的专刊。在这个专刊里，大多数文章是关于偏振模式色散（PMD）和它的影响的。在高速长距离光通讯网络里， PMD主要来自于光纤和其它元件存在的双折射效应，作为光传输网的重要概念之一，是影响脉冲形状，引起传输损伤的关键因素。PMD不同于其他的信号损伤来源，其分布和变化都异常复杂，不同的波长通道，会有不同的强度和方向。甚至对同一波长通道，PMD还会随着时间而改变。并且PMD还会和偏振相关损耗（PDL）以及其他非线性效应发生交互影响。
对10Gb/s的全光网络，只要使用低PMD的光纤就可以避免它的影响，甚至可以不直接使用偏振补偿系统。但对40Gb/s及更高速度的传输网络，PMD扮演的角色会越发重要。而且目前光网络要求的服务种类和质量都在不断升级，特别是近期IPTV业务的出现，Internet流量的增长，以及FTTx市场的复苏，都加快了40Gb/s系统建设的步伐。而对这样的长距离高速光网络，不仅光纤中的PMD和PDL会对传输产生影响，甚至一些常用器件的偏振效应也必须加以考虑。本期有关光网络中偏振效应的专刊共有将近40篇文章，基本涵盖了这一领域的所有前沿研究，下面我按内容简单划分主题，并介绍如下：
一、光纤中的PMD效应：
在早期，光纤的扭转都是通过对预制棒进行操作实现的。而在1994年，Hart对扭转光纤的制作工艺做了改进，直接对光纤进行扭转。他使用两个滑轮水平安装并和光纤相连。 两个滑轮以相反的方向来回运动，从而旋转光纤。直接对光纤拉丝避免了高速旋转预制棒的问题。此外，通过对参数的优化，很容易获得低PMD的光纤。例如，采用较通用的正弦扭转拉丝技术，通过对幅度与周期这两个关键参数进行调节，可以获得超低PMD的光纤。本期CoreCom的工作者对这一工艺做了深入的研究和探讨。作者的主要创新点有两处，首先他们证明代替通常周期性的、两个滑轮相互反向的旋转，而采用单向的、定量的旋转速率可以更好的控制PMD，消除局域双折射。作者从理论和实验上同时验证了这一思路。其次作者探讨了由于拉制参数和旋转过程的差异，对光纤应力双折射的产生的影响。利用高空间精度的回切技术，作者认为精确确定拉制过程里光纤的固有双折射是完全可能的；本期意大利的另外一篇文章则是关于这种单向旋转光纤在实际链路使用中PMD特性如何优化而开展研究的。作者提出在链路中使用单向旋转，且螺旋方向相反的两种光纤，通过合理的链路设计，可以实现极低的PMD值。
再来看对两个实用化系统的研究：（1）意大利的研究者对意大利已经实用化的一个光网络系统进行了测试与维护报导，当然其研究重点也是考查系统的PMD特性。文章所涉及的系统是都灵市的骨干光网络，采用G.652光纤，掩埋式铺设。首先作者通过连续73天的持续观测，证明采用该光纤的系统具有相当稳定的差分群时延（DGD）特性。即便在该城市线路最密集，铺设错中复杂的的区域，系统仍能维持极稳定的DGD特性。（2）Purdue大学的研究者对一个商用化的1600km长，10Gb/s系统的PMD特性做了研究。作者在系统里引入额外的PMD，并采用分布式的监测程序，并对前向纠错系统体现的误码率，以及偏振相关的字符串长度（SOPL）进行实时的观测。作者证明PMD大小直接影响误码率的大小，还证明了SOPL与功率大小以及信噪比的起伏并没有直接关系。同时作者也让其引入的PMD先是均匀分布在传输链路上，然后再观测集中将等量PMD引入发射或接受端的情况。通过三种情况的测试结果比较，发现三种情况下，PMD对系统的影响没有明显差别。这个结果的实用参考价值在于，作者从商用系统的角度证明，对10Gb/s的系统，PMD在传输过程里与其他非线性因素的交互作用是可以忽略不计的。
二、偏振相关的网络性能监控：
利用传输过程信号偏振特性，也能完成许多重要的测试。例如偏振消光法就是一种很重要的偏振监测技术，可以完成对系统信噪比等重要参数的测试。通常的偏振测试方法如下：首先将偏振的信号光（可以是线偏、圆偏或椭圆偏）经过一个偏振片或其它起偏器件变成线偏光。之后在传输过程里，该线偏光会和ASE等噪声混合在一起，而噪声通常是非偏振光。再将混合光经过一个偏振片分成两束正交的光。一束含有信号光和部分噪声。另一束只含有噪声。这样再经过两个偏振片就可以分别测出一半噪声，以及一半噪声与信号混合的大小。通过简单的数学运算就可以最终测出信噪比。本期韩国Teralink Communications, Inc.的研究者对这个过程做了进一步的研究。作者指出在传输过程里信号很可能由于PMD、PDL以及两者的交互影响而去极化，而噪声方面则可能部分极化，这些变化最终会影响测量精度。作者为了消除这些影响，对原有系统进行了改进。其实道理很简单。假设在偏振分束的时候由于去偏效应，原先本来只有噪声的那个偏振分量必然会有部分信号光存在。因此不能简单的测出噪声大小。这里作者改使用偏振分束器，一路得到信号光加部分噪声的光。另一路则包含了由于去偏而漂移的部分信号光分量和另一半噪声。作者使用一个3dB耦合器再将第二路分为两束，而其中一束使用一个带通滤波器，大大缩小了噪声通过的可能性（近似认为没有噪声通过）。这样可以近似测出去偏的信号强度，结合第二束光可以得到噪声大小，再结合三束光获得信号光的大小，最终测到信噪比。作者把这样的改进方案应用在了一120km的WDM系统信噪比测定上，最终证明其改进系统对信噪比的测试精度，即使在存在60ps的大DGD下，也可以维持在正负1dB左右。
在光网络里，所谓的偏振测量有两个含义，一方面是利用偏振效应去测量其它的性能参数，而另一个方面则是对关键偏振参数，如PMD、PDL等进行测定。对后者本期Fujikura Ltd.的研究者提出可以通过使用偏振的光时域反射计来对DGD局域进行测量，进而通过适当算法来获得PMD大小。
三、PMD评估方法：
由于PMD变化复杂，且时间相关，因此对PMD的精确评估一直研究者较为关注的研究课题。从本次专刊来看，关于这个问题，最多的还是基于统计学的原理来考虑这个问题。因为涉及到大量数学内容，我不想对这个问题做太多的介绍，只罗列主要论文，并把侧重点放在他们的结论部分：（1）首先有一篇特邀论文来自伦敦大学，作者采用统计方法对PMD以及其引起的BER改变做了分析。一个有趣的结论是作者证明PMD引起的BER变化，其对数是一个Gumbel分布，在统计学里，这是一个典型的最小极值分布，其均方根函数图样是倾向左侧的；（2）Maryland Baltimore大学的另一篇特邀论文是考虑在使用蒙特卡罗法算法对PMD统计测量过程里一些误差的影响，并想办法避免这些影响；（3）France Telecom的研究者通过统计分析和测量证明了PMD和PDL的交互作用可能导致在传输带通内信号损耗的随机抖动（LRs），作者证明这是一个重要的量，会对滤波等过程有较大影响。
四、PMD对光网络性能的影响：
首先，Tyco Telecommunications的研究者发表的一篇特邀论文立足于分析偏振效应对水下铺设的WDM系统的影响。通过对现有系统，以及计划中系统的测试比较，作者证明对10Gb/s，长距离，波长间隔较大的WDM水下系统，PDL将是影响系统性能，引起Q参数变化的关键因素；而同样系统，如果使用的波长间隔较小的时候，带间串扰则是影响系统Q参数的最关键因素；而对40Gb/s的系统，PMD则是影响Q参数变化的主导因素。此外作者也证明对水下WDM系统，Q参数的时间变化主要是带间串扰引起的。
此外，伦敦大学的研究者证明了PMD可能会对时钟恢复过程里信号相位产生重要影响；而New Ridge Technologies的研究者则分析了一阶、二阶PMD对系统误码的影响。
五、PMD补偿：
首先朗讯的研究者研究了对PMD的动态补偿过程。作者对网络系统，先认为引入一定PMD，采用固定步长和可变步长两种算法来考查补偿效果。作者证明要实现对PMD及偏振态变化的良好补偿，必须保证较快的响应速度。必须保证在一个loop里，偏振度的变化小于2-3度。而德国的研究者则利用高速电子元件来完成对PMD的动态补偿。通过不断的回馈测量前向纠错系统的响应，来确定补偿效果。显然这是一个迭代过程。
六、特种光纤：
对偏振光学，很大的一个分支则是对特种光纤的研究。其中最容易想到的保偏光纤。本期法国的研究者指出，尽管保偏光纤本身能够维持较大的偏振消光比，例如50dB左右。但经常经过一些连接器以后这个消光比会明显降低，达到20-30dB左右。作者首先详细分析了消光比恶化的机理，然后建议可以通过间隔化的使用保偏光纤，交替改变快慢轴的位置来抑制这种偏振消光比的恶化。
对10Gb/s的全光网络，只要使用低PMD的光纤就可以避免它的影响，甚至可以不直接使用偏振补偿系统。但对40Gb/s及更高速度的传输网络，PMD扮演的角色会越发重要。而且目前光网络要求的服务种类和质量都在不断升级，特别是近期IPTV业务的出现，Internet流量的增长，以及FTTx市场的复苏，都加快了40Gb/s系统建设的步伐。而对这样的长距离高速光网络，不仅光纤中的PMD和PDL会对传输产生影响，甚至一些常用器件的偏振效应也必须加以考虑。本期有关光网络中偏振效应的专刊共有将近40篇文章，基本涵盖了这一领域的所有前沿研究，下面我按内容简单划分主题，并介绍如下：
一、光纤中的PMD效应：
在早期，光纤的扭转都是通过对预制棒进行操作实现的。而在1994年，Hart对扭转光纤的制作工艺做了改进，直接对光纤进行扭转。他使用两个滑轮水平安装并和光纤相连。 两个滑轮以相反的方向来回运动，从而旋转光纤。直接对光纤拉丝避免了高速旋转预制棒的问题。此外，通过对参数的优化，很容易获得低PMD的光纤。例如，采用较通用的正弦扭转拉丝技术，通过对幅度与周期这两个关键参数进行调节，可以获得超低PMD的光纤。本期CoreCom的工作者对这一工艺做了深入的研究和探讨。作者的主要创新点有两处，首先他们证明代替通常周期性的、两个滑轮相互反向的旋转，而采用单向的、定量的旋转速率可以更好的控制PMD，消除局域双折射。作者从理论和实验上同时验证了这一思路。其次作者探讨了由于拉制参数和旋转过程的差异，对光纤应力双折射的产生的影响。利用高空间精度的回切技术，作者认为精确确定拉制过程里光纤的固有双折射是完全可能的；本期意大利的另外一篇文章则是关于这种单向旋转光纤在实际链路使用中PMD特性如何优化而开展研究的。作者提出在链路中使用单向旋转，且螺旋方向相反的两种光纤，通过合理的链路设计，可以实现极低的PMD值。
再来看对两个实用化系统的研究：（1）意大利的研究者对意大利已经实用化的一个光网络系统进行了测试与维护报导，当然其研究重点也是考查系统的PMD特性。文章所涉及的系统是都灵市的骨干光网络，采用G.652光纤，掩埋式铺设。首先作者通过连续73天的持续观测，证明采用该光纤的系统具有相当稳定的差分群时延（DGD）特性。即便在该城市线路最密集，铺设错中复杂的的区域，系统仍能维持极稳定的DGD特性。（2）Purdue大学的研究者对一个商用化的1600km长，10Gb/s系统的PMD特性做了研究。作者在系统里引入额外的PMD，并采用分布式的监测程序，并对前向纠错系统体现的误码率，以及偏振相关的字符串长度（SOPL）进行实时的观测。作者证明PMD大小直接影响误码率的大小，还证明了SOPL与功率大小以及信噪比的起伏并没有直接关系。同时作者也让其引入的PMD先是均匀分布在传输链路上，然后再观测集中将等量PMD引入发射或接受端的情况。通过三种情况的测试结果比较，发现三种情况下，PMD对系统的影响没有明显差别。这个结果的实用参考价值在于，作者从商用系统的角度证明，对10Gb/s的系统，PMD在传输过程里与其他非线性因素的交互作用是可以忽略不计的。
二、偏振相关的网络性能监控：
利用传输过程信号偏振特性，也能完成许多重要的测试。例如偏振消光法就是一种很重要的偏振监测技术，可以完成对系统信噪比等重要参数的测试。通常的偏振测试方法如下：首先将偏振的信号光（可以是线偏、圆偏或椭圆偏）经过一个偏振片或其它起偏器件变成线偏光。之后在传输过程里，该线偏光会和ASE等噪声混合在一起，而噪声通常是非偏振光。再将混合光经过一个偏振片分成两束正交的光。一束含有信号光和部分噪声。另一束只含有噪声。这样再经过两个偏振片就可以分别测出一半噪声，以及一半噪声与信号混合的大小。通过简单的数学运算就可以最终测出信噪比。本期韩国Teralink Communications, Inc.的研究者对这个过程做了进一步的研究。作者指出在传输过程里信号很可能由于PMD、PDL以及两者的交互影响而去极化，而噪声方面则可能部分极化，这些变化最终会影响测量精度。作者为了消除这些影响，对原有系统进行了改进。其实道理很简单。假设在偏振分束的时候由于去偏效应，原先本来只有噪声的那个偏振分量必然会有部分信号光存在。因此不能简单的测出噪声大小。这里作者改使用偏振分束器，一路得到信号光加部分噪声的光。另一路则包含了由于去偏而漂移的部分信号光分量和另一半噪声。作者使用一个3dB耦合器再将第二路分为两束，而其中一束使用一个带通滤波器，大大缩小了噪声通过的可能性（近似认为没有噪声通过）。这样可以近似测出去偏的信号强度，结合第二束光可以得到噪声大小，再结合三束光获得信号光的大小，最终测到信噪比。作者把这样的改进方案应用在了一120km的WDM系统信噪比测定上，最终证明其改进系统对信噪比的测试精度，即使在存在60ps的大DGD下，也可以维持在正负1dB左右。
在光网络里，所谓的偏振测量有两个含义，一方面是利用偏振效应去测量其它的性能参数，而另一个方面则是对关键偏振参数，如PMD、PDL等进行测定。对后者本期Fujikura Ltd.的研究者提出可以通过使用偏振的光时域反射计来对DGD局域进行测量，进而通过适当算法来获得PMD大小。
三、PMD评估方法：
由于PMD变化复杂，且时间相关，因此对PMD的精确评估一直研究者较为关注的研究课题。从本次专刊来看，关于这个问题，最多的还是基于统计学的原理来考虑这个问题。因为涉及到大量数学内容，我不想对这个问题做太多的介绍，只罗列主要论文，并把侧重点放在他们的结论部分：（1）首先有一篇特邀论文来自伦敦大学，作者采用统计方法对PMD以及其引起的BER改变做了分析。一个有趣的结论是作者证明PMD引起的BER变化，其对数是一个Gumbel分布，在统计学里，这是一个典型的最小极值分布，其均方根函数图样是倾向左侧的；（2）Maryland Baltimore大学的另一篇特邀论文是考虑在使用蒙特卡罗法算法对PMD统计测量过程里一些误差的影响，并想办法避免这些影响；（3）France Telecom的研究者通过统计分析和测量证明了PMD和PDL的交互作用可能导致在传输带通内信号损耗的随机抖动（LRs），作者证明这是一个重要的量，会对滤波等过程有较大影响。
四、PMD对光网络性能的影响：
首先，Tyco Telecommunications的研究者发表的一篇特邀论文立足于分析偏振效应对水下铺设的WDM系统的影响。通过对现有系统，以及计划中系统的测试比较，作者证明对10Gb/s，长距离，波长间隔较大的WDM水下系统，PDL将是影响系统性能，引起Q参数变化的关键因素；而同样系统，如果使用的波长间隔较小的时候，带间串扰则是影响系统Q参数的最关键因素；而对40Gb/s的系统，PMD则是影响Q参数变化的主导因素。此外作者也证明对水下WDM系统，Q参数的时间变化主要是带间串扰引起的。
此外，伦敦大学的研究者证明了PMD可能会对时钟恢复过程里信号相位产生重要影响；而New Ridge Technologies的研究者则分析了一阶、二阶PMD对系统误码的影响。
五、PMD补偿：
首先朗讯的研究者研究了对PMD的动态补偿过程。作者对网络系统，先认为引入一定PMD，采用固定步长和可变步长两种算法来考查补偿效果。作者证明要实现对PMD及偏振态变化的良好补偿，必须保证较快的响应速度。必须保证在一个loop里，偏振度的变化小于2-3度。而德国的研究者则利用高速电子元件来完成对PMD的动态补偿。通过不断的回馈测量前向纠错系统的响应，来确定补偿效果。显然这是一个迭代过程。
六、特种光纤：
对偏振光学，很大的一个分支则是对特种光纤的研究。其中最容易想到的保偏光纤。本期法国的研究者指出，尽管保偏光纤本身能够维持较大的偏振消光比，例如50dB左右。但经常经过一些连接器以后这个消光比会明显降低，达到20-30dB左右。作者首先详细分析了消光比恶化的机理，然后建议可以通过间隔化的使用保偏光纤，交替改变快慢轴的位置来抑制这种偏振消光比的恶化。
