專利名稱：光傳輸介質(zhì)中傳輸畸變高階補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)的領(lǐng)域。具體地說，涉及光傳輸介質(zhì)中諸如偏振模式色散等傳輸畸變的補(bǔ)償方法和裝置。
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2001年9月27日提交的共同未決的美國臨時(shí)申請No.60/325,422的權(quán)益，將其全部公開的內(nèi)容通過引用作為一個(gè)整體包括在本文中。
背景技術(shù)：
所有光學(xué)介質(zhì)都在不同程度上受到光速度與偏振有關(guān)，即雙折射現(xiàn)象的困擾。偏振模式色散源自于光學(xué)傳輸系統(tǒng)中傳輸介質(zhì)的雙折射現(xiàn)象。由于光纖缺陷和非對稱應(yīng)力造成纖心不圓，即使由”單?！惫饫w構(gòu)成的傳輸介質(zhì)中也存在雙折射現(xiàn)象。理想的單模光纖應(yīng)該具有圓形的纖心，也就是說，纖心是各向同性的和沒有偏心的。這種理想的光纖是各向同性的，也就是說，光纖的折射率與電場的取向無關(guān)，即，與光的偏振無關(guān)。纖心的各向異性(例如偏心)導(dǎo)致雙折射，使得不同偏振方向的光在光纖中的傳播速度不相同。
當(dāng)纖心由于制造、應(yīng)力、震動(dòng)或這些因素的綜合作用變成偏心之后，可能在光纖中發(fā)生這種被稱為雙折射的現(xiàn)象。理想的光纖是各向同性和不偏心的，是非雙折射的。理想光纖的折射率與它傳輸?shù)墓饩€，也就是在光纖中傳播的光的電場的偏振方向沒有關(guān)系。
單模光纖中的光傳播由兩個(gè)基?；颉敝鳌蹦Ｋ?，在理想光纖中所述兩個(gè)基模是簡并的(即，不能辨別的)。這些模式通常稱為”主偏振狀態(tài)”(“PSP”)。光纖中的各向異性(例如偏心)導(dǎo)致雙折射，并由此導(dǎo)致兩個(gè)主模簡并的消失。其結(jié)果是各向異性光纖所傳輸?shù)墓獾闹髂Ｒ圆煌乃俣刃羞M(jìn)，從而分離成兩股輕微移位的脈沖。這種擴(kuò)展現(xiàn)象導(dǎo)致數(shù)據(jù)流中相鄰的脈沖互相重疊，造成數(shù)據(jù)多義性或丟失(一種稱為”偏振模式色散(PMD)”的狀態(tài))。在各向異性光纖中兩個(gè)PSP(主偏振狀態(tài))之間的擴(kuò)展稱為光纖的”微分群時(shí)延”(DGD)。
要糾正光纖中的PMD和其它畸變效應(yīng)需要精確地測量光纖所傳輸?shù)墓獾钠裉匦?。目前的測量方法在本質(zhì)上可以分為電子的或光學(xué)的。通常，光學(xué)測量方法或者需要控制光源或者只提供對PMD特性的定性測量。作為示例，有一種方法提供偏振度(DOP)的測量，所述測量結(jié)果可以供后繼的迭代PMD校正算法使用。
在利用單根光纖傳輸許多波長信道的密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中，PMD校正問題和其它傳輸畸變影響問題是復(fù)雜的，這是因?yàn)楣饫w的DGD和PSP通常是隨著頻率而改變的。使用一階PMD近似補(bǔ)償通常假定信道的DGD值和PSP是與頻率無關(guān)的，這對某些應(yīng)用而言是足夠的了。然而，寬闊頻譜的調(diào)制形式或者數(shù)據(jù)速率高的信號(例如40Gbit/sec或更高)一般呈現(xiàn)出在單一信道調(diào)制帶寬范圍內(nèi)PSP變化、DGD變化或二者均呈現(xiàn)變化，變化程度之大使得不能利用一階近似來將其忽略。
因此，需要有一種技術(shù)提供對偏振參數(shù)進(jìn)行直接測量而無須對光源進(jìn)行控制，通過單一操作就能校正PMD和其它傳輸效應(yīng)。而且，這些技術(shù)還應(yīng)該能夠表征并校正光纖鏈路中高階的，也就是與頻率有關(guān)的PMD效應(yīng)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及校正光信號中PMD和其它傳輸畸變的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明，可以測量在信道內(nèi)的一階和高階偏振狀態(tài)隨著頻率的變化。測量出這種變化后，可以有效地補(bǔ)償畸變影響并切實(shí)加以消除。這些方法和裝置不僅限于單信道的結(jié)構(gòu)，而且也適用于單條光纖鏈路中傳輸多個(gè)通信信道，如密集波分復(fù)用(DWDM)的結(jié)構(gòu)。
在一方面中，本發(fā)明涉及用于校正具有至少一條通信信道的光信號的PDM的方法。確定通信信道中含有多個(gè)子帶的光信號的偏振狀態(tài)并用來確定特征PMD矢量。確定特征DGD并用來確定至少兩個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值，這些設(shè)定值當(dāng)被用到光信號時(shí)，使得跨越通信信道的多個(gè)子帶的光信號的偏振狀態(tài)基本上相同。被確定的偏振狀態(tài)可以是例如Stokes矢量或Jones矢量。而且，可以使用相應(yīng)數(shù)目的補(bǔ)償級將所確定的補(bǔ)償設(shè)定值加到光信號上。
在一個(gè)實(shí)施例中，確定特征PMD矢量包括根據(jù)所確定的偏振狀態(tài)構(gòu)造一組矢量。而這些矢量本身又被用來構(gòu)造一組與頻率有關(guān)的PMD矢量。所述PMD矢量可以用來確定特征PMD矢量。在一個(gè)實(shí)施例中，特征PMD矢量基本上滿足對所確定的一組與頻率有關(guān)的PMD矢量的最小二乘擬合。
在一個(gè)實(shí)施例中，對隨頻率而變的所確定的光的偏振狀態(tài)的二階擬合被用來確定特征DGD。在另一個(gè)實(shí)施例，特征PMD矢量的幅度被用來確定DGD。
在另一個(gè)實(shí)施例，確定補(bǔ)償設(shè)定值涉及選擇目標(biāo)偏振狀態(tài)值和選擇補(bǔ)償設(shè)定值，使得當(dāng)將補(bǔ)償設(shè)定值加到光信號時(shí)，所選目標(biāo)偏振狀態(tài)值與整個(gè)通信信道所含的多個(gè)子頻段的偏振狀態(tài)之間的差別大大減小。所選目標(biāo)偏振狀態(tài)可以是例如在頻帶中心頻率的偏振狀態(tài)值。至少一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值的幅度的大小可以改變。
在再一個(gè)實(shí)施例中，確定補(bǔ)償器設(shè)定值的過程涉及利用特征DGD和特征PMD矢量從存儲(chǔ)預(yù)先確定的補(bǔ)償器設(shè)定值的存儲(chǔ)器中檢索出至少一個(gè)補(bǔ)償器設(shè)定值。而且，所檢索的初始補(bǔ)償設(shè)定值可以作為優(yōu)化例行程序的輸入，優(yōu)化例行程序的運(yùn)算結(jié)果可以用作補(bǔ)償設(shè)定值。典型的優(yōu)化例行程序包括(但不局限于)Levenberg-Marqardt算法。在一個(gè)實(shí)施例中，將所確定的補(bǔ)償設(shè)定值加到光信號中的步驟涉及計(jì)算與所述補(bǔ)償器設(shè)定值相對應(yīng)的偏振控制器的旋轉(zhuǎn)Mueller矩陣。如上所述，所述方法可以基本上同時(shí)地應(yīng)用到光信號的多個(gè)通信信道。
再另一方面中，本發(fā)明涉及校正至少擁有一條通信信道的光信號的PMD的裝置。所述裝置包括偏振狀態(tài)檢測器和兩個(gè)補(bǔ)償器。偏振狀態(tài)檢測器接收光信號并提供對所述通信信道的多個(gè)子帶的光信號的偏振狀態(tài)的測量結(jié)果。一個(gè)補(bǔ)償器接收光信號并在其上迭加第一DGD，然后，另一個(gè)補(bǔ)償器接收光信號并在其上施加第二DGD。兩個(gè)補(bǔ)償器DGD的大小和方向根據(jù)偏振狀態(tài)測量值來決定，以便減小光信號的PMD影響。
在一個(gè)實(shí)施例中，至少有一個(gè)補(bǔ)償器包含多個(gè)偏振控制器，每個(gè)控制器與特定的一條通信信道相聯(lián)系。在另一個(gè)實(shí)施例，至少有一個(gè)補(bǔ)償器進(jìn)一步包括多路分解器和多路復(fù)用器，二者與偏振控制器串聯(lián)；以及與多路復(fù)用器串聯(lián)的共用的延遲線。合適的共用延遲線包括(但不局限于)偏振保持光纖；具有一對偏振分光器和一對反射鏡的自由空間延遲線；以及其間夾著雙折射晶體的一對準(zhǔn)直器。
從以下的說明、附圖和權(quán)利要求書將更加明白本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡要說明參閱下面結(jié)合附圖所進(jìn)行的說明可以更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的PMD補(bǔ)償方法的流程圖；圖2表示光學(xué)傳輸系統(tǒng)的PMD矢量和PSP(主偏振狀態(tài))的Poincare球表示。
圖3是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)钠駹顟B(tài)測量值和根據(jù)本發(fā)明作為頻率的函數(shù)進(jìn)行一階和高階補(bǔ)償?shù)男Ч赑oincare球上的投影；以及圖4展示根據(jù)本發(fā)明的高階PMD補(bǔ)償裝置的實(shí)施例。
在這些附圖中，相同的標(biāo)注字符一般是指所有不同視圖的對應(yīng)部分。附圖沒有比例尺，只是著重說明本發(fā)明的原理和概念。
發(fā)明的詳細(xì)說明；從整體上簡略地看，本發(fā)明確定在一條光纖鏈路中一條或多條通信信道的一個(gè)或多個(gè)子帶的偏振特性。這些特性可以被特征化為例如Stokes或Jones矢量，矢量的參數(shù)以頻率的函數(shù)的形式變化。本發(fā)明使用這些所測量的特性來糾正信道中高階的，也就是與頻率有關(guān)的PMD效應(yīng)。本發(fā)明的方法和裝置很容易應(yīng)用于單信道或多信道傳輸系統(tǒng)。對于后者(多信道)情形，本發(fā)明的實(shí)施例可以同時(shí)測量多個(gè)信道并提供補(bǔ)償。
如圖1所示，在某光學(xué)傳輸介質(zhì)中根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行PMD補(bǔ)償方法的實(shí)施例從確定跨越所述通信信道的各子帶的入射光的偏振狀態(tài)(步驟100)開始。接下來根據(jù)這些測量值計(jì)算出PMD矢量，所述矢量表征了整個(gè)被測頻率范圍的光學(xué)信道的PMD行為(步驟104)。獲得特征PMD矢量之后，就可以導(dǎo)出表征整個(gè)被測頻率范圍的DGD行為的DGD值(步驟108)。有了這些信息就可以進(jìn)行高階PMD補(bǔ)償，所述補(bǔ)償使被測量的偏振狀態(tài)基本上與所要求的偏振狀態(tài)相同。所述補(bǔ)償過程(步驟112)涉及確定對應(yīng)于系統(tǒng)中存在的補(bǔ)償級數(shù)目的一個(gè)或多個(gè)PMD補(bǔ)償設(shè)定值；以及隨后的配置所述各補(bǔ)償級，以便實(shí)現(xiàn)PMD補(bǔ)償設(shè)定值。
在補(bǔ)償過程中，所接收的用于測量的入射光通常通過諸如纖心或自由空間等光學(xué)介質(zhì)來傳送，并且一般含有一個(gè)或多個(gè)通信信道。在某些實(shí)施例中，每個(gè)通信信道通常具有包括若干獨(dú)立頻率子帶的單獨(dú)頻帶，信道之間存在保護(hù)頻帶。
在一個(gè)實(shí)施例中，偏振狀態(tài)測量(步驟100)是使用多信道頻譜偏振計(jì)進(jìn)行的。在未決的美國專利申請No.10/218,681中描述了這種偏振計(jì)，所述申請的全部公開的內(nèi)容通過引用作為一個(gè)整體包括在本文中。在另一實(shí)施例，所述測量是通過以同樣的終端排列成陣列的多臺(tái)單信道偏振計(jì)進(jìn)行的。在再一個(gè)實(shí)施例中，為了可以選擇頻率，這些測量通過與至少一個(gè)可調(diào)濾光器串聯(lián)的一臺(tái)單信道偏振計(jì)進(jìn)行。所述偏振計(jì)測量可以跨越幾個(gè)子帶進(jìn)行并且可以具有一個(gè)或幾個(gè)通信信道的跨度，這取決于一個(gè)或幾個(gè)頻帶的寬度以及測量頻帶的相對于分配給各別的通信信道的頻帶的最終界限。
偏振狀態(tài)的測量結(jié)果一般采用一種或多種傳統(tǒng)的形式方法例如Stokes矢量來表達(dá)。Stokes矢量是具有4個(gè)元素的，用以描述偏振狀態(tài)的列矢量。這些元素從入射光的強(qiáng)度算出，好象入射光通過不同的偏振裝置，即，50％透射濾光器(定義為I0)、純水平線性偏振器(定義為I1)、傳輸軸與水平軸成45°角的純線性偏振器(定義為I2)和純右旋圓偏振濾光器(定義為I3)。因此，矢量S可表達(dá)為 (式1)各個(gè)Stokes參數(shù)Si還具有它們本身的物理意義。S0是總強(qiáng)度并一般歸一化為1。參數(shù)S1到S3分別量度水平線性偏振相對于垂直線性偏振的偏振度、+45度線性偏振相對于-45度線性偏振的偏振度和左旋圓偏振相對于右旋圓偏振的偏振度。
可以采用關(guān)于偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)的其它形式方法例如Jones矢量來表達(dá)偏振狀態(tài)測量結(jié)果。雖然，本發(fā)明的范圍包括用于表達(dá)偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)的任何形式方法，但為簡單起見，本文討論時(shí)假定使用Stokes矢量去表示偏振狀態(tài)測量結(jié)果。
所述測量步驟(步驟100)的結(jié)果是一組偏振狀態(tài)測量值Si(ω)，其中每一個(gè)測量值與入射光的不同頻率或頻帶相聯(lián)系。所述結(jié)果頻率采樣值是空間色散偏振計(jì)的檢測器間距和色散的函數(shù)，而對主動(dòng)掃描的偏振計(jì)而言，采樣值是濾光器帶寬和測量點(diǎn)之間濾光器頻譜增量的函數(shù)。例如，對于25微米的檢測器間距和200GHz/mm的頻譜色散所得結(jié)果是橫跨每一個(gè)檢測器的5GHz的頻譜采樣值。
可以很方便地將每一個(gè)偏振狀態(tài)測量值表達(dá)為Stokes矢量S。所述矢量在Poincare球面上用一個(gè)點(diǎn)來表示。參閱圖2，用Poincare球可以方便地表達(dá)所有可能的橢圓偏振狀態(tài)的組合。球面上的一條緯線表示一個(gè)給定的橢圓度，赤道表示線性偏振，而球的兩極表示圓偏振?？缭絻砂肭?，偏振的”左右旋狀態(tài)”則改變。在上半球表示右旋偏振，而在下半球表示左旋偏振。球面上的經(jīng)度的一度表示物理上0.5度旋轉(zhuǎn)。而且，每條經(jīng)線代表由光的電場矢量E定義的橢圓半主軸的一個(gè)固定的方位角。
在圖2的Poincare球面上，系統(tǒng)的PMD被定義為Ω以球體原點(diǎn)為起點(diǎn)的矢量，其方向與系統(tǒng)的PSP之一重合，而且其幅度等于信道的DGD的一半。在一階PMD近似中，以Poincare球面上各點(diǎn)的形式畫出偏振測量值在Poincare球面上的軌跡是一條圓弧。
指定的輸入偏振狀態(tài)P以矢量的形式出現(xiàn)，所述矢量與Ω共享球體的原點(diǎn)，但二者取向不同。P是系統(tǒng)PSP的線性組合，且每一個(gè)分量的相對強(qiáng)度分別由cos2(2θ)和sin2(2θ)給出。2θ是Poincare球體中P和Ω之間的夾角。如果輸入偏振矢量取PMD矢量的方向，即P和Ω重合，則入射光的能量集中在一個(gè)PSP且假定取一階近似時(shí)不存在PMD色散。
取一階PMD近似的話，矢量Ω無論方向和幅度都是恒定的。但是，信道的PMD(由此而及信道的DGD和PSP)一般是依賴于頻率的。在圖2所示的Poincare球上，DGD隨著率的變化表現(xiàn)為PMD矢量Ω的長度隨頻率的變化。同樣，PDP隨頻率的變化以Ω矢量的取向隨著頻率的變化體現(xiàn)出來。
給定一組表征信道(定義為Si(ω))跨越不同子帶頻率的入射光的偏振狀態(tài)的測量值(例如Stokes矢量P)，下一步就是確定表征信道在整個(gè)被測量的頻率范圍內(nèi)依賴于頻率的PMD行為的PMD矢量(步驟104)。下面的討論將提出一個(gè)用來確定所述矢量的方法。然而應(yīng)該講明的是，本發(fā)明所涵蓋的范圍包括所有利用偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)來確定特征PMD矢量的方法，例如，通過利用偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)造使一個(gè)或多個(gè)判據(jù)最小化或最大化的矢量。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過計(jì)算相繼的偏振狀態(tài)測量值的矢量差，即ΔSi＝Si+1-Si，使用一組偏振狀態(tài)測量值Si(ω)來計(jì)算一組進(jìn)動(dòng)矢量ΔSi。假定在每一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量ΔSi所跨越的頻率范圍內(nèi)信道PMD是不變的，可以根據(jù)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量ΔSi來確定PMD矢量Ωi，使得PMD矢量對應(yīng)于每一個(gè)頻率間隔的進(jìn)動(dòng)。而所需的PMD矢量Ωi則垂直于它所對應(yīng)的進(jìn)動(dòng)矢量Ωi·ΔS＝0 (式2)矮可以利用從所測量的偏振狀態(tài)Si(ω)導(dǎo)出的一組PMD矢量Ωi來確定用以表征跨越整個(gè)所考慮的頻譜信道的PMD矢量的PMD矢量Ωfit(步驟104)。例如，PMD矢量Ωfit可以滿足一個(gè)或多個(gè)特定的優(yōu)化判據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，PMD矢量Ωfit是關(guān)于偏振測量值Si(ω)的最小二乘擬合Ω‾fit=Ω‾∋minΩ‾Σi|Ω‾i·ΔS‾i|2]]>(式3)最小二乘擬合可以使用常用的算法通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，最小二乘擬合的實(shí)現(xiàn)過程就是求解特征值問題。這樣，圍繞PMD矢量隨著頻率的進(jìn)動(dòng)形成轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣Ω，并且不同測量值之間Stokes矢量的差值形成列矢量ΔSΣi|Ω‾i·ΔS‾i|2=Σi(ΩTΔS)·(ΔSTΩ)=ΩT[Σi.(ΔSΔST)]Ω]]>(式4)當(dāng)ΩTΔS＝cosθ，其中θ是PMD矢量與矢量ΔSi之間的夾角，總和成為PMD矢量Ω與微分線段之間的垂直性的量度
Σi|Ω‾i·ΔS‾i|2=Σi(ΩTΔS)·(ΔSTΩ)=Σcos2θi]]>(式5)定義A≡Σi(ΔSΔST)]]>(式6)優(yōu)化問題變成Ωfit=Ω∋[minΩ(ΩTAΩ)=minΩΣicos2θi]]]>(式7)這個(gè)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果是PMD矢量Ωfit，它處于與微分線段ΔSi的最佳的垂直位置。通過定義SZ為A的對應(yīng)于A的最小的特征值的歸一化特征矢量，可以將特征PMD矢量與信道的DGD聯(lián)系起來Ωfit＝τ·Si(式8)其中τ是DGD。
確定了特征PMD矢量Ωfit之后，就可以設(shè)定一階PMD補(bǔ)償器來為相應(yīng)頻道提供最佳一階補(bǔ)償。這些技術(shù)在未決美國專利申請No.10/101,427作詳細(xì)的討論，其全部公開的內(nèi)容通過引用作為一個(gè)整體包括在本文中。
流程的下一步是導(dǎo)出表征鏈路的DGD的數(shù)值(步驟108)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟就是用二階多項(xiàng)式去擬合測量所得的偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)。選擇偏移項(xiàng)A，所要求的多項(xiàng)表達(dá)式是S(ω)＝A+Bω+Cω2+其余項(xiàng) (式9)在一個(gè)實(shí)施例中，偏移項(xiàng)A是以So為中心頻率的頻帶的偏振狀態(tài)的估計(jì)值。所述估計(jì)值可以表達(dá)為，例如，Stokes矢量。
使用這種多項(xiàng)式擬合，通過將S(ω)的軌跡投影到垂直于SZ的平面上，來以頻率的函數(shù)的形式模擬信道的DGD。而軌跡在所述平面投影的角速度，就是作為頻率的函數(shù)的DGD的瞬時(shí)DGD高階量度。給定所述平面的旋轉(zhuǎn)角θ(ω)，則DGDτ近似為最佳擬合角速度的斜率θ＝τω+C+其余項(xiàng)(式10)使用所述信息可以將高階PMD補(bǔ)償加到信道上使得被測量的偏振狀態(tài)基本上等于所要求的偏振狀態(tài)S0(ω0)。所述補(bǔ)償過程(步驟112)涉及為出現(xiàn)在系統(tǒng)里的每一個(gè)補(bǔ)償器確定一個(gè)PMD補(bǔ)償矢量以及隨后配置所述補(bǔ)償器以便實(shí)現(xiàn)所述PMD補(bǔ)償矢量。與固定延遲線的情況一樣，補(bǔ)償矢量的幅度可以是恒定的，也可能是變化的，與可變延遲線的情況類似?？勺冄舆t線把PMD矢量的幅度作為額外變量加到以下將要討論的優(yōu)化計(jì)算中，擴(kuò)展最后優(yōu)化的優(yōu)化空間或者要求查找表的附加的自由度。本發(fā)明的主要原理包括任意高階的補(bǔ)償，如三階或四階補(bǔ)償。所以，雖然為了解釋方便，如下討論集中在二階補(bǔ)償，但本發(fā)明的范圍不局限于此。
在一個(gè)提供二階補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例，確定兩個(gè)PMD矢量Ω1和Ω2，PMD矢量Ω1和Ω2顯著地減小所要求的偏振狀態(tài)與在跨越各信道不同波段的不同頻率所測量的信道偏振狀態(tài)之間的差別。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算補(bǔ)償矢量相當(dāng)于求被補(bǔ)償波段的偏振狀態(tài)和所需偏振狀態(tài)之間差值的積分的最小值Ω1,Ω2∋minΩ1Ω2∫|ω|≤BW|eωΩ2ΣeωΩ1ΣeωΩ2ΣS0-S0|2dω]]>(式11)在一個(gè)實(shí)施例中，可以把計(jì)算此積分簡化為求在測量步驟100中利用偏振計(jì)測得的這些頻率處差值的總和Ω1,Ω2∋minΩ1Ω2Σk|eωkΩ2ΣeωkΩ1ΣeωkΩΣS0-S0|2]]>(式12)上述計(jì)算的結(jié)果可以事先計(jì)算好供以后使用。首先，選擇特征PMD矢量(即Ωfit)的取值范圍與特征DGD(即τ)的取值范圍。其次，針對不同的(Ωfit，τ)對計(jì)算補(bǔ)償矢量。將結(jié)果所得到的補(bǔ)償矢量(例如在一個(gè)二級補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例中的Ω1和Ω2)存儲(chǔ)起來。對高階的實(shí)施例，將計(jì)算適當(dāng)數(shù)目的補(bǔ)償矢量并加以存儲(chǔ)。
針對(Ωfit，τ)對的補(bǔ)償矢量可以被存儲(chǔ)為，例如查找表。在被檢索的時(shí)候，這些預(yù)先計(jì)算好的數(shù)值可以被用來作為式11或式12局部優(yōu)化的初始條件，附帶將Poincare空間中的PMD矢量的方向作為獨(dú)立變量。使用式11或式12、所檢索得到的初始條件以及所測得的偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)，就可以使用一個(gè)優(yōu)化的例行程序去確定高階補(bǔ)償解?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾個(gè)這樣的優(yōu)化技術(shù)，例如著名的Levenberg-Marquardtsu算法。
確定了補(bǔ)償矢量(例如Ω1和Ω2)之后，要么實(shí)時(shí)地，要么離線地將補(bǔ)償矢量轉(zhuǎn)換成適合于補(bǔ)償裝置運(yùn)作的形式。例如，當(dāng)補(bǔ)償器是與延遲線或偏振保持光纖組合的偏振控制器時(shí)，補(bǔ)償矢量可以被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)Muller矩陣。在二階補(bǔ)償實(shí)施例中，這些矩陣由如下方程確定Ω1=RPC1001]]>(式13)Ω2=RPC1RPC2001]]>(式14)式中RPC1和RPC2分別表示一階和二階偏振控制器在Poincare空間中的旋轉(zhuǎn)矩陣。這兩個(gè)方程被解出之后，旋轉(zhuǎn)矩陣RPC1和RPC2的數(shù)值可以被用來確定偏振控制器的各個(gè)延遲器元件的偏振設(shè)定值。
圖3表示使用本發(fā)明的高階補(bǔ)償技術(shù)的好處與傳統(tǒng)的假定信道PMD與頻率無關(guān)技術(shù)的比較。圖3是補(bǔ)償和不補(bǔ)償?shù)钠駹顟B(tài)測量值當(dāng)出現(xiàn)在Poincare球時(shí)的二維投影。未補(bǔ)償?shù)钠駹顟B(tài)測量值300表示信道中的PMD依賴于頻率的關(guān)系。在一階的情形下，即與頻率無關(guān)的情況，補(bǔ)償值被加到相同的偏振狀態(tài)集合中，得到經(jīng)過補(bǔ)償?shù)钠裰?04。顯然，雖然由于補(bǔ)償使信道中PMD得以減小，但未完全被消除。在二階的情形下，也就是與頻率有關(guān)的情況，將根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行補(bǔ)償。得到經(jīng)過補(bǔ)償?shù)钠裰?08。顯然，高階補(bǔ)償使得信道在各個(gè)被測量的頻率處的Stokes矢量實(shí)際上等同。使用更高階的，例如三階或四階補(bǔ)償技術(shù)可以得到類似的結(jié)果。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明二階PMD補(bǔ)償?shù)难b置。每個(gè)延遲級400、400’提供單級PMD補(bǔ)償。延遲級400、400’與控制器級404通信，控制器級404測量所述延遲級之后的結(jié)果頻譜分解Stokes矢量數(shù)據(jù)并向所有延遲級的偏振控制器提供控制脈沖。根據(jù)本發(fā)明的原理，更高階的PMD補(bǔ)償可以通過額外附加延遲級或其等價(jià)物獲得。
在圖4所示的實(shí)施例，每個(gè)延遲級包括多路分解器408、408’；每個(gè)信道的偏振控制器412、412’；多路復(fù)用器416，416’；以及共共延遲線420，420’。多路分解器408、408’接收通常包含多個(gè)通信信道的入射光并使信道在空間上分散開來。使通信信道在空間上分散開來使得可以并行地配置多臺(tái)設(shè)備同時(shí)處理多個(gè)信道。例如，在本實(shí)施例，多路分解器408的輸出被提供給偏振控制器的并行陣列412、412’，每一個(gè)信道一個(gè)偏振控制器。偏振控制器412、412’能夠在多路復(fù)用器416將信道重新組合以便經(jīng)由公共延遲線420傳輸之前改變通信信道的偏振狀態(tài)。通常這些控制器從控制器模塊404接收它們的設(shè)定值，這些設(shè)定值確定上面所述的所需的校正值。
多路分解器408、408’和多路復(fù)用器416，416’可以是例如色散準(zhǔn)直器，一個(gè)正向取向，另一個(gè)反向取向。典型的偏振準(zhǔn)直器412包括可變延遲器陣列。根據(jù)不同實(shí)施例，延遲線420可以是例如偏振保持光纖、包括偏振分光器和兩個(gè)反射鏡的自由空間延遲器或準(zhǔn)直器之間的雙折射晶體。
在本實(shí)施例，控制級404包括光學(xué)監(jiān)視器424；檢測器電子線路428；處理器電子線路432；以及偏振控制器的驅(qū)動(dòng)電子線路436。
在信號流通過延遲級400、400’之后，光學(xué)監(jiān)視器424對其取樣。然后，光學(xué)監(jiān)視器測量被取樣的光的強(qiáng)度并向檢測器電子線路428提供所測得的強(qiáng)度值。在其它實(shí)施例，光學(xué)監(jiān)視器424在第一補(bǔ)償級之前，或在偏振控制器之前或之后，對補(bǔ)償級之間的信號流進(jìn)行取樣。檢測器電子線路428將強(qiáng)度測量值轉(zhuǎn)換成偏振狀態(tài)測量值，檢測器電子線路428又將偏振狀態(tài)測量值提供給處理器電子線路432。光學(xué)監(jiān)視器424和檢測器電子線路428的一個(gè)實(shí)施例是在未決的美國專利申請No.10/218,681所描述的偏振計(jì)，所述申請的全部公開的內(nèi)容通過引用作為一個(gè)整體包括在本文中。處理器電子線路432使用上面所述的高階補(bǔ)償算法后產(chǎn)生合適的參數(shù)設(shè)定值供偏振控制器412、412’使用(通過驅(qū)動(dòng)電子線路436)以便顯著地降低通信信道中PMD的影響。所述高階補(bǔ)償算法可以用軟件、硬件或它們的組合的形式實(shí)現(xiàn)。處理器電子線路432可以是一個(gè)或多個(gè)專用電子元件，例如專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、或包括處理器和存儲(chǔ)器的通用計(jì)算設(shè)備。
可以作許多替代和修改而不會(huì)超越本發(fā)明的精神和范圍。因此，應(yīng)該明白，雖然已經(jīng)用示例的方式展示這些實(shí)施例，但不能作為對本發(fā)明的限定。本發(fā)明將由下面的權(quán)利要求書所限定。因此，應(yīng)當(dāng)把這些權(quán)利要求理解為不僅在字面上包括由權(quán)利要求書所提出的內(nèi)容而且包括雖然在其它方面與上面示例所展示和說明不完全一致但實(shí)際上與權(quán)利要求書沒有差別的等同物。
權(quán)利要求
1.一種校正具有至少一個(gè)通信信道的光信號中的偏振模式色散的方法，所述方法包括(a)確定所述通信信道的多個(gè)頻率子帶下所述光信號的偏振狀態(tài)；(b)利用所述確定的偏振狀態(tài)確定特征偏振模式色散矢量；(c)確定特征微分群延遲；以及(d)根據(jù)所述特征微分群延遲確定至少兩個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值，當(dāng)把所述設(shè)定值加到光信號時(shí)，所述設(shè)定值使得跨越所述通信信道的多個(gè)頻率子帶的所述光信號的各偏振狀態(tài)基本上相同。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述確定的偏振狀態(tài)是Stokes矢量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述確定的偏振狀態(tài)是Jones矢量。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括(e)利用對應(yīng)個(gè)數(shù)的補(bǔ)償級將所述確定的補(bǔ)償設(shè)定值加到所述光信號中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(b)包括(b-1)根據(jù)所述確定的偏振狀態(tài)構(gòu)造一組矢量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(b)包括(b-2)根據(jù)步驟(b-1)的所述構(gòu)造的矢量構(gòu)造依賴于頻率的偏振模式色散矢量。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(b)還包括(b-3)根據(jù)步驟(b-2)的所述矢量確定特征偏振模式色散矢量。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述特征偏振模式色散矢量基本上滿足對步驟(b-2)的所述確定的矢量的最小二乘方擬合。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(c)包括(c-1)利用對作為頻率函數(shù)的所述確定的光偏振狀態(tài)的二階擬合來確定所述特征微分群延遲。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(c)包括(c-2)利用所述特征偏振模式色散矢量的幅度來確定所述微分群延遲。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(d)包括(d-1)選擇目標(biāo)偏振狀態(tài)值；以及(d-2)這樣確定所述補(bǔ)償設(shè)定值，使得當(dāng)將所述補(bǔ)償設(shè)定值加到光信號時(shí)，所述選擇的目標(biāo)偏振狀態(tài)值和跨越通信信道多個(gè)頻率子帶的所述光偏振狀態(tài)的差別大大減小。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述選擇的目標(biāo)偏振狀態(tài)值是在頻帶中心頻率處的目標(biāo)狀態(tài)值。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述各補(bǔ)償設(shè)定值中至少一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值在幅度上有所變化。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(d)包括(d-1)利用步驟(b)和步驟(c)的結(jié)果從包含預(yù)先確定的補(bǔ)償設(shè)定值的存儲(chǔ)器中檢索至少一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(d)包括(d-2)將檢索到的所述至少一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值用于優(yōu)化例行程序中；以及(d-3)利用所述優(yōu)化例行程序的處理結(jié)果作為所述各補(bǔ)償設(shè)定值中的至少一個(gè)補(bǔ)償設(shè)定值。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述優(yōu)化例行程序是Levenberg-Marquardt算法。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(e)包括(e-1)為偏振控制器計(jì)算對應(yīng)于所述確定的補(bǔ)償設(shè)定值的旋轉(zhuǎn)Mueller矩陣。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(a)-(d)基本上同時(shí)應(yīng)用于多個(gè)通信信道的光信號中。
19.一種用于校正具有至少一個(gè)通信信道的光信號的偏振模式色散的裝置，所述裝置包括偏振狀態(tài)檢測器，用來接收所述光信號并且提供所述光信號在所述通信信道的多個(gè)頻率子帶下的偏振狀態(tài)測量值；用來接收所述光信號并且把第一微分群延遲加到所述光信號上的第一補(bǔ)償器；以及用來從所述第一補(bǔ)償器中檢索光信號并把第二微分群延遲加到所述光信號上的第二補(bǔ)償器，其中，根據(jù)所述偏振狀態(tài)測量值來確定所述第一微分群延遲和第二微分群延遲，以便所述降低偏振模式色散對所述光信號的影響。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一和第二補(bǔ)償器中至少一個(gè)包括多個(gè)偏振控制器，所述多個(gè)偏振控制器中的每一個(gè)與特定的通信信道相聯(lián)系。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括與所述多個(gè)偏振控制器串聯(lián)的多路分解器；與所述多個(gè)偏振控制器串聯(lián)的多路復(fù)用器；以及與所述多路復(fù)用器串聯(lián)的公共延遲線。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述公共延遲線是偏振保持光纖。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述公共延遲線包括包含第一偏振分光器、第二偏振分光器、第一反射鏡和第二反射鏡的自由空間延遲裝置。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述公共延遲線包括第一準(zhǔn)直儀、第二準(zhǔn)直儀和設(shè)置在所述第一準(zhǔn)直儀和所述第二準(zhǔn)直儀之間的雙折射晶體。
全文摘要
校正光信號中偏振模式色散(PMD)以及其他傳輸畸變的方法和裝置。通過測量信道內(nèi)隨頻率變化的偏振狀態(tài)，可以鑒別和表征信道內(nèi)由于畸變導(dǎo)致的偏振狀態(tài)的一階或更高階的變化，例如PMD。鑒別和表征了這些變化之后，可以補(bǔ)償畸變的影響，甚至基本上消除畸變的影響。但是，這些方法和裝置并不局限于單個(gè)信道的配置，而是包含如DWDM這樣的在一條光纖鏈路中傳輸多個(gè)通信信道的各種配置。
文檔編號G02B26/00GK1593024SQ02823407
公開日2005年3月9日 申請日期2002年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者A·梅尼科夫, J·D·塔戈夫, S·J·魏因 申請人:特拉脈沖公司