一種在光纖通信中的偏振穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王思堯，張陽(yáng)安，袁學(xué)光，黃永清

（北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信研究院，北京 100876）

0 引 言

新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，給傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來巨大挑戰(zhàn)，光纖通信正朝著大容量、高速率、長(zhǎng)距離的方向飛速發(fā)展，原本忽略的偏振態(tài)相關(guān)問題隨之凸顯。一方面偏振復(fù)用技術(shù)可將通信容量提高一倍，而光纖鏈路中偏振態(tài)發(fā)生隨機(jī)變化產(chǎn)生RSOP 效應(yīng)，故需對(duì)信號(hào)進(jìn)行偏振穩(wěn)定控制[1]。另一方面，偏振效應(yīng)引起的偏振模色散會(huì)展寬光信號(hào)脈沖，已成為限制高速光纖通信長(zhǎng)距傳輸?shù)闹饕蛩豙2]。因此，偏振穩(wěn)定技術(shù)的研究尤為重要。

目前，偏振穩(wěn)定控制技術(shù)主要有保偏光纖、偏振分集和偏振態(tài)檢測(cè)控制等。保偏光纖成本高，損耗較大，不宜用于長(zhǎng)距通信。偏振分集技術(shù)雖對(duì)相干接收機(jī)中的極化失配和相位噪聲問題十分有效，但由于光鏈路的增多導(dǎo)致接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高[3]。普通的偏振態(tài)檢測(cè)控制技術(shù)由于受到高速電路及數(shù)據(jù)處理能力的限制，導(dǎo)致其相應(yīng)速度慢，僅可用于偏振態(tài)變化緩慢、平穩(wěn)的場(chǎng)合。綜上，需要研制一種高響應(yīng)速度、高靈敏度的偏振穩(wěn)定裝置，將光信號(hào)偏振態(tài)在光纖通信接收端保持穩(wěn)定。

1 偏振穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文對(duì)普通的偏振態(tài)直接檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了如圖1所示的基于偏振跟蹤的直接檢測(cè)方案。它無(wú)需高速電路支持，可在光纖通信系統(tǒng)接收端實(shí)現(xiàn)偏振穩(wěn)定。

圖1 偏振穩(wěn)定系統(tǒng)

系統(tǒng)由偏振控制器（Polarization Controler，PC）、偏振分束器（Polarization Beam Splitter，PBS）、光電探測(cè)器（Photo Diode，PD）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Convertor，ADC）、數(shù)據(jù)處理單元以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Convertor，DAC）等構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)偏振穩(wěn)定的過程如下：入射光進(jìn)入偏振控制器偏振態(tài)被改變，使用偏振分束器將信號(hào)分解成兩束偏振態(tài)正交的光，并耦合成4 路輸出，其中2 路光作為偏振穩(wěn)定系統(tǒng)輸出光，另外2 路作為反饋信號(hào)進(jìn)入PD，并進(jìn)行放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換，以兩路數(shù)字電壓的形式進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元。此單元計(jì)算兩路電壓差作為反饋?zhàn)兞?，根?jù)此值推算出當(dāng)前偏振態(tài)狀態(tài)，通過反饋控制算法計(jì)算此時(shí)為保證偏振穩(wěn)定應(yīng)加至PC 的電壓值，將此電壓值轉(zhuǎn)化至模擬量后施加PC以改變光路偏振態(tài)形成反饋回路，最終實(shí)現(xiàn)輸出光信號(hào)偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。

下面理論分析該方案的可行性。

完全偏振光的斯托克斯矢量表示為：

其中，P 為光功率，ε 為橢圓率，θ 為方位角。PBS 將信號(hào)分解為兩路偏振態(tài)相互正交的光，以兩路傳輸軸為x、y 方向建立參考坐標(biāo)系，其彌勒矩陣表示為：

由于TH1、TH2兩路光信號(hào)偏振態(tài)正交，其橢圓率、方位角間有如下關(guān)系：

則式（4）和式（5）可化簡(jiǎn)為：

由于PD 輸出電信號(hào)與輸入光功率成正比，放大電路也為線性放大，故可將PD 及升壓電路當(dāng)做放大系數(shù)為α 的整體，則輸出電壓差為：

由公式知，ΔV 包含偏振態(tài)所有信息——方位角與橢圓率，且當(dāng)ΔV 保持最大時(shí)，θ=0°，ε=0°或θ=±90°，ε=±90°，即實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)的偏振態(tài)穩(wěn)定。綜上，只要通過反饋控制算法將反饋信號(hào)ΔV 穩(wěn)定在最大值，即可實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。

2 反饋控制算法

反饋控制算法采用禁忌-粒子群算法，針對(duì)粒子群算法權(quán)重固定的問題引入自適應(yīng)權(quán)重[4]，并對(duì)其陷入局部最優(yōu)值問題融入禁忌算法的禁忌思想[5]，通過禁忌表的設(shè)立，形成收斂速度快、不易陷入局部最優(yōu)值的禁忌-粒子群算法，流程如下。

（1）初始化，設(shè)定粒子數(shù)、最大迭代次數(shù)、粒子維數(shù)、禁忌表長(zhǎng)度等。

（2）計(jì)算各個(gè)粒子目標(biāo)函數(shù)，更新粒子個(gè)體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值。

（3）計(jì)算慣性權(quán)重：

其中，tmax為最大迭代次數(shù)，t 為當(dāng)前的迭代次數(shù)。

（4）根據(jù)式（12）計(jì)算更新粒子速度和位置。

（5）迭代。

（6）判斷迭代過程中解是否得到改善，若否，跳轉(zhuǎn)至步驟（7），若是，繼續(xù)迭代運(yùn)行。

（7）將得到的全局最優(yōu)解作為禁忌算法初始值在當(dāng)前解鄰域內(nèi)進(jìn)行搜索，選取適應(yīng)度值較好的候選解生成禁忌表。

（8）比較候選解和當(dāng)前全局最優(yōu)解，將較好的解作為全局最優(yōu)解，更新禁忌表。

（9）判斷是否滿足終止條件，若滿足，輸出當(dāng)前全局最優(yōu)解。

3 偏振穩(wěn)定控制實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該研究方案的有效性，搭建如圖2 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖2 偏振控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

可將整個(gè)偏振穩(wěn)定控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為3 部分。

第1 部分為入射光信號(hào)的產(chǎn)生。采用連續(xù)波激光器（Continuous Wave，CW）產(chǎn)生光源，用馬赫增德爾調(diào)制器（Mach Zehnder Modulator，MZM）對(duì)光源進(jìn)行不同格式的調(diào)制，且通過為隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)生器（Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS）調(diào)整調(diào)制信號(hào)速率，從而生成調(diào)制格式、調(diào)制速率均可調(diào)的入射光信號(hào)。調(diào)制好的光信號(hào)進(jìn)入擾偏器改變其偏振態(tài)，進(jìn)而模擬光纖通信系統(tǒng)中隨機(jī)變化的偏振態(tài)。

第2 部分為偏振穩(wěn)定系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，可分為偏振控制單元、反饋信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元3 個(gè)部分。偏振控制單元采用EOSPACE 的鈮酸鋰電控偏振控制器，用于改變光纖鏈路中的信號(hào)偏振態(tài)。反饋信號(hào)采集單元由PBS、PD 及放大電路構(gòu)成，此單元產(chǎn)生并采集兩路PD 輸出電壓差ΔV 作為反饋信號(hào)。數(shù)據(jù)處理單元使用STM32F407ZG 作為處理器，TI 的DAC8728 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。此單元對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并運(yùn)行反饋控制算法，最終輸出加載至偏振控制單元的模擬電壓。

第3 部分為偏振分析單元，將偏振控制系統(tǒng)穩(wěn)定后的光信號(hào)通過1:1 耦合器接入偏振分析儀進(jìn)行偏振態(tài)分析，通過邦加球可實(shí)時(shí)、直觀觀測(cè)當(dāng)前光纖偏振態(tài)的變化情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

激光器輸出波長(zhǎng)為1 550.12 nm，擾偏器的干擾速率設(shè)為1 krad/s，偏振控制器4 個(gè)波片分別設(shè)為1/2 波片、1/4 波片、1/2 波片、1/4 波片。

為驗(yàn)證此偏振穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)信號(hào)速率、調(diào)制格式的敏感度，對(duì)信號(hào)源分別進(jìn)行4 種不同的調(diào)制，分別為10 Gb/s NRZ-OOK、20 Gb/s NRZ-OOK、10 Gb/s NRZ-PSK 和40 Gb/s NRZ-PSK。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)上述4 種不同調(diào)制格式、調(diào)制速率的信號(hào)光分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖3 為偏振分析儀觀測(cè)到系統(tǒng)輸出光信號(hào)偏振態(tài)變化。

由圖3 觀測(cè)得，對(duì)于4 種不同調(diào)制格式、調(diào)制速率信號(hào)光，信號(hào)偏振態(tài)均由最初的雜亂無(wú)章，隨著反饋控制算法進(jìn)行穩(wěn)定在邦加球（1，0，0）點(diǎn)附近。由于邦加球?yàn)槠駪B(tài)的Stocks 矢量在球坐標(biāo)系中的直觀圖像，故信號(hào)光偏振態(tài)穩(wěn)定在邦加球上某一點(diǎn)即實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)穩(wěn)定控制，由此驗(yàn)證了該偏振穩(wěn)定系統(tǒng)的有效性，且該技術(shù)對(duì)光信號(hào)調(diào)制格式、調(diào)制速率透明。

圖3 偏振分析儀中光信號(hào)偏振態(tài)變化情況

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種光纖通信系統(tǒng)中對(duì)光信號(hào)調(diào)制格式、調(diào)制速率透明的偏振穩(wěn)定系統(tǒng)，并通過理論分析及實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。