高速长距离WDM传输系统的超速偏振变化
1. 引言
当每信道传输速率达到10Gbps或更高时，偏振模式色散（PMD）成为高速长距离光传输系统的主要障碍。非凡是1995年以前生产和安装的光纤其PMD系统达到了0.5ps/k甚至更高。偏振模式色散补偿（PMDC）已被证实为降低高速光传输系统PMD的有效方法。
不幸的是，PMD随着温度和机械振动变化而变化。每一次偏振变化都可能改变系统双折射方向，从而改变整个PMD值（微分群时延和主要偏振状态）。PMD补偿器需要时时监测链路状态并对新状态作出动态调整，使之能跟得上最快PMD或偏振变化，从而保证系统的无差错传输。目前已经公布了几种尝试方法，用以跟踪实际操作条件下最快PMD或偏振变化。一个主要问题是如何检测极高速且大幅度PMD变化。长期经验发现这种情况每周甚至每月只会出现一次，取决于有限的数据库和有效概念。当PMD补偿器能够在几毫秒跟踪PMD变化时则补偿效果明显。
快速偏光计可用来识别高速偏振变化原因。据我们所知，这是行业内首次报道高速传输系统内毫秒级偏振变化。对超快速偏振变化的发现对PMD补偿器提出了更高的要求。
2. 实验装置
图1所示为观察快速偏振变化的实验装置，机械振动装置安装在桌面或工具的金属部分。
图1：实验装置图：实验使用cw激光器信号，偏振状态通过输出端的快速偏光计分析
cw激光器将波长约为1550nm的光信号输入设备并利用输出端的快速偏光计，可测量出机械偏振对偏振状态的影响。偏光计的模拟带宽为700 kHz。从偏光计输出的电信号包含有Stokes参数信息，该参数由数字抽样示波镜采集。采集数据传送到PC，将偏光计输出信号转化为Stokes参数，以便进一步分析。
3. 实验结构和讨论
在实验的开始分析了输出端盘尾纤的偏振变化。尾纤长约20m，光纤护套直径为3mm。弯曲半径约为10cm。通过撞击机架边缘或将尾纤投掷到桌面产生气械振动。图2所示为尾纤投掷到桌面后偏振变化描述图，该图形将SOP轨迹标记在立体球面。从球面轨迹可知，偏振随机变化但明显包含了一些完全的旋转。
图2：将长约20m的尾纤投掷到桌面后输出偏振状态的变化轨迹
图3：Stokes参数的时间演变
偏振改变的速度如图3所示，该图形与图2描述了相同的数据，但更清楚地表示了Stokes参数的时间变化。最快的偏振变化可根据半个立体球的演变或1毫秒内从SOP转化到正交状态观察到。
当分析色散补偿光纤（DCF）线轴的偏振状态可观察到更快的偏振变化。DCF安装在模型内，适合于产品部署。线轴上缠有约10km长的光缆，安装在一金属容器内。
将DCF模块投掷到桌面或撞击外科的金属部分可产生气械振动。其中后者产生产生的机械振动变化速度更快，大多数数据被记录用于金属采样。图4所示为利用螺旋驱动尖端撞击DCF模块后记录的Stokes参数随时间变化图，当从一个SOP转化到正交状态时偏振变化最快，历时几毫秒。
Stokes参数的数据随时间更新，经过再处理可推出更好的偏振变化速率。图5所示为Stokes向量随时间的运动速度。当螺旋驱动尖端以高于45,000转/秒的速度撞击DCF模块时可得到最快的偏振变化。
如此快速的偏振变化对实际PMD补偿器有相当大的影响。在系统上承载实时业务，可简单地推出机械振动特性。当与非激活系统共享相同的光纤面板或光缆输送管时，工作系统的尾纤被频繁地接触或移动。DCF模块的机械振动潜在原因是工具、螺旋或其它金属装置偶然撞击到机壳或通过机架传输到DCF模块时产生的其它内部或外部振动。传输系统不能屏蔽所有的机械振动源。因此可认为是由环境引起的快速偏振变化。
图4：在输出端利用螺旋驱动器尖端撞击DCF线轴，偏振变化Stokes参数随时间变化图
图5：绕Poincare球旋转，Stokes向量的运转速度
传输系统必须容忍偏振变化。常规方法是建立偏振非敏感系统，也就是说选择低偏振相关损耗（PDL）的元器件，从而避免由偏振变化和不可避免的PDL引起的功率电平变化。但PMD太严重并引起信号失真时该方案不再有效，此时需增加PMD补偿设备。系统双折身变化可能引起偏振变化，因此需要PMDC，除了光PMDC外还需要电补偿方案。两种补偿器都要按照输出端偏振变化或PMD向量变化而改变，从而保证系统无差错运行。
由机械振动引起的毫秒级偏振变化对PMDC的速度提出了高要求。目前可采用的方案是对几毫秒内的变化做出响应，机械振动发生和持续时间可限制在指定中断时间内。同时，增加PMDC数量也是一可行方案。
4. 总结与讨论
该实验利用快速偏光计说明了长距离高速传输系统偏振快速变化的原因。螺旋跳线和DCF线轴是各种机械振动的来源，将跳线投掷到桌面将在毫秒内改变光缆输出端的SOP。当在DCF线轴中应用机械振动，即使SOP变化再快速也可以被察觉。
超快速偏振变化需要高速PMD补偿器。因为传输系统中的机械振动不可避免，PMDC必须能应付由振动引起的最快速偏振变化。这就要求PMDC的速度从目前的毫秒级提高到1毫秒内。
