高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术

摘 要：近年来，我国光纤通信系统发展起来，其应用规模也呈现出不断扩大的趋势，但是，在信号传输过程中，信号损伤问题越发严重，高速光纤通信系统中信号损伤主要由偏振模色散引起。本文主要从高速光纤通信系统中信号损伤与补偿介绍出发，具体阐述了高速光纤中偏振模色散概念及其测量方式，并提出了相应的高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术，希望对高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿有所帮助。

关键词：高速光纤；通信系统；信号损伤缓解；补偿技术

随着信息化时代的到来，通信成为人们日常生活不可分离的一部分，通信容量呈现出不断上升的趋势。科学家预测未来每名通信用户的通信容量高达1000Mb/s，可见未来人们对通讯需求之大，因此，高速光纤通信系统的未来发展会逐渐向高速率和大容量发展。

1 高速光纤通信系统中信号损伤与补偿

高速光纤通信系统在传播过程中常常会发生信号损伤的问题，色散和光纤耗损是导致高速光纤通信系统中信号损伤的主要原因。传统光纤系统中，多模光纤较为常见，在不同模式下光纤的信号传播速度不同，证明了信号传播过程中存在模间色散。随着科技的发展，单模光纤在光纤通信系统中使用广泛，在一定程度上减少了色散，也就缓解了模间色散的问题。 但是，随着通信容量的不断扩大，信号传输距离也越来越远，新的问题也随之出现，长距离运输过程中的光纤虚耗成为制约信号传播的关键。单模光纤能够解决模间色散问题，但是会受到材料和波导色散的干扰，导致色度色散问题的存在，在传播过程中损伤通信信号。

因此，人们开始采用色散补偿光纤来补偿色散问题，促进单载波速率的提高，进而解决信号损伤的问题。大量实践经验也表明，采取措施缓解和补偿高速光纤系统中的信号损伤能够大大提高通信的速率。

近年来，我国科学技术不断发展，偏振模色散使用广泛，相干接收和高级码型调制格式也获得了广泛的应用，导致偏振模色散和偏振串扰成为损伤通信系统的主要因素，加上光纤非线性和激光器的相位噪声的制约，信号损伤问题仍然是通信系统研究的主要问题。

2 高速光纤通信系统中偏振模色散

2.1 高速光纤中偏振模色散概念

单模光纤中，一个基模由两个相互之间垂直的偏振模组合而成，但是，单模光纤在实际运行过程中，会受到多种因素的制约，导致两个偏振模间的无法保持运行速度一致，导致脉冲展宽，进而导致偏振模色散的产生，偏振模色散产生的主要原因是：

首先，光纤自身具有双折射，光纤在运行过程中会有一些不规则的应力的产生，导致光纤信号发生折射；

其次，在铺设光缆时，光缆会受到不同程度的挤压，进而有些部位会发生弯曲和变形，加上在环境的制约下，信号在传播过程中出现偏振模的祸合效应，影响偏振模传播速度，导致偏振模色散的产生。

最后，一些信号需要经过通信器，例如滤波器和隔离器等，这些通信器的材料和结构缺陷会在一定程度上影响信号传播，导致双折射的产生，引起偏振模色散现象。在常规数学中，描述双折射和祸合效应一般采用参量和琼斯矩阵，也在很大程度上便于人们对双折射和祸合效应的理解。在理想状态下，光波速率不会导致双折射，双折射也与传送距离无关，但是，在实际运行过程中，双折射和祸合效应与距离和光波速率关系重大。

2.2 高速光纤中偏振模色散测量方式

偏振模色散能够以一个统计量来计算，也在一定程度上受到时间和温度变化的制约，同时测量环境也会影响到偏振模色散的测量。也就是说在不同的时间进行同一光纤的测量会有一定误差的存在。目前，国际上通行的偏振模色散测量方法有四种。本文暂不介绍波长扫描傅立叶变换法和波长扫描极值数计算法。

2.2.1 Jones矩阵本征值测量法

Jones矩阵本征值测量法最常用于测算偏振模色散值的计算依据测量光纤的偏振传输函数这种情形。Jones矩阵本征值测量法是测量光纤某一处的偏振传输函数，然后依据测试准确全面描述偏振模色散特征。在进行测试时，要采用激光器和分析仪来对光纤上等间距波长的矩阵进行测量，然后依据矩阵将本征矢量和本征值算出来，从而依据一定公式计算出PSP和DGD，然后将他们的平均值求出来，最后变可以得到偏振模色散的值。Jones矩阵本征值测量法具有一定优势，能够全面测量偏振模色散值，甚至能够十分准确地进行最小值的测量。但是Jones矩阵本征值测量法也存在一定的缺陷，Jones矩阵本征值测量法的测量结果受到外界干扰大，且需要较长时间，测量速度慢，测量效率低，只适用于科学研究中。

2.2.2 干涉仪法

干涉仪法适用于一定时间段内的测量，主要是通过试光纤将端电场将自相关函数输出，然后将振模色散的传输时间均方差计算出来。宽带LED是干涉仪法中需要使用到的光源，干涉仪扫描光纤输出端，确保在这个时间段内相关信号的存在，偏振模色散值即为测量出的自相关函数的二阶矩均方值。干涉仪法具有速度快且效率高的优点，具有较强的外界干扰抵御能力，但是，干涉仪法也存在一定的缺陷，这种方法难以提供一些相关信息。

3 高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术

在实际运行过程中，长距离输送时，偏振模色散速度为10Gb/S时，输送功率会在很大程度上受到损伤，影响信号传输速率，造成信号损失。因此，高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术研究时要考虑相关影响因素。据相关研究显示，信号损伤的主要原因是一阶偏振模色散效应，在此基础上，高阶偏振模色散会加剧信号损伤的恶化。因此，一阶偏振模色散效应的研究成为高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术研究的关键。光路和电路上的补偿是目前最常用的高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术。光路和电路上的补偿主要原理是采取措施延迟光或者电，然后控制反馈回路，进一步将偏振模色散中的两个偏振模之间的时差进行延长，来补偿高速光纤通信系统中的信号，然后统一输出两个偏振模的信号。大量实验表明，光路和电路上的补偿能够对高速光纤通信系统中信号损伤进行补偿。在此对光补偿进行一个案例分析。

光补偿案例分析：在此方案中，增设光延迟线，对两个偏振模间的时差进行调整，最终进行补偿来保证偏光纤。同时，在以上基础上安装偏振模控制器，来调整输入光的偏振态，确保光的偏振态与光纤切合，需要注意的是，在此过程中，控制器反应速度必须大于偏振器变换速度，从而确保光纤输出光信号，控制偏振器的信号。这种方案能够补偿高速率高速光纤信号，也能够补偿长距离高速光纤信号，同时在一定程度上降低功率损失。

4 结束语

总而言之，偏振模色散是引起高速光纤通信系统中信号损伤的主要原因，目前，高速光纤通信系统中信号损伤已逐渐成为通信系统研究的重点。随着我国科学技术的发展，我国对高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术有待进一步发展，希望在未来我国能够采用更加科学的手段来解决高速光纤通信系统中信号损伤问题，为人们通信需求提供更好的服务。

参考文献：

[1]鲁力.高速光纤通信系统中电子色散补偿技术的研究[D].华中科技大学，2012.

[2]翁轩.高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术的研究[D].北京邮电大学，2013.

[3]侯兆然.高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术探讨[J].电子制作，2014，12：119-120.

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