专利名称：在光传输系统中用于补偿偏振扩散的装置的制作方法
相关申请的交叉参考本申请书基于2001年8月27日提交的法国专利申请第01 11 133号，其所公开的内容全部在此引为参考，并要求其优先权。
本发明涉及一种装置，用以对在光纤传输系统中所观察到的偏振扩散中至少一部分进行动态补偿。
光传输系统的性能，特别是在信号质量和比特率方面，受限于传输线的光学特性，而传输线会受到能使光信号恶化的物理现象的影响。已经提出了一些方法，至少能部分地补偿由于一开始表现为最严重的现象所导致的恶化，这些方法包括对光功率和色散进行衰减。
另一种不希望出现的现象就是偏振模的扩散。如果要进一步地增加光传输线的长度，更重要的是提高它们的比特率，那么跟色散相比，这种现象就不再是可忽略的。
光纤会出现偏振扩散，其影响之一就是由发送端发送并在光纤中传播之后被接收的偏振光脉冲将发生畸变，并且其宽度将大于原先的宽度。畸变是在传输过程中，由于光纤的双折射而使光信号发生去偏振而引起的。作为一阶近似，在连接的光纤的终端所接收的信号可以被认为包括两个正交分量，其中的一个对应于传播速度为最快的偏振状态(最快的偏振主状态)，另一个则对应于传播速度为最慢的偏振状态(最慢的偏振主状态)。换句话说，在连接的光纤的终端所接收的脉冲信号可以被认为包括一个第一脉冲信号，它偏振于一个优先的偏振状态并首先到达，以及一个第二脉冲信号，它具有较慢的传播速度，并且经过一段时间延迟即被称为差分群时延(DGD)之后才到达，该时延尤其依赖于传输线的长度。因此，差分群时延以及偏振的两个主状态(PSP)可构成该传输线的特征。
因而，若发送终端发送一个极短脉冲的光信号，则由接收终端所接收的光信号包括两个连续的正交偏振的脉冲，它们之间的相对时间偏移等于DGD。通过终端检测，以电信号形式提供已接收的总光功率的测量结果，检测到的脉冲的宽度随DGD有所增加。对100公里的标准光纤来说，这种时间延迟可能处于50皮秒的量级。相应地，对一组比特率为每秒10吉比特的二进制信号来说，时间延迟可能有半个比特周期那么长，这是不能接受的。显而易见，在更高比特率的情况下，这个问题就更为严重。
偏振模扩散的一个重要方面就是，一根传输线的差分群时延以及偏振的主状态随着多种因素包括振动和温度及时变化。相应地，跟色散不同，偏振扩散应当被看作是一种随机现象。特别是，一根传输线的偏振扩散的特征为偏振模扩散延迟(PMD)，它被定义为所测得的DGD数值的平均值。
更准确地说，可以用在Poincare空间中的一个随机旋转矢量Ω来表示偏振扩散，其中，通常用一个偏振状态矢量S来表示偏振状态，该矢量被称为Stokes矢量，其矢端位于一个球面上。
图1表示涉及的主要矢量偏振状态矢量S，偏振扩散矢量Ω，以及偏振主状态矢量e。φ为介于S与Ω之间的角度。
矢量e和Ω具有相同的方向，并且适用下列方程S/ω＝ΩS，式中，ω是光波的角频率，符号表示矢量乘。
Ω的模是群时延差的数值，即，按照传输线的偏振的两个主状态而发生偏振的两个波之间的传播延迟的数值。
偏振扩散补偿原理之一是在传输线和接收机之间插入一个补偿器装置，它有一个差分群时延以及偏振的主状态，在Poincare空间中可以用矢量Ωc来表示，使得从Ω+Ωc获得的结果矢量Ωt在所有时间中都平行于S或等于0。这两种情况分别示于图2和3。
偏振扩散的随机特性的一个结果就是补偿器必须是自适应的，并且包括一个差分群时延发生器DDG(例如一根偏振保持光纤)，它提供至少等于待补偿的最大差分延迟值的一个差分群时延。实际上，补偿的目标应当是，对于传输线的偏振主状态的方向e来说，它作为一个整体(包括补偿器在内)必须始终与已接收的信号的偏振矢量S的方向一致。换句话说，先前定义的角度φ应当保持尽可能地小。
在美国专利第6,339,489号中，描述了用于补偿偏振模扩散的一种装置的一个实施例。
图4表示含有上述类型的补偿器装置的一个光传输系统的一个实例。
这个系统是一个波分复用系统，它被设计用于以信号Seλ，Seλ′，Seλ”的形式，分别对应载波波长λ，λ′，λ”来传送多个频谱信道。每一个信道，例如信道Seλ，来自发送一组偏振载波的幅度调制形式的光信号的发送终端TX。各信道在一个多路复用器MUX中被组合，后者的输出被连接到一根光传输线LF。这根传输线典型地是一根光纤，但是，更一般地说，可以包括多种光部件(未示出)，例如，位于光纤的上游和/或下游一侧的光放大器，和/或色散补偿器。该传输线还可以包括许多段光纤，在它们之间设有光放大器。
传输线的一端经由一个去多路复用器DEMUX被连接到一个接收终端，例如终端RX，DEMUX的功能是抽取通往接收机RX的频谱信道Sr。
该系统在去多路复用器DEMUX与接收机RX之间设有一个装置CM，用以补偿偏振扩散，因此，接收机RX所接收的是经补偿的光信号Sc。装置CM包括一个偏振控制器PC，一个发生器DDG，用以产生介于两种正交的偏振模之间的起补偿作用的差分群时延DGDc，以及一个控制单元CU，用于偏振控制器PC。
控制单元CU这样来控制偏振控制器PC，使得代表经补偿的光信号Sc的质量的测量参数p的数值趋向于与最高信号质量相对应的一个最大值或最小值。
根据在前述专利申请中所描述的一个第一选项，发生器DDG产生例如固定的差分群时延，并且含有一根偏振保持光纤(PMF)，它具有取得固定的差分延迟连同不可变的偏振主状态的特性。在一个变通方案中，发生器DDG是可调节的，并且也受控制单元CU的控制。
如同在前述专利申请中所指出的那样，测量参数p可以表示信号Sc的偏振度(DOP)。于是，控制系统被设计为使此项参数最大化。可以使用其他各种参数，例如，通过检测光信号Sc而获得的电信号的调制的频谱宽度。在这种情况下，控制系统被设计成使这个宽度最大化。该参数还可能是前面两项参数的一个加权乘积，换句话说，一个具有DOPx·Δωy形式的参数，式中，DOP为偏振度，Δω为频谱宽度，x和y是针对所涉及的传输系统而优化的加权系数。
实际上，控制单元CU包括被编程去执行一项优化算法的一部计算机，以便确定如何控制该偏振控制器，使得参数p的数值被保持在与最高信号质量相对应的一个最大值或一个最小值上。
优化算法是一种多维算法，并且同时控制偏振控制器PC的至少两项控制参数C，这些参数确定通过偏振控制器PC的光信号的偏振状态的变化，这种变化通常用两个角度ε和θ来表示。
这种类型的算法有许多种，例如，一种算法被设计成使用Powell方法，详见William H.Press等编著的《Numerical Recipes in C》一书第412至420页的描述，该书于1994年由剑桥大学出版社出版。
为了说明补偿器的运作，可以将作为角度ε和θ(用度来表示)的一个函数的参数p(例如偏振度DOP)的变化(用百分比来表示)表示为一个表面，如图5所示。
在执行过程中，随着参数p的连续测量值的变化，该算法周期性地计算偏振控制器的各项控制参数C的数值，以便优化(即，最大化或最小化)参数p。在图5中，这个过程用指向偏振度DOP的数值的垂直箭头来表示，是在计算与更新各项控制参数C的相应的连续的多次循环结束时获得的。在所示的实例中，从右手方箭头所指的状态开始，该状态向左演变，经过几次循环之后，达到偏振度的一个最大值。
对含有此类补偿器的各种传输系统的工作进行分析已经表明，偏振控制器有时稳定在获得高度不完全补偿的状态上。这可以用下列事实来解释，即，代表作为ε和θ的一个函数的参数p的变化的函数随时间而发生改变，并且可能暂时地取得局部的最大值或最小值。图6表示此种情形。因此，一个系统可能相对缓慢地从图5所表示的状态演变到图6所表示的状态，其结果是，优化算法所完成的收敛点对应于偏振度DOP的一个局部最大值，而采用偏振控制器的另一种设置则可能已经到达一个绝对的最大值。
结果，这种补偿未经优化，它会影响传输性能，特别是参数p可能在相当长的时间内，保持锁定于一个局部的最大值或最小值上。事实上，这些时间间隔可能是高度可变的，从几秒到几小时甚至几天。跟优化补偿相比，在这些条件下所接收的信息将明显地具有较高的误码率，容易影响较大数量的数据，特别是在高比特率的情况下。
可以想象，在算法的层次上得到这个问题的解决方案。实际上，该算法可以被设计成去检验参数p是否锁定在一个局部的最大值或最小值上，并且在这种情况下，执行一个过程，以便搜索与另一个最大值或最小值相对应的另一个收敛点，这个过程被重复执行，直到收敛于绝对的最大值或最小值为止。然而，由于参数p在两个相继的最大值或最小值之间通过一些不良的数值点，所以这种方法是不能接受的。
相应地，根据以上说明，本发明的一个目标就是使偏振扩散补偿更加有效。
由于在上面所定义的条件下，被发送的信号Sp的偏振状态的变化将导致表示测量参数的变化的函数的修改，使之根据第一偏振控制器的设置进行优化，从而使这个函数不再终止于局部的最大值或最小值，优化算法曾经使测量参数收敛于该最大值或最小值，所以这个解决方案代表了一种改进。相应地，参数p不会长时间地被锁定在一个高度不良的局部最大值或最小值上。
由于优化算法能连续地将该参数保持在一个最大值或最小值附近，所以，已提出的解决方案还显得更加有效。实际上，已发送的光信号的偏振状态的修改是不可操作的，除非测量参数已经收敛于一个最大值。相应地，通过对偏振状态提供相对缓慢的修改，使得难以对优化算法的执行进行干预。
根据本发明的一个方面，为了检验参数p是否具有一个稳定值，该辅助补偿器适于将所述测量参数所取的各连续数值互相进行比较。
在本发明的一个实施例中，若该测量参数具有一个稳定值，表示经补偿的光信号的质量低于一个参考质量，则该辅助补偿器适于修改已发送的光信号的偏振状态。
当该测量参数已经收敛于一个绝对的最大值或一个局部的最大值，能保证最佳的信号质量或者被认为足够的信号质量时，本实施例将避免使已发送的光信号的偏振状态的修改变为可操作的。
上述参考质量基本上对应于用所述光传输系统所能获得的经补偿的光信号的最佳质量。由于这项特征，若该测量参数已经收敛于一个绝对的最大值，则已发送的光信号的偏振状态将几乎没有机会进行修改，并且若该测量参数已经收敛于一个局部的最大值，则它很有可能被修改。
根据本发明的另一项特征，为了优化和连续测定参考质量，该参考质量对应于所述测量参数的一个参考数值，该辅助补偿器适于将测量参数的稳定值跟参考数值进行比较，并根据该测量参数所达到的最大值和最小值更新该参考数值。
实际上，辅助补偿器产生一个光学部件(例如一个偏振控制器)的各项控制参数，上述光部件产生对已发送的光信号的偏振状态的相应的修改。数字控制方法通常提供这些控制参数，因此，其中的变化本来就是不连续的。根据本发明的其他各方面，这些变化中的每一项都有利地导致所述已发送的光信号在偏振矢量状态的方向上小于10°的修改，并且最好是小于3°的修改。
本发明还提供了一种光传输系统，其中纳入了以上定义的补偿器。
通过参照诸附图阅读本说明书，将使本发明的其他方面和各项优点变得更加明显。
图2和3表示两种偏振扩散补偿原理，同样已经作了说明。
图4以图解方式表示一个光传输系统，其中包括一个符合现有技术的补偿器，同样已经作了说明。
图5和6示出偏振度DOP的变化情况，它随由一个补偿器的偏振控制器所产生的偏振状态的变化的角度ε和θ而变化。
图7以图解方式表示一个光传输系统，其中包括根据本发明的补偿器。
图8表示一份流程图，说明根据本发明的补偿器的操作。
如同在图4中的系统那样，通过一根光传输线LF以及一个偏振扩散补偿器CM将发送终端TX跟接收终端RX连接在一起。为了使说明简化，所示的系统仅包括与一条波分复用(WDM)信道有关的各部件。
补偿器CM被插入到介于传输线LF的一端B(称为接收端)以及接收终端RX之间。因此，补偿器CM从接收端B接收被发送过来的信号Sr，并将经补偿的信号Sc送往接收终端RX。
根据本发明，补偿器CM还备有一个辅助补偿器，其中包括一个第二偏振控制器PC′，它被插入到发送终端TX以及传输线LF的端A(称为发送端)之间。因此，偏振控制器PC′从发送终端TX接收光信号Seλ，并将已发送的光信号Sp送往发送端A。
第二偏振控制器PC′将偏振状态的变量(ε′和θ′)施加到信号Seλ之上，该变量是由控制单元CU所确定的、并且通过一条控制信道发送的至少两个控制参数C′的一个函数。例如，控制信道可以使用一个现有的回传系统，该系统由一个第二发送终端TX′，一根第二传输线LF′，以及一个第二接收终端RX′组成。介于第二接收终端RX′以及第二控制器PC′之间的控制接口IF为第二控制器PC′产生各控制信号，第二控制器PC′使来自控制单元CU并通过由传输线LF′发送的一个信号S(C′)传送的控制参数C′具体化。
现在参照图8的流程图来说明补偿器的操作。该流程解了由控制单元CU所实现的主要操作。
第一操作1以实时方式并且以数字形式对所选定的参数p进行采样测量。根据参数p的各连续测量值2，优化算法3周期性地计算待分配给第一偏振控制器PC的各控制参数C的各项数值，以便优化(即，最大化或最小化)参数p。在每一个连续计算循环结束时，向第一偏振控制器PC送出相应的控制信号(操作4)。
操作1至4是在符合现有技术的补偿器的主要控制环路中所实施的操作的一部分，因此不需要进行更详细的解释。
根据本发明，控制单元CU包括一个辅助控制环路，用以实现下述的补充操作5至8。
使用参数p的连续测量值5，计算模块6周期性地检查该参数是否已经到达一个稳定值，即，执行优化算法3是否已经使该参数收敛于一个最大值或最小值。若是，则测试模块7周期性地将先前检出的稳定值跟一个参考值ref进行比较。
例如，当刚才述及的最大值或最小值是一个最大值时，若稳定值小于参考值ref，则操作8为第二偏振控制器PC′产生控制信号，以修改该控制器的各项控制参数C′，并且随后修改被施加到信号Sp之上的偏振状态的变量(ε′和θ′)。例如，此项修改是随机的，并且是幅度有限的。
在一个简化的版本中，在不使补偿变为完全无效的前提下，可以撤消测试模块7。
另一方面，若提供了测试模块7，则同样有利的是提供一个更新模块9，它被设计用来提供测量参数p所达到的最大值或最小值更新参考值ref。相应地，即使传输条件随时间而发生演变，仅当测量参数收敛于一个局部的最大值时，才能确定已发送的光信号的偏振状态有待于修改。
上述功能的实际实现对许多变化来说是开放性的，而不会给传输系统的设计者带来任何特殊的问题。实际上，它们的实现使用了常规的微控制器编程技术。
相应地，为了检查测量参数p是否已经到达一个稳定值，对计算模块6进行编程，例如，对该参数所取的多个连续的数值互相进行比较，并且，若介于各连续数值之间的差值的平均值低于一个预定的阈值，则确认已经达到一个稳定值。
在这一点上还要注意，补偿的有效性首先取决于主控制环路的整体的响应时间，并且基本上依赖于优化算法3的执行速度，以及第一偏振控制器PC的响应时间。
主控制环路的响应时间必须跟实际上发生PMD抖动率相兼容。如果抖动可能导致原先定义的偏振矢量S每秒转动高达50圈，就有可能根据所需的信号质量，推导出被施加到主控制环路上的最小响应时间。例如，实际上需要短于1毫秒的响应时间。
这些约束条件导致为第一偏振控制器PC选择一种快速的部件，例如一种铌酸锂部件就是市场上有现货供应的。另一方面，这些约束条件对第二偏振控制器PC′所需的性能没有影响。因此，第二控制器可以从响应时间比第一偏振控制器更长的价格较低的部件中进行选择(基于各种液晶，各种光纤填充器)。
同样，主控制环路还必须为介于偏振的主状态的方向e以及经补偿信号Sc的偏振矢量S的方向之间的角度Φ提供足够的精度(上述方向e是介于已发送信号Sp以及经补偿信号Sc之间的传输线的整体的主偏振状态的方向)，以便始终都能使角度Φ低于一个给定的数值，使得在信号质量方面达到所需的改进。
通过试验和检错已经发现，这个角度一般地应当小于10°，并且更可取的是小于3°。因此，随着因第二偏振控制器PC’而导致偏振变化状态(ε′和θ′)在操作8中以控制参数C’的不连续变化的形式被修改，每一次不连续的变化都应当导致角度Φ发生小于10°的变化，并且更可取的是小于3°的变化。
换句话说，控制参数C′的每一次不连续的变化最好是应当导致已发送的光信号Sp的偏振矢量的状态的方向作出小于10°的修改，并且更可取的是作出小于3°的修改。
要注意的是，仅当测量参数p已经到达一个稳定值之后，才能引发偏振变化状态(ε′和θ′)的连续修改，以便自动地保证这些修改是以比主控制环路的响应时间更慢的节奏进行。这就保证了辅助控制环路以一种完全受控的方式来干预主环路的操作。
权利要求
1.一种用于光传输系统的偏振扩散补偿器，包括一根光传输线，该传输线有一个发送端，用于接收被发送的光信号，以及一个接收端，用于提供被发送的光信号，所述补偿器包括-一个第一偏振控制器，它适于接收所述被发送的光信号，-一个发生器，用以产生介于两种正交的偏振模之间的差分群时延，该发生器被配置在所述控制器的下游，以提供经补偿的光信号，以及-一个控制单元，用于按照表示所述经补偿的光信号的质量的一个测量参数来控制所述第一偏振控制器，以便优化所述质量，该补偿器包括一个辅助补偿器，若所述测量参数具有一个稳定值，则该辅助补偿器适于修改所述已发送的光信号的偏振状态。
2.根据权利要求1所述的补偿器，其中，所述辅助补偿器适于将所述测量参数所取的各连续数值互相进行比较，并由此检验所述测量参数是否具有一个稳定值。
3.根据权利要求2所述的补偿器，其中，若所述测量参数具有一个稳定值，表示所述经补偿的光信号的质量低于一个参考质量，则所述辅助补偿器适于修改所述已发送的光信号的偏振状态。
4.根据权利要求3所述的补偿器，其中，所述参考质量基本上对应于用所述光传输系统所能获得的所述经补偿的光信号的最佳质量。
5.根据权利要求4所述的补偿器，其中，所述参考质量对应于所述测量参数的一个参考值，并且所述辅助补偿器适于将所述测量参数的所述稳定值与所述参考值进行比较，并根据所述测量参数所达到的最大值和最小值更新所述参考值。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的补偿器，其中，所述辅助补偿器包括位于所述光传输线的上游一端的一个第二偏振控制器，以便将所述被发送的光信号送往所述发送端。
7.根据权利要求6所述的补偿器，其中，所述第二偏振控制器的响应时间长于所述第一偏振控制器的响应时间。
8.根据权利要求1至5中任何一项所述的补偿器，其中，所述已发送的光信号的所述偏振状态的所述修改是各项控制参数的变化的结果，并且所述变化是不连续的，使得每一次所述变化都导致所述已发送的光信号在偏振矢量状态的方向上小于10°的修改。
9.根据权利要求8所述的补偿器，其中，每一次所述变化都导致所述已发送的光信号在偏振矢量状态的方向上小于3°的修改。
10.一种光传输系统，其中包含如权利要求1至9中任何一项所述的补偿器。
全文摘要
用于补偿当通过一根光传输线来传输光信号时光信号所受到的偏振扩散的一种装置，其中包括一个偏振控制器。它在两个正交的偏振模之间产生一个差分时间延迟，并且这样来控制该偏振控制器，使得它将传输线发送过来的信号转换为经补偿的光信号。若经补偿的光信号的质量低于参考质量，则该装置就修改光信号的偏振状态。其应用包括经由标准光纤的长距离光传输。
文档编号H04B10/2507GK1407742SQ0213026
公开日2003年4月2日 申请日期2002年8月22日 优先权日2001年8月27日
发明者斯戴芬尼·兰尼, 琼-皮埃尔·哈梅德, 丹尼斯·彭尼克斯 申请人:阿尔卡塔尔公司