高速光通信系统中的偏振复用技术
摘要：偏振复用（Polarization Division Multiplexing:PDM）技术不仅能够在很大程度上提高系统通信容量还能使系统的频谱效率得到明显改善。偏振复用技术利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍系统总容量和频谱利用率目的。它是光纤通信中一种比较新的复用方式，在这种复用方式中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。本文论述了高速光通信系统中的偏振复用技术的研究意义，发展现状以及偏振复用技术在高速光通信系统中的关键技术和信息处理技术，包括全光复用技术、全光信号处理技术和数字信号处理技术。最后对高速传输时偏振复用链路的损失和串扰进行概述。
关键词：偏振复用；高速光通信；PMD
Polarization Division Multiplexing In High-speed
Optical Communication Systems
Liu Yu
(Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065)
Abstract：Polarization Division Multiplexing (Polarization Division Multiplexing:PDM) technology can not only improve the system to a great extent communication capacity of the system spectrum efficiency,but also can be significantly improved.PDM technique which utilizes the polarization dimension of light,carries two independent data at the same wavelength with orthognal states of polarization.It can double the system capacity and spectral efficiency directly.It is a kind of relatively new multiplexing method, optical fiber communication in this kind of multiplex mode,two orthogonal polarization of transmission wavelengths as a separate channel signal transmission two road is independent and mutually,so that the capacity of optical fiber information transmission to double and does not need to increase the additional bandwidth resources.This paper discusses the research significance of the polarization multiplexing technology of high speed optical communication system, the current situation of the development and the key technology of polarization multiplexing technology in high-speed optical communication system and information processing technology, including QuanGuangFu technology, all-optical signal processing technology and digital signal processing technology.Finally, the high speed transmission when polarization multiplexing link loss and crosstalk are summarized.
Key words：Polarization Division Multiplexing;High-speed optical communication;PMD
0 前言
随着互联网业务的快速发展，尤其是基于互联
网的视频应用和P2P交互式应用的爆炸式发展，骨干通信网络带宽需求迅猛增长，现有密集波分复用（DWDM）系统己经不能满足日益增长的带宽需求，提高系统传输能力势在必行。偏振复用技术能
够平滑的使通信系统数据速率提升一倍，进而使得通信系统的传输能力增加一倍，并且在较高的通信速率下，系统仍能保持很高的偏振模色散的容限和灵敏度，具有相对简单的系统终端扩容设备，因此针对偏振复用技术的探索
1 高速光通信系统及偏振复用技术的发展
1.1 偏振复用技术的研究意义
复用技术即在信号发送端将多路信号按照不同的方法或者区分方式进行组合，经历同一个信道传输后，在接收端将原本复用的信号分离出来，达到有效利用现有设施的目的。除了DWDM（密集型光波复用），OTDM（光时分复用）和OFDM（正交频分复用技术）外，提高单波长比特率来满足增长的带宽需求引起了普遍的关注。然而当比特率达到160Gbit/s时，超短脉冲的生成、积累色散的管理在OTDM中都会限制每个波长比特率的增长。因此，当传输带宽受限时，偏振复用成为了提高传输容量的有效的方法之一。在偏振复用方式中，两束相同或不同波长的光可以同时在一根光纤中相互独立地传输，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。所以偏振复用技术的提出对于实现高速传输是非常有意义的[1]。 1.2 偏振复用技术的发展及现状
在上世纪八十年代的一次学术会议上，首次提出偏振复用技术，但当时的传输方案是使用保偏光纤（CPMF）来实现偏振复用，由于保偏光纤的价格与普通单模光纤（SMF）相比较高，而实际中投入使用的大多数都是SMF，这就使得以SMF作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点。国外对于偏振复用技术的研究更为深入并且取得了一定的成果。1991年，Claude Herard和Alain Lacourt提出了偏振光复用的基础理论以及偏振光在单模光纤中的传播。1992年，S. G.Evangelides Jr.等人提出基于孤子源发射的正交偏振态在系统中能保持其正交性的事实，提出了偏振/时分复用的方法，两路正交偏振的光孤子比特流在时间上交叉复用。同年，Paul M.Hill用每路2Gbit/s二进制相移编码（BPSK）的
数据正交复用形成了4Gbit/s的光偏振复用信号，接收端则采用相关的外差检测方法。2001年，通过采用40Gbit/s的复用器和铌酸锂（LiNbO3）调制器产生20Gbit/s的光传输信号。在发射端用差分相移编码（DPSK）调制来控制信道间干扰，接收端允许适当调整偏振控制器来最小化干涉。2007年，S.J.Savory等人提出接收端采用盲均衡实现偏振解复用的技术方案，使用非归零码-正交相移编码（NRZ-QPSK）调制方式，以标准单模光纤（SSMF）作为传输媒质实现了速率为42.8Gbit/s的信号传输6400km的实验，并首次使用恒模算法（CMA）在离线（OilLine）的条件下对混合信号解复用。2008年，C. Wree,S. Bhandare等人第一次采用归零码·差分正交相移编码（RZ-DQPSK）码型的偏振复用技术实现了40Gbit/s(2.20Gbit/s)的传输。同年，在波兰电信研究和发展中心，Obrzezna等人提出并在实验室实现了三路偏振光信道的复用和解复用技术，这是第一次超过两路偏振信道的偏振复用传输。2010年，在文献[2]中，第一次在实验室实现用单偏振-差分八进制相移编码（SP-DBPSK）OTDM技术达到传输距离超过220km、传输速率为0.44Tbit/s的目的，解决了400Gbit/s以太网的可行性问题，同时也证明了在没有辅助时钟情况下也能在速率为0.87Tbit/s的情况下使传输距离达到110km。2011年，在文献[3]中，采用了InP接收机光激性的集成电路和偏振复用差分正交相移编码（DQPSK）技术实现了10信道每个信道45.6Gbit/s的传输。光激性的集成电路（PIC）对于偏振复用的DQPSK信号来说是一种新的解调技术，将光输入信号组合及复用来解调信号。
国内对于偏振复用技术的研究相对于国外来说较慢，实际上早在1986年，就提到了这种新的光纤通信复用方式。文中阐述了偏振复用可以在一根光纤中同时传输两路相同波长的光信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍。为了分析偏振复用的指标，又提出了固有偏振消光比这个参数，并用回谐函数展开法对单模光纤的固有偏振消光比进行了计算，并给出了相应的结果。只是当时这个新的复用技术并没有引起国内专家的关注，直到近十年内，偏振复用技术才又重新受到国内的青睐。2002年，徐文成和陈伟成研究了双折射光纤中偏振复用技术的三阶色散抑制和补偿。文中描述了在强双折射光纤中，让两孤子脉冲沿光纤的两个偏振轴入射，利用交叉相位调制效应克服偏振模色散，自相位调制效应克服群速度色散，使两偏振脉冲在光纤中互不走离地稳定传输，在单信道码率不变的情况下能提
高一倍的通信容量。但是从长距离传输角度看，色散平坦光纤仍不能很好地解决问题。2009年，王铁城和姚晓天根据偏振依赖损耗（CPDL）的原理，推导了偏振复用系统中两正交信道夹角与PDL（偏振依赖损耗）的数值关系[4]，计算了PDL大小对系统的影响。并依据理论模型构建了实验系统，对光纤一个主轴光强进行衰减，描绘出信道间串扰和PDL之间的实验曲线，验证了理论分析的有效性。2010年，冯勇闻等人利用已有的混频器，搭建了偏振分集90°光学混频器，并且补偿其相位误差，接收端实现了偏振分集的相干接收。通过实验实现了10Gbit/s，偏振复用DPSK光信号，经过掺饵光纤放大器（EDFA）和标准单模光纤（SSMF）的干误码280km传输[5]。
近些年来，国内外对于偏振复用技术的热衷都表明在高速光纤通信系统中采用偏振复用技术，并将其与先进的调制码型技术相结合来提高光纤传输速率是非常有意义的。
好的抑制PMD的影响，由于高速数字信号处理芯片研究的难点限制了相干检测技术在高速光纤通信系统中的应用。直接检测技术由于其简单易操作因而在高速光纤通信系统中仍有较为广泛的应用[7]。 2.2 偏振复用光通信系统信息处理技术研究 PDM系统中的信号处理技术主要可以分为两大类：直接检测PDM系统中信号处理技术和相干检测PDM系统中信号处理技术。直接检测PDM系统中的信号处理技术主要涉及到：全光偏振解复用、PDM系统中的全光信号处理（如：波长转换、全光再生、码型变换等）。相干检测PDM系统中的信号处理技术主要包括：基于DSP（数字信号处理）技术的偏振解复用技术，数字衡技术（如对：CD, PMD（偏振膜色散）、非线性损伤、载波频率偏移、相位噪声等信号损伤的均衡）以及相关全光信号处理技术等[8]。
2.2.1 偏振复用系统全光解复用技术
全光自动解复用技术是直接检测PDM系统中的关键技术之一，主要是通过实时跟踪和动态调整进入接收机信号的偏振态来实现两个正交偏振信道上信息的元全分离。如何实时跟踪和动态调整进入接收机信号的偏振态、低成本地实现两个偏振态信道上信号的完全解复用是全光偏振解复用技术研究的重点与难点。一般来说，全光自动偏振解复用部分主要由：自动偏振控制器、偏振分束器、信号偏振态信息动态检测部分、反馈回路等组成，如图1。
Automatic
PBS
2 高速光通信系统中偏振复用技术的研究进展
2.1 偏振复用的光纤通信系统主要关键技术 （1）调制码型。不同的码型对通信系统的色散以及非线性效应[6]的影响程度也不一样，因此对光纤通信系统选择合适的码型是非常必要的。随着传输速率的不断提高，为了改善通信系统的传输效率研究人员越来越倾向于使用QPSK（正交相移编码），DQPSK（偏振复用差分正交相移编码），mQAM（正交振幅调制）等多进制调制格式，研究两个偏振态使用不同调制格式的系统性能。使用偏振复用技术与新型的调制格式相融合的方式可以使系统的传输容量得到很大的改善。在高速光纤通信系统中各种因素都会对系统的性能产生一定的影响比如PMD（偏振膜色散）和偏振不稳定性、偏振相关损耗和非线性偏振旋转等。由此可见，在高速偏振复用光纤通信系统中，合适的调制格式的选取对PMD、非线性效应等的抑制以及对系统性能的提高有着不可忽略的作用。
（2）解复用方式。对于偏振复用光纤传输系统接收端的解复用方式有两种即：直接检测和相干检测。相干检测结合高速的数字信号处理技术能够很
图1 全光自动偏振解复用接收机原理示意图 Fig.1Conceptual diagram of PDM receiver with
all-optical automatic polarization
demultiplexing technologies
2.2.2 偏振复用系统全光信号处理技术
全光信号处理技术主要是基于介电材料的非线性效应，如：自相位调制（Self-phase Modulation:SPM）、交叉相位调制（Cross-phase Modulation:XPM）、交叉增益调制（Cross-gain Modulation:XGM）、四波混频（Four-wave Mixing:FWM）、非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation:NPR）等。理论上讲，任何介电材料中都存在非线性效应。实际中，目前可用于光网络中实现全光信号处理的非线性材料或器件主要有：半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier:SOA ）、高非线性光纤（Highly Nonlinear Fiber:HNLF ）、固体晶体材料，如：铌酸锂（Lithium Niobate:LiNbO3）、硅波导等。
随着PDM技术被业界视为未来光网络的核心技术后，有关PDM系统中全光信号处理技术的研究也逐步开展起来了，如：波长转换、码型变换、参量放大、波长组播、全光快速傅里叶变换和快速傅里叶反变换（Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform:FFT/IFFT）等。
研究如何实现PDM系统中两正交偏振信道上信号的同时处理，特别是，考虑到未来网络的发展，所以，针对先进调制格式PDM信号的全光信号处理技术的研究对未来光信息网络的发展有着重要意义。
2.2.3 偏振复用系统数字信号处理技术
基于DSP和相干检测技术的PDM系统，一方面可以利用相干检测技术降低系统的OSNR灵敏度要求，完整地获得光载波幅度、频率、相位以及偏振态所携带的全部信息，支持高阶、多维调制格式在光通信系统中的应用，提高通信系统频谱利用率；另一方面利用DSP技术可以灵活地完成数字偏振解复用，自适应地补偿信号在传输过程中因光信道和光器件的各种非理想特性引起的损伤，如：CD,PMD、光纤非线性效应、信号载波与本地激光器之间的频偏和相偏、90°混频器（90°Hybrid）的两臂相位差非理想特性等。基于相干检测技术的PDM传输系统成为业界主要研究的单波长100-Gbit/s和超100-Gbit/s传输解决方案，其接收端
的数字信号处理技术和结构一直是研究的热点。
相干检测PDM系统中后端数字信号处理的另一功能就是实现信号损伤的补偿与均衡。PMD的均衡往往和偏振解复用综合在一块，在实现偏振解复用的同时实现对链路PMD的补偿。
总之，相干检测PDM系统接收机后端数字信号处理技术和结构是整个系统的关键，设计高效、简单、便于硬件实现的数字信号处理核心算法，对掌握下一代高速光通信系统的核心技术有着十分重要的意义。
2.3 偏振复用光通信系统的总体结构
偏振复用系统首先于上个世纪八十年代初期提出来，在上个世纪八十年代末九十年代初开始，引起人们的普遍关注。基于光纤的基本传输原理和光学偏振器件的发展，以及光纤传输速率的不断提高，人们进行了各方面大量的实验，下面介绍两种常出现的实验系统。
2.3.1 不考虑PMD补偿的偏振复用系统
在偏振复用技术刚刚面世之时，当时的单纤传输速率并不高，从单信道2Gbit/s到10Gbit/s不等，在这样的速率前提下，可以不考虑PMD的影响，同时关于PMD的相关技术也不成熟，在报道的实验系统中较少涉及到PMD补偿的问题。如下图2所示系统，在初期无PMD的偏振复用系统的相关技术研究中经常使用到。
图2 偏振复用光纤通信系统
Fig.2polarization multiplexing optical fiber
communication systems
在这个系统中，没有涉及调制解调方式的讨论，
在发送端，采用TX送出的调制信号，在接收端，采用直接探测方式。主要研究的工作在偏振复用信号的复用和解复用过程，正交偏振复用信号的获得通过偏振分束器对偏振态的选择，解复用则是通过光电偏振变压器和光纤偏振器的共同作用。
这样在正交偏振光复用和解复用过程中，损耗会比较大，首先在偏振复用信号的形成过程中，利用偏振分光器对于正交偏振态的选择，会使输入偏振分光器的每一路至少损失一半光强，同时所得正交偏振复用信号的性能将很大程度取决于偏振分光器的偏振消光比，消光比过低，将影响系统性能，消光比过高，则器件成本会增大。在解复用的过程中，利用光电偏振变压器和光线偏振器的共同作用，使得解复用过程略显复杂。
2.3.2 考虑PMD补偿的偏振复用系统
随着社会对通信容量要求的不断提高和光传输技术的不断发展，光纤传输的单信道速率不断提高，PMD效应对光纤传输系统的影响就变得不可忽略了，这时光纤通信系统需要考虑光纤链路上对于PMD的监控和补偿问题。虽然偏振复用系统对于PMD的系统容限比较可观，但是速率提升到40Gbit/s时，如果在长距离传输中不进行有效补偿，则依然会对系统性能造成极大地劣化。
目前，针对偏振模色散的检测、控制、补偿研究取得了很大的进展，在高速通信系统中会根据系统特点的不同使用各种不同的偏振模色散管理办法。如下图3所示，即一个传输速率为40Gbit/s的一种新型的偏振态稳定器的偏振复用系统的结构原理图。该偏振复用系统采用C波段的1550nm的激光光源，同时采用DQPSK的调制格式，使用偏振分束器得到正交偏振的两路复用信号，同时也通过偏振分束器实现偏振复用和解复用[9]。
10Gbit/s
ASE Adder
图3 使用偏振稳定器的高速偏振复用系统
Fig.3 high-speed Laser polarization multiplexing system using polarization stabilizer
3 高速传输时偏振复用链路的损失和串扰
在高速光纤通信系统中，由于传输速率的提高，码元周期减小，必须考虑在传输链路上由于光纤本身的特性而出现的各种损伤，具体说来包括色散、偏振模色散、时间抖动等效应带来的线性损伤，非线性效应、自发辐射噪声等带来的非线性损伤，这些损伤如果不进行补偿或者管理，将在长距离通信过程中给系统性能造成极大的劣化。同时，对于偏振复用的高速光纤通信系统中，在长距离传输时，必须考虑在光纤链路上与偏振态相关的一些效应带
来的串扰，如偏振相关损耗、偏振相关增益、偏振相关调制等，这些效应往往与前面提及的各种损伤相互作用，严重影响系统正常通信的质量[10]。
4 总结
当今社会，在信息化的浪潮下，人们对光纤通信的速率、容量的要求不断提高。在这种背景下，光纤通信系统中常常使用时分复用、波分复用等复用技术来提高系统容量，但是当速率等级和复用间隔到一定的程度时，为了避免随之而来的电子速率瓶颈问题及光纤本身特性带来的一些损伤等问题，将会给系统设计带来很大的复杂性。这时综合考虑偏振复用技术，将会给系统的扩容带来一个高性价
Integrated Circuit[J].JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 2011,29(4):386-393.
[4] 王铁城，姚晓天.偏振相关损耗对偏振复用系统信道正交性的影响[J].中国激光，2013，36(4)：879-883.
[5] 冯勇闻.偏振复用差分相移键控信号的数字相干解调与偏振解复用算法研[J].光学学报,2010，30(5)：1268-1273.
[6] Stefano Bottacchi,Andrews Matiss, Mads L. Nielsen et al.Advanced Photo receivers for High- Speed Fiber Transmission Systems[J].IEEE, JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUATUM ELEC TORNICS,2010,9,16(5).
[7] 辛雨晴.高速光纤通信中的偏振复用技术研究[D].长春理工大学,2014.
[8] 易安林.偏振复用光通信系统信号处理技术研究[D].西南交通大学,2013. 参考文献
[9] Mario Martinelli,Paolo Martelli,Silvia Maria Pietralunga.Polarization Stabilization in Optical
[1] 吴婷.高速光纤通信中的偏振复用和码
Communications Systems.Journal of Lightwave
型调制技术[D].北京交通大学, 2013.
Technology,2014.24(11):4172- 4138.
[2] E.Tipsuwannakul,M.Galili,and M.Bougi-oukos.
[10] 吴婷.80Gbit/s光纤通信系统偏振复用技术研究
0.87 Tbit/s 160 Gbaud Dual Polarizarion DBPSKO
[D].华中科技大学, 2012.
TDM Transmission aver 110km[J].IEEE PHOTONIC
S TECHNOLOGY LETTERS,2010,6(4):19-23.
[3] Radhakrishnan Nagarajan, Jeffrey Rahn, and Mas aki Kato.10 Channel,45.6 Gb/s per Charnel Polarizat ion-Multiplexed DQPSK, InP Receiver Photonic
比的选择，偏振复用技术一个显著的优点就在于可以平滑的将系统速率提高一倍，利用传输波长的两个正交偏振态，分别传输两路不同的信号，提高了系统的频带利用率，同时对偏振模色散具有较高的容限。
对于高速光通信系统的偏振复用技术而言，本文的工作只是一部分，还有很多工作需要继续深入研究。虽然高速光通信系统的偏振复用技术对于偏振模色散具有较好的容限，但在实际40Gbit/s速率以上的高速通信系统的应用中，在传输链路上对偏振模色散需要进行严格的监控和补偿。另外，偏振复用技术在实际中常常与其他复用技术综合使用，那么需要具体综合考虑多种复用技术混合使用时如何充分发挥各种技术的优点，以及避免相互之间性能上的影响。
高速光通信系统中的偏振复用技术
摘要：偏振复用（Polarization Division Multiplexing:PDM）技术不仅能够在很大程度上提高系统通信容量还能使系统的频谱效率得到明显改善。偏振复用技术利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍系统总容量和频谱利用率目的。它是光纤通信中一种比较新的复用方式，在这种复用方式中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。本文论述了高速光通信系统中的偏振复用技术的研究意义，发展现状以及偏振复用技术在高速光通信系统中的关键技术和信息处理技术，包括全光复用技术、全光信号处理技术和数字信号处理技术。最后对高速传输时偏振复用链路的损失和串扰进行概述。
关键词：偏振复用；高速光通信；PMD
Polarization Division Multiplexing In High-speed
Optical Communication Systems
Liu Yu
(Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065)
Abstract：Polarization Division Multiplexing (Polarization Division Multiplexing:PDM) technology can not only improve the system to a great extent communication capacity of the system spectrum efficiency,but also can be significantly improved.PDM technique which utilizes the polarization dimension of light,carries two independent data at the same wavelength with orthognal states of polarization.It can double the system capacity and spectral efficiency directly.It is a kind of relatively new multiplexing method, optical fiber communication in this kind of multiplex mode,two orthogonal polarization of transmission wavelengths as a separate channel signal transmission two road is independent and mutually,so that the capacity of optical fiber information transmission to double and does not need to increase the additional bandwidth resources.This paper discusses the research significance of the polarization multiplexing technology of high speed optical communication system, the current situation of the development and the key technology of polarization multiplexing technology in high-speed optical communication system and information processing technology, including QuanGuangFu technology, all-optical signal processing technology and digital signal processing technology.Finally, the high speed transmission when polarization multiplexing link loss and crosstalk are summarized.
Key words：Polarization Division Multiplexing;High-speed optical communication;PMD
0 前言
随着互联网业务的快速发展，尤其是基于互联
网的视频应用和P2P交互式应用的爆炸式发展，骨干通信网络带宽需求迅猛增长，现有密集波分复用（DWDM）系统己经不能满足日益增长的带宽需求，提高系统传输能力势在必行。偏振复用技术能
够平滑的使通信系统数据速率提升一倍，进而使得通信系统的传输能力增加一倍，并且在较高的通信速率下，系统仍能保持很高的偏振模色散的容限和灵敏度，具有相对简单的系统终端扩容设备，因此针对偏振复用技术的探索
1 高速光通信系统及偏振复用技术的发展
1.1 偏振复用技术的研究意义
复用技术即在信号发送端将多路信号按照不同的方法或者区分方式进行组合，经历同一个信道传输后，在接收端将原本复用的信号分离出来，达到有效利用现有设施的目的。除了DWDM（密集型光波复用），OTDM（光时分复用）和OFDM（正交频分复用技术）外，提高单波长比特率来满足增长的带宽需求引起了普遍的关注。然而当比特率达到160Gbit/s时，超短脉冲的生成、积累色散的管理在OTDM中都会限制每个波长比特率的增长。因此，当传输带宽受限时，偏振复用成为了提高传输容量的有效的方法之一。在偏振复用方式中，两束相同或不同波长的光可以同时在一根光纤中相互独立地传输，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。所以偏振复用技术的提出对于实现高速传输是非常有意义的[1]。 1.2 偏振复用技术的发展及现状
在上世纪八十年代的一次学术会议上，首次提出偏振复用技术，但当时的传输方案是使用保偏光纤（CPMF）来实现偏振复用，由于保偏光纤的价格与普通单模光纤（SMF）相比较高，而实际中投入使用的大多数都是SMF，这就使得以SMF作为传输媒质的偏振复用系统成为研究热点。国外对于偏振复用技术的研究更为深入并且取得了一定的成果。1991年，Claude Herard和Alain Lacourt提出了偏振光复用的基础理论以及偏振光在单模光纤中的传播。1992年，S. G.Evangelides Jr.等人提出基于孤子源发射的正交偏振态在系统中能保持其正交性的事实，提出了偏振/时分复用的方法，两路正交偏振的光孤子比特流在时间上交叉复用。同年，Paul M.Hill用每路2Gbit/s二进制相移编码（BPSK）的
数据正交复用形成了4Gbit/s的光偏振复用信号，接收端则采用相关的外差检测方法。2001年，通过采用40Gbit/s的复用器和铌酸锂（LiNbO3）调制器产生20Gbit/s的光传输信号。在发射端用差分相移编码（DPSK）调制来控制信道间干扰，接收端允许适当调整偏振控制器来最小化干涉。2007年，S.J.Savory等人提出接收端采用盲均衡实现偏振解复用的技术方案，使用非归零码-正交相移编码（NRZ-QPSK）调制方式，以标准单模光纤（SSMF）作为传输媒质实现了速率为42.8Gbit/s的信号传输6400km的实验，并首次使用恒模算法（CMA）在离线（OilLine）的条件下对混合信号解复用。2008年，C. Wree,S. Bhandare等人第一次采用归零码·差分正交相移编码（RZ-DQPSK）码型的偏振复用技术实现了40Gbit/s(2.20Gbit/s)的传输。同年，在波兰电信研究和发展中心，Obrzezna等人提出并在实验室实现了三路偏振光信道的复用和解复用技术，这是第一次超过两路偏振信道的偏振复用传输。2010年，在文献[2]中，第一次在实验室实现用单偏振-差分八进制相移编码（SP-DBPSK）OTDM技术达到传输距离超过220km、传输速率为0.44Tbit/s的目的，解决了400Gbit/s以太网的可行性问题，同时也证明了在没有辅助时钟情况下也能在速率为0.87Tbit/s的情况下使传输距离达到110km。2011年，在文献[3]中，采用了InP接收机光激性的集成电路和偏振复用差分正交相移编码（DQPSK）技术实现了10信道每个信道45.6Gbit/s的传输。光激性的集成电路（PIC）对于偏振复用的DQPSK信号来说是一种新的解调技术，将光输入信号组合及复用来解调信号。
国内对于偏振复用技术的研究相对于国外来说较慢，实际上早在1986年，就提到了这种新的光纤通信复用方式。文中阐述了偏振复用可以在一根光纤中同时传输两路相同波长的光信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍。为了分析偏振复用的指标，又提出了固有偏振消光比这个参数，并用回谐函数展开法对单模光纤的固有偏振消光比进行了计算，并给出了相应的结果。只是当时这个新的复用技术并没有引起国内专家的关注，直到近十年内，偏振复用技术才又重新受到国内的青睐。2002年，徐文成和陈伟成研究了双折射光纤中偏振复用技术的三阶色散抑制和补偿。文中描述了在强双折射光纤中，让两孤子脉冲沿光纤的两个偏振轴入射，利用交叉相位调制效应克服偏振模色散，自相位调制效应克服群速度色散，使两偏振脉冲在光纤中互不走离地稳定传输，在单信道码率不变的情况下能提
高一倍的通信容量。但是从长距离传输角度看，色散平坦光纤仍不能很好地解决问题。2009年，王铁城和姚晓天根据偏振依赖损耗（CPDL）的原理，推导了偏振复用系统中两正交信道夹角与PDL（偏振依赖损耗）的数值关系[4]，计算了PDL大小对系统的影响。并依据理论模型构建了实验系统，对光纤一个主轴光强进行衰减，描绘出信道间串扰和PDL之间的实验曲线，验证了理论分析的有效性。2010年，冯勇闻等人利用已有的混频器，搭建了偏振分集90°光学混频器，并且补偿其相位误差，接收端实现了偏振分集的相干接收。通过实验实现了10Gbit/s，偏振复用DPSK光信号，经过掺饵光纤放大器（EDFA）和标准单模光纤（SSMF）的干误码280km传输[5]。
近些年来，国内外对于偏振复用技术的热衷都表明在高速光纤通信系统中采用偏振复用技术，并将其与先进的调制码型技术相结合来提高光纤传输速率是非常有意义的。
好的抑制PMD的影响，由于高速数字信号处理芯片研究的难点限制了相干检测技术在高速光纤通信系统中的应用。直接检测技术由于其简单易操作因而在高速光纤通信系统中仍有较为广泛的应用[7]。 2.2 偏振复用光通信系统信息处理技术研究 PDM系统中的信号处理技术主要可以分为两大类：直接检测PDM系统中信号处理技术和相干检测PDM系统中信号处理技术。直接检测PDM系统中的信号处理技术主要涉及到：全光偏振解复用、PDM系统中的全光信号处理（如：波长转换、全光再生、码型变换等）。相干检测PDM系统中的信号处理技术主要包括：基于DSP（数字信号处理）技术的偏振解复用技术，数字衡技术（如对：CD, PMD（偏振膜色散）、非线性损伤、载波频率偏移、相位噪声等信号损伤的均衡）以及相关全光信号处理技术等[8]。
2.2.1 偏振复用系统全光解复用技术
全光自动解复用技术是直接检测PDM系统中的关键技术之一，主要是通过实时跟踪和动态调整进入接收机信号的偏振态来实现两个正交偏振信道上信息的元全分离。如何实时跟踪和动态调整进入接收机信号的偏振态、低成本地实现两个偏振态信道上信号的完全解复用是全光偏振解复用技术研究的重点与难点。一般来说，全光自动偏振解复用部分主要由：自动偏振控制器、偏振分束器、信号偏振态信息动态检测部分、反馈回路等组成，如图1。
Automatic
PBS
2 高速光通信系统中偏振复用技术的研究进展
2.1 偏振复用的光纤通信系统主要关键技术 （1）调制码型。不同的码型对通信系统的色散以及非线性效应[6]的影响程度也不一样，因此对光纤通信系统选择合适的码型是非常必要的。随着传输速率的不断提高，为了改善通信系统的传输效率研究人员越来越倾向于使用QPSK（正交相移编码），DQPSK（偏振复用差分正交相移编码），mQAM（正交振幅调制）等多进制调制格式，研究两个偏振态使用不同调制格式的系统性能。使用偏振复用技术与新型的调制格式相融合的方式可以使系统的传输容量得到很大的改善。在高速光纤通信系统中各种因素都会对系统的性能产生一定的影响比如PMD（偏振膜色散）和偏振不稳定性、偏振相关损耗和非线性偏振旋转等。由此可见，在高速偏振复用光纤通信系统中，合适的调制格式的选取对PMD、非线性效应等的抑制以及对系统性能的提高有着不可忽略的作用。
（2）解复用方式。对于偏振复用光纤传输系统接收端的解复用方式有两种即：直接检测和相干检测。相干检测结合高速的数字信号处理技术能够很
图1 全光自动偏振解复用接收机原理示意图 Fig.1Conceptual diagram of PDM receiver with
all-optical automatic polarization
demultiplexing technologies
2.2.2 偏振复用系统全光信号处理技术
全光信号处理技术主要是基于介电材料的非线性效应，如：自相位调制（Self-phase Modulation:SPM）、交叉相位调制（Cross-phase Modulation:XPM）、交叉增益调制（Cross-gain Modulation:XGM）、四波混频（Four-wave Mixing:FWM）、非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation:NPR）等。理论上讲，任何介电材料中都存在非线性效应。实际中，目前可用于光网络中实现全光信号处理的非线性材料或器件主要有：半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier:SOA ）、高非线性光纤（Highly Nonlinear Fiber:HNLF ）、固体晶体材料，如：铌酸锂（Lithium Niobate:LiNbO3）、硅波导等。
随着PDM技术被业界视为未来光网络的核心技术后，有关PDM系统中全光信号处理技术的研究也逐步开展起来了，如：波长转换、码型变换、参量放大、波长组播、全光快速傅里叶变换和快速傅里叶反变换（Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform:FFT/IFFT）等。
研究如何实现PDM系统中两正交偏振信道上信号的同时处理，特别是，考虑到未来网络的发展，所以，针对先进调制格式PDM信号的全光信号处理技术的研究对未来光信息网络的发展有着重要意义。
2.2.3 偏振复用系统数字信号处理技术
基于DSP和相干检测技术的PDM系统，一方面可以利用相干检测技术降低系统的OSNR灵敏度要求，完整地获得光载波幅度、频率、相位以及偏振态所携带的全部信息，支持高阶、多维调制格式在光通信系统中的应用，提高通信系统频谱利用率；另一方面利用DSP技术可以灵活地完成数字偏振解复用，自适应地补偿信号在传输过程中因光信道和光器件的各种非理想特性引起的损伤，如：CD,PMD、光纤非线性效应、信号载波与本地激光器之间的频偏和相偏、90°混频器（90°Hybrid）的两臂相位差非理想特性等。基于相干检测技术的PDM传输系统成为业界主要研究的单波长100-Gbit/s和超100-Gbit/s传输解决方案，其接收端
的数字信号处理技术和结构一直是研究的热点。
相干检测PDM系统中后端数字信号处理的另一功能就是实现信号损伤的补偿与均衡。PMD的均衡往往和偏振解复用综合在一块，在实现偏振解复用的同时实现对链路PMD的补偿。
总之，相干检测PDM系统接收机后端数字信号处理技术和结构是整个系统的关键，设计高效、简单、便于硬件实现的数字信号处理核心算法，对掌握下一代高速光通信系统的核心技术有着十分重要的意义。
2.3 偏振复用光通信系统的总体结构
偏振复用系统首先于上个世纪八十年代初期提出来，在上个世纪八十年代末九十年代初开始，引起人们的普遍关注。基于光纤的基本传输原理和光学偏振器件的发展，以及光纤传输速率的不断提高，人们进行了各方面大量的实验，下面介绍两种常出现的实验系统。
2.3.1 不考虑PMD补偿的偏振复用系统
在偏振复用技术刚刚面世之时，当时的单纤传输速率并不高，从单信道2Gbit/s到10Gbit/s不等，在这样的速率前提下，可以不考虑PMD的影响，同时关于PMD的相关技术也不成熟，在报道的实验系统中较少涉及到PMD补偿的问题。如下图2所示系统，在初期无PMD的偏振复用系统的相关技术研究中经常使用到。
图2 偏振复用光纤通信系统
Fig.2polarization multiplexing optical fiber
communication systems
在这个系统中，没有涉及调制解调方式的讨论，
在发送端，采用TX送出的调制信号，在接收端，采用直接探测方式。主要研究的工作在偏振复用信号的复用和解复用过程，正交偏振复用信号的获得通过偏振分束器对偏振态的选择，解复用则是通过光电偏振变压器和光纤偏振器的共同作用。
这样在正交偏振光复用和解复用过程中，损耗会比较大，首先在偏振复用信号的形成过程中，利用偏振分光器对于正交偏振态的选择，会使输入偏振分光器的每一路至少损失一半光强，同时所得正交偏振复用信号的性能将很大程度取决于偏振分光器的偏振消光比，消光比过低，将影响系统性能，消光比过高，则器件成本会增大。在解复用的过程中，利用光电偏振变压器和光线偏振器的共同作用，使得解复用过程略显复杂。
2.3.2 考虑PMD补偿的偏振复用系统
随着社会对通信容量要求的不断提高和光传输技术的不断发展，光纤传输的单信道速率不断提高，PMD效应对光纤传输系统的影响就变得不可忽略了，这时光纤通信系统需要考虑光纤链路上对于PMD的监控和补偿问题。虽然偏振复用系统对于PMD的系统容限比较可观，但是速率提升到40Gbit/s时，如果在长距离传输中不进行有效补偿，则依然会对系统性能造成极大地劣化。
目前，针对偏振模色散的检测、控制、补偿研究取得了很大的进展，在高速通信系统中会根据系统特点的不同使用各种不同的偏振模色散管理办法。如下图3所示，即一个传输速率为40Gbit/s的一种新型的偏振态稳定器的偏振复用系统的结构原理图。该偏振复用系统采用C波段的1550nm的激光光源，同时采用DQPSK的调制格式，使用偏振分束器得到正交偏振的两路复用信号，同时也通过偏振分束器实现偏振复用和解复用[9]。
10Gbit/s
ASE Adder
图3 使用偏振稳定器的高速偏振复用系统
Fig.3 high-speed Laser polarization multiplexing system using polarization stabilizer
3 高速传输时偏振复用链路的损失和串扰
在高速光纤通信系统中，由于传输速率的提高，码元周期减小，必须考虑在传输链路上由于光纤本身的特性而出现的各种损伤，具体说来包括色散、偏振模色散、时间抖动等效应带来的线性损伤，非线性效应、自发辐射噪声等带来的非线性损伤，这些损伤如果不进行补偿或者管理，将在长距离通信过程中给系统性能造成极大的劣化。同时，对于偏振复用的高速光纤通信系统中，在长距离传输时，必须考虑在光纤链路上与偏振态相关的一些效应带
来的串扰，如偏振相关损耗、偏振相关增益、偏振相关调制等，这些效应往往与前面提及的各种损伤相互作用，严重影响系统正常通信的质量[10]。
4 总结
当今社会，在信息化的浪潮下，人们对光纤通信的速率、容量的要求不断提高。在这种背景下，光纤通信系统中常常使用时分复用、波分复用等复用技术来提高系统容量，但是当速率等级和复用间隔到一定的程度时，为了避免随之而来的电子速率瓶颈问题及光纤本身特性带来的一些损伤等问题，将会给系统设计带来很大的复杂性。这时综合考虑偏振复用技术，将会给系统的扩容带来一个高性价
Integrated Circuit[J].JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 2011,29(4):386-393.
[4] 王铁城，姚晓天.偏振相关损耗对偏振复用系统信道正交性的影响[J].中国激光，2013，36(4)：879-883.
[5] 冯勇闻.偏振复用差分相移键控信号的数字相干解调与偏振解复用算法研[J].光学学报,2010，30(5)：1268-1273.
[6] Stefano Bottacchi,Andrews Matiss, Mads L. Nielsen et al.Advanced Photo receivers for High- Speed Fiber Transmission Systems[J].IEEE, JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUATUM ELEC TORNICS,2010,9,16(5).
[7] 辛雨晴.高速光纤通信中的偏振复用技术研究[D].长春理工大学,2014.
[8] 易安林.偏振复用光通信系统信号处理技术研究[D].西南交通大学,2013. 参考文献
[9] Mario Martinelli,Paolo Martelli,Silvia Maria Pietralunga.Polarization Stabilization in Optical
[1] 吴婷.高速光纤通信中的偏振复用和码
Communications Systems.Journal of Lightwave
型调制技术[D].北京交通大学, 2013.
Technology,2014.24(11):4172- 4138.
[2] E.Tipsuwannakul,M.Galili,and M.Bougi-oukos.
[10] 吴婷.80Gbit/s光纤通信系统偏振复用技术研究
0.87 Tbit/s 160 Gbaud Dual Polarizarion DBPSKO
[D].华中科技大学, 2012.
TDM Transmission aver 110km[J].IEEE PHOTONIC
S TECHNOLOGY LETTERS,2010,6(4):19-23.
[3] Radhakrishnan Nagarajan, Jeffrey Rahn, and Mas aki Kato.10 Channel,45.6 Gb/s per Charnel Polarizat ion-Multiplexed DQPSK, InP Receiver Photonic
比的选择，偏振复用技术一个显著的优点就在于可以平滑的将系统速率提高一倍，利用传输波长的两个正交偏振态，分别传输两路不同的信号，提高了系统的频带利用率，同时对偏振模色散具有较高的容限。
对于高速光通信系统的偏振复用技术而言，本文的工作只是一部分，还有很多工作需要继续深入研究。虽然高速光通信系统的偏振复用技术对于偏振模色散具有较好的容限，但在实际40Gbit/s速率以上的高速通信系统的应用中，在传输链路上对偏振模色散需要进行严格的监控和补偿。另外，偏振复用技术在实际中常常与其他复用技术综合使用，那么需要具体综合考虑多种复用技术混合使用时如何充分发挥各种技术的优点，以及避免相互之间性能上的影响。