一种快速偏振模色散发生器 技术领域 本发明属于高速光通信技术领域，尤其涉及偏振模色散模拟和补偿技术。
背景技术 在高速率光通信系统中，偏振模色散(PMD)引起传输信号的严重恶化，它已经成为10Gbit/s以上通信系统的主要技术障碍。电信运营商现在一般都靠选用低PMD的光纤或减小传输距离的方法回避PMD的问题，而在传输速率超过40Gbit/s的光通信系统中，即使采用目前PMD值最小的光纤也只能传输几百公里，而在80年代敷设的一些高PMD值的光纤中只能传输几十公里，所以研究光纤中PMD的变化规律并补偿这种变化，才能提高光传输的速率和距离，因而PMD测量和补偿技术的研究成为近几年光通信研究的一个热点。
由于实验室中通常采用的试验光纤数量和种类有限，所以一般采用可以在较短时间内产生较大的PMD值变化的PMD模拟器代替真实光纤，既缩短研究时间，也利于考察补偿系统的反馈速度和补偿能力。现有的PMD模拟器的类型有：(1)将多段保偏光纤以随机角度连接起来，其PMD平均值基本不变，段数越多越接近真实光纤，这种模拟器的PMD值基本不变，适用于PMD测量仪的校准。(2)多段保偏光纤串联，在所有相邻的两段保偏光纤之间加偏振控制器，每个偏振控制器独立工作、并能遍历所有偏振态，这种方法成本较高，控制复杂。(3)多段不同长度的保偏光纤串联，随机转动各段保偏光纤相互之间的偏振主轴，这种模拟器不易产生符合Maxwell分布的群时延差(DGD)信号。
现有的PMD模拟器存在的主要缺点有：(1)难以重复产生任意分布形式的PMD序列值或特定地PMD值，不利于测量和补偿研究方法的比较。(2)低阶和高阶PMD混在一起，不能分开研究，且分布不能同时满足要求。(3)一般DGD值变化速度较慢，无法模拟瞬时的PMD变化。
PMD补偿技术目前主要研究一阶补偿的问题，它包括偏振主态(PSP)的补偿和DGD的补偿。PSP的补偿需要用偏振旋转器跟踪光纤中偏振态的变化，使输出偏振态保持恒定，现在一般采用电控偏振控制器的方法来实现。DGD的补偿有两种方法，一是采用固定长度的保偏光纤，即定值补偿，这种方法用于被补偿对象DGD值变化不大的情况，补偿效果不太好，但结构简单、成本低；二是采用可变DGD发生器，一般是用偏振分束器加可变延时器的方法，优点是调节范围大，缺点是调节速度慢。
发明内容 本发明的目的是为了解决现有的PMD模拟和补偿器件存在的缺点，提出的一种快速、可编程的偏振模色散发生器，它能够快速产生严格符合Maxwell分布的DGD和PSP序列，而且序列值可完全重复。也可以产生一阶、二阶混合或纯二阶的PMD。
本发明的一种快速偏振模色散发生器，其特征在于，包括一个偏振旋转器和一个DGD发生器和单片机三部分；其中，输入光信号通过光纤导入偏振旋转器，再导入DGD发生器，最后从光纤导出，偏振旋转器、DGD发生器均与单片机相连。
本发明提出的另一种快速偏振模色散发生器，其特征在于，包括一个单片机，及与其相连的相间排列的三个偏振旋转器和三个群时延差发生器，其中，一个偏振旋转器和相邻的一个群时延差发生器组成一个一阶偏振模色散发生器单元；各一阶偏振模色散发生器单元之间通过光纤相连；其中，输入光信号通过光纤导入第一个一阶偏振模色散发生器单元，从第三个一阶偏振模色散发生器单元输出的光信号从光纤导出；组成纯二阶的偏振模色散模拟器。
本发明的技术特点及效果：
1.本发明PMD发生器可以产生范围为τ～(2n-1)τ、分辨率为τ的任意分立的DGD值，n值和τ值越大DGD值变化范围就越大，τ值越小则DGD值分辨率越高。可以产生0～360°的所有偏振方向的旋转，也可以产生确定的旋转角。
2.本发明PMD发生器可以产生满足任意数学分布的DGD变化序列，且DGD值和序列可重复。
3.本发明PMD发生器可以在0～360°范围内产生满足任意数学分布的PSP，且上述状态可以重复。
4.单个本发明PMD发生器产生的是纯一阶的PMD，几个本发明一阶PMD发生器单元的组合可以产生纯二阶或多阶混合的PMD。
5.本发明PMD发生器响应速度快(＜1ms)、插入损耗小(＜2dB)。
它主要的应用：
(1)可作为理想的一阶PMD模拟器，它能够快速产生严格符合Maxwell分布的DGD和PSP序列，而且序列值可完全重复。
(2)可用于高阶PMD模拟器，也可以产生一阶、二阶混合或纯二阶的PMD。
(3)一阶PMD补偿器，产生与被补偿对象相反的PSP和DGD值，可快速补偿一阶PMD的变化。
(4)高阶PMD的补偿，几个本发明一阶PMD发生器单元的串联可补偿高阶PMD的变化。
(5)非Maxwell分布PMD模拟器，因为在Maxwell分布中大DGD值的发生几率非常小，所以以完全符合Maxwell分布的PMD模拟器或真实光纤作为被补偿对象不利于考察补偿系统对大DGD值的补偿效果，因而人为增加大DGD值的发生几率是一种有效的PMD补偿研究方法，称为“重点采样法”，本发明发生器可快速产生任意统计分布的PMD值。
【附图说明】
图1为本发明的实施例1中一阶PMD发生器的结构图。
图2为实施例1中一阶PMD发生器中的偏振旋转器的结构图。
图3为实施例1中一阶PMD发生器中的DGD发生器的结构图。
图4为实施例1中一阶PMD发生器DGD测量值的统计结果。
图5为本发明的实施例2纯二阶的PMD发生器的结构图
具体实施方式 本发明提出的一种可编程偏振模色散发生器，结合附图及实施例详细说明如下：
实施例1：
本实施例的可编程偏振模色散发生器的总体结构如图1所示，它由电控的磁光偏振旋转器、电控的DGD发生器和单片机三部分组成，其中，输入光信号通过光纤导入偏振旋转器，再导入DGD发生器，最后从光纤导出，偏振旋转器、DGD发生器均与单片机相连。
图2是本实施例的偏振旋转器结构图，它是一个电控的磁光偏振旋转器，由带有轴向通孔的线圈骨架20、绕在其上的线圈21，固定在通孔中心的磁光旋转晶体22组成。光纤导入的光信号通过磁光旋转晶体22后从光纤导出，通过单片机控制线圈21中的电流可以使入射光的偏振方向在0～360°范围内连续变化，并且旋转角度与特定电流相对应。线圈21要求在线圈的中心位置能产生的最大磁场等于磁光晶体的饱和磁场，本实施例中采用0.1mm漆包线，1200匝。本实用新型也可采用具有相应功能的其它偏振旋转器。
本实施例的DGD发生器的结构如图3所示，由沿光轴相间排列的n个偏振旋转器(321、322、......32n)和n个偏振延迟器(331、332、......33n)组成，且相邻延迟器的DGD值成倍数增长。
DGD发生器的工作原理为：光纤导入的输入光信号经准直器311变为平行光，它交替通过n个偏振旋转器和n个偏振延迟器，再由光纤准直器312耦合进光纤导出。所有偏振延迟器的快轴相互平行，偏振旋转器可工作于0°和90°两个状态，由2个不同的电压控制。
n个偏振延迟器(321～33n)产生的群时延差(DGD)分别为τ、2τ、……nτ，其DGD的大小由双折射晶体的材料和尺寸决定，定义km为第m个偏振旋转器的开关系数，旋转角度为0°时km＝1，旋转角度为90°时km＝-1，通过单片机编程控制k1～kn的值，则本发明发生器总的DGD值为：
DGDtotle＝k1(τ+k2(2τ+…+kn-1((n-1)τ+knnτ)…))
当本实施例的DGD发生器由6个偏振旋转器和6个偏振延迟器组成时，且相邻延迟器的DGD值分别为0.5、1、2、4、8、16(ps)，则总的DGD值为：
DGDtotle＝k1(0.5+k2(1+k3(2+k4(4+k5(8+16k6))))) (ps)
对应不同的k1～k6组合值，可以得到±0.5ps～±31.5ps范围内、分辨率为0.5ps的DGD值。
本实用新型也可采用具有相应功能的其它DGD发生器。
本实施例的采用8051系列单片机，它可以产生符合不同统计分布的算法，并通过接口电路产生偏振旋转器需要的控制电流，也可以产生控制DGD发生器状态所需要的开关电压。
本实施例可作为一阶的PMD模拟器，产生的DGD值严格符合Maxwell分布，PSP值符合均匀分布。
本实施例单片机产生平均值为μ的Maxwell分布序列的方法为：
首先由单片机产生两个在区间(0，1)内的均匀分布的随机数r1和r2，然后由下式可以得到一个符合正态分布的随机数N1，
N1=-2log(r1)cos2(2πr2)]]>
同样用上述公式得到符合正态分布的随机数N2和N3，则
M=π8μ(N12+N22+N32)]]>
就是平均值为的符合Maxwell分布的随机数。
本实施例取M值为0.5ps的倍数，并舍弃M＜0.5和M＞31.5的值，查表可以得到k1～k6的组合值，通过单片机接口输出到DGD发生器，则DGD发生器就产生与计算值严格相符的DGD输出。μ(ps)值由具体应用于要求决定，一般取值范围不大于DGD发生器最大值的一半，在本实施例中，取μ＜15ps。
同样由单片机计算出在0～360°范围内，符合均匀分布的数值序列，并通过接口输出到偏振旋转器，即可以使入射光信号的偏振方向在0～360°范围内随机旋转，旋转角度符合均匀分布；也可以使偏振旋转器旋转到需要的角度。
实验测得由本实施例产生的DGD值的统计结果如图4中柱状图所示，图中曲线为理想Maxwell分布曲线，可见实验与理论严格相符。
实施例1的工作原理为：从光纤输出的光信号经过偏振旋转器，控制线圈21的电流，使得从偏振旋转器输出的光与DGD发生器中的高双折射晶体的快(慢)轴成某一夹角，该夹角为零时，由PMD发生器输出的光信号的形状不发生变化，夹角不同，输出信号的形状不同；同一个夹角下，DGD发生器的值不同，信号光经过DGD发生器后两个互相垂直的偏振模的时间延迟不同，输出的信号形状也不同。
实施例2：其组成结构如图5所示，包括一个单片机，及与其相连的相间排列的三个偏振旋转器和三个群时延差(DGD)发生器；一个偏振旋转器和相邻的一个群时延差(DGD)发生器组成一个一阶偏振模色散(PMD)发生器单元；各一阶PMD发生器单元之间通过光纤相连；其中，输入光信号通过光纤导入第一个一阶PMD发生器单元，从第三个一阶PMD发生器单元输出的光信号从光纤导出；组成纯二阶的PMD模拟器。本实施例用一个单片机控制，保证三个一阶PMD发生器单元的DGD值相同，调节第2个和第3个一阶PMD发生器单元的偏振旋转器，使三个一阶PMD发生器单元的PMD矢量在Stocks空间首尾相连，组成一个等边三角形，此时总的一阶PMD值为0，也可以证明此时3阶以上的PMD值很小，因而本实施例可以看作是一个纯二阶的PMD发生器。保持第2个和第3个一阶PMD发生器单元的偏振方向不变，第1个一阶PMD发生器单元的偏振方向0～360°范围内均匀随机变化，三个一阶PMD发生器单元产生符合Maxwell分布的DGD序列，则本实施例二阶PMD的平均值为其中τ为每一个一阶PMD发生器单元的DGD值的平均值。
实施例2中的偏振旋转器和群时延差(DGD)发生器可采用实施例1中的具体结构，也可采用具有相应功能的其它已知器件。