[发明专利]一种Stokes空间的快速偏振追踪与解复用方法

说明书

针对光纤通信系统中偏振复用信号在光纤中传输引入的偏振随机扰动问题，本发明公开了一种Stokes空间的快速偏振追踪与解复用方法；即旋转角度和相位导向的Stokes空间快速偏振追踪与解复用方法及应用。相比较于常用偏振解复用算法如CMA、MMA等，本发明具有超过其10倍的偏振扰偏速率追踪性能；应用表明，本发明适用于多种调制格式和接收方式；具有快速的偏振扰偏追踪能力以及较低的算法复杂度，能够增加偏振复用系统的解复用稳定性。

技术领域

本发明属偏振复用光通信系统及光网络等技术领域，尤其涉及基于Stokes空间旋转角度和相位导向的快速偏振追踪解复用方法及其应用。

背景技术

光纤通信技术的兴起为信息化社会的发展奠定了坚实的基础。其中，偏振复用作为一个关键且有效的技术在现今的光纤通信网络中得到了广泛的应用。早在19世纪，光波的偏振特性一直是物理学界的研究热点。随着光纤通信的发现，偏振复用技术在1990年就被提了出来。不过，由于受到光纤双折射的影响，偏振复用信号在光纤中传输时会出现随机变化，从而导致在接收端很难将信号解调出来。因此，该技术并没有得到广泛的应用。早期无法解调偏振复用信号的主要原因在于采用的直接探测方式无法获取信号的相位信息。而随着激光器线宽的控制技术成熟以及相干接收器件的研制成功，使得相干接收技术取得突破性进展。此外，DSP芯片的运算能力以及算法性能的提高，使得利用DSP算法实现偏振解复用具有实际意义。同时，偏振复用信号的解调灵活性得到了极大地提高。在2012年，商用100G传输系统得到了广泛的应用，同时也预示着高速偏振复用系统及其解复用算法得到了市场认可。

在商用100G传输系统中，主要采用恒模算法CMA作为偏振复用信号解调的算法。该算法具有稳定、精度高且均衡效果好等优点，但与此同时，该算法也存在收敛速度慢、存在奇异点以及高速偏振扰偏追踪性能差等劣势。特别是在一些特定的情况下，如长距离跨洋通信、跨复杂地形地貌区域通信等情况下，偏振状态的改变是影响系统性能的一个主要因素。其偏振特性往往表现出突发偏振状态跳变、快速连续随机扰偏以及多重偏振损伤等。在这种情况下，恒模算法CMA往往会失效，从而影响传输系统的性能。除了CMA算法外，常用的解复用算法包括基于Stokes空间的偏振追踪和卡尔曼滤波器等。2010年安捷伦公司的Bogdan Szafraniec提出了一种基于Stokes空间的偏振追踪算法，但是该算法与调制格式无关。卡尔曼滤波器能够实现对偏振状态的快速追踪，2015年香港理工大学Yanfu Yang等利用卡尔曼滤波器，在0.5-dBQ因子损失下，对QPSK信号实现了偏振扰偏速率38-Mrad/s的追踪。这两种方法虽然都能有效地实现偏振复用信号的解调，但对偏振模色散PMD和色度色散等效应容忍性较差；卡尔曼滤波器在对高阶调制格式的信号解调也存在问题。此外，尤其是基于Stokes空间的偏振解复用算法目前具有角度模糊以及高速偏振扰动追踪困难等缺点。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的不足，本发明的目的提供一种Stokes空间快速偏振追踪与解复用方法，该方法通过在Stokes空间内以旋转角度为导向对偏振旋转状态进行追踪，结合Jones矩阵实现偏振复用信号的解复用，以期达到快速的偏振扰偏追踪能力以及较低的算法复杂度。

本发明的另一个目的是实现本发明快速偏振追踪解复用方法的应用，在基于Stokes空间中能适用于多种调制格式和探测方式。

实现本发明之目的的技术方案如下：

一种基于Stokes空间旋转角度和相位导向的快速偏振追踪与解复用方法，该方案以偏振旋转角度与正交偏振态的相位差值θ和δ为出发点，根据Stokes空间Muller矩阵计算偏振旋转状态并得到偏振反作用后的和平均值，以这三个平均值的极值为代价函数获取追踪后的θ和δ值，进而实现偏振复用信号的偏振扰偏追踪与解复用。包括以下步骤：

步骤1)输入随机扰偏接收端信号[E_x；E_y]并计算其Stokes矢量[S₁；S₂；S₃]；