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当今社会，光纤通信凭借传输频带宽、抗干扰性强以及信号衰减小等诸多优势，已然成为通信网络的重要支柱。简而言之，光纤通信就是将已转换为电信号的信息调制到激光器发出的激光束上成为光信号，再发送到光导纤维并以光的全反射原理进行传输。在接收端，相干检测光纤通信系统可以利用本地激光器发出的本振光源与接收信号进行相干探测。与之前得到广泛应用的直接检测光纤通信系统相比，其在提取信号振幅信息的同时还能提取到信号的相位信息，有利于增加通信速率和通信容量以及进行更有效的信号均衡。所以近些年来，相干检测光纤通信系统发展迅猛，正在从单波长信道100千兆比特每秒（Gbit/s）系统（以下简称100G系统）向着200Gbit/s~800Gbit/s的超100G系统演进。
在高速光纤通信系统快速发展的过程中，雷电天气下的通信中断问题使得Coriant、New Ridge Technology、中兴及华为等众多通信设备制造商倍感头疼。为此，Coriant公司还发表过一篇白皮书《雷电与100G光纤通信传送系统》，试图探析其背后的机理。New Ridge Technology公司总裁亨利•亚夫（Henry Yaffe）博士更是生动地指出：“一部分用户打电话或者发电子邮件给我，报告他们（曾在雷雨天）由于光纤链路中偏振态的瞬间变化致使相干接收机失锁而导致通信中断。偏振态会在雷电发起的初期（几十微秒内）迅速变化，其变化速率可达上百千弧度每秒（krad/s），有时甚至达到1兆弧度每秒（Mrad/s），随后系统经历几毫秒的恢复时间才回到稳定状态。”这里提到的偏振态是光纤中光信号的属性，即光在介质中会以不同的偏振态进行传播，正因如此，光纤通信系统经常利用两个相互正交的偏振态来传输不同的信号，即偏分复用，以求得通信容量的加倍。实际的光纤往往存在某种程度的不完善，例如纤芯的椭圆形变、光纤内部的残余应力等，或者光纤受到外界的干扰，这些都会使得光纤内部的本征偏振模式产生不同的传播速度，从而形成双折射。双折射的存在，势必会引起光信号在光纤中传输时发生偏振态变化（RSOP）；同时，双折射还会使得光信号在传输过程中分解出两个不同的本征偏振模式，两者传输的不同步使得最终到达接收端的信号在合成时发生畸变，即由偏振模色散（PMD）造成的光信号损伤，这对高速光纤通信系统的影响尤为显著。为了尽可能地恢复在光纤传输过程中遭受到RSOP和PMD等损伤的信号，在接收端往往会采用相应的均衡算法加以补偿。雷电在本质上是一种自然的放电现象，其产生的强电场与强磁场会在架空光缆的光纤中引发克尔效应与法拉第效应，其中前者是一种电光效应，即外部电场会使介质产生双折射，从而使光纤中的偏振态发生改变，而后者是一种磁光效应，即外部磁场可以造成光纤中偏振态的整体旋转。正是由于这两种效应的叠加，在雷电发生地点周围几百公里的光纤中会产生快速变化的双折射，进而引发光纤中产生高达兆弧度每秒的超快RSOP以及产生数倍于符号周期的大PMD，而这远远超过了接收机中预设的传统偏振损伤均衡算法的跟踪能力，使得接收机无法处理接收到的信号，即接收机处于失锁状态，最终造成通信发生中断。这就是由雷电引发高速光纤通信之困的成因所在。虽知其因，但国内外的电信运营商和设备制造商却长期苦于寻求破解之法，于是在雷电等极端场景下如何对光纤通信系统中产生的超快RSOP和大PMD进行跟踪和均衡成了一个世界性难题。北京邮电大学张晓光教授研究团队立足于对光纤通信系统的深入研究以及对雷电造成光纤通信系统中断机理的深刻理解，提出了完备的RSOP建模理论，并以此为基础创新性地提出了一种基于新架构的卡尔曼（Kalman）滤波器算法，其最主要的优势在于能够一并均衡相干接收机中由RSOP和PMD造成的偏振损伤，且在收敛速度上比传统的均衡算法有了显著的提升。该算法为解决这一世界性难题提供了一个行之有效的解决方案。要想解决极端场景下超快RSOP的均衡问题，首先就要对光纤中的RSOP模型进行剖析，深入理解其产生信道损伤的物理机制，才能对症下药，设计出均衡效果更好的算法。目前，对于RSOP的建模，虽有多种不同的表征形式，但几乎所有的文献采用的都是基于两参量（即两自由度）的描述。如果接受两参量的RSOP模型是完备的这一假设，那么采用某一种表征形式所对应的损伤模型应可以由另一种表征形式所对应的恢复模型进行补偿，然而研究团队发现这是无法做到的，这也就是说表征形式不同的模型之间并不等价。此外，对偏振控制器的描述是三参量的，其核心也是在表征完备的偏振态变化情况，这也为RSOP的正确建模提供了一个可供思考的角度。研究团队还通过严谨的理论分析，最终给出结论：目前普遍采用的两参量RSOP模型是不完备的，而完备的描述则需要3个独立参量。对于众多文献长期采用两参量来建模RSOP，研究团队认为其原因可能是业界对偏振态和RSOP的概念有所混淆：正如前文所述，偏振态是光纤中光信号的属性，描述任意的偏振态只需要2个参量即可；而RSOP是光信号在光纤信道的传输过程中产生的偏振态改变，若想完备描述则需要3个参量。研究团队提出的这种三参量的RSOP模型，纠正了对以往RSOP建模及理解的错误，为研究团队实现对RSOP的有效均衡以及继续破解雷电引发的高速光纤通信之困奠定了坚实的理论基础。目前，光纤通信系统的相干接收机采用的偏振均衡算法大多是以恒模算法（CMA）为代表的多输入多输出（MIMO）算法，其采用多抽头的有限冲激响应（FIR）滤波器结构，一次需要处理多个符号的运算（符号数即为抽头数），这需要耗费接收机中大量的存储资源，也会大大延缓算法的收敛速度，进而容易导致在雷电天气下丧失对RSOP和PMD的跟踪能力，使得在接收机侧无法予以相应地均衡，最终接收到的光信号仍然损伤严重。这正是前文亨利•亚夫所描述情形的症结所在，因此，破解雷电引发的高速光纤通信之困的关键是寻找到一种合适的偏振均衡算法。1960年，卡尔曼滤波器一经提出便被用于解决美国“阿波罗”登月计划的轨道预测问题，随后经过不断地完善和发展成为重要的估计理论，在雷达目标跟踪、卫星定位、组合导航、图像信息融合、工业故障诊断和智能机器人等诸多领域有着广泛的应用和良好的表现。简而言之，卡尔曼滤波器是一种在噪声背景下恢复数据的信息处理算法，其采用状态空间对所研究的系统进行描述，用在测量空间中得到的测量量来构造判据，并采用递推计算实现系统状态的实时估计与更新。对于跟踪极端场景下的超快RSOP，卡尔曼滤波器或许是一个不错的选择。然而需要特别注意的是，这种传统的卡尔曼滤波器是以时域递归方式进行构造的，若将之用于偏分解复用，其对PMD的容忍度不会超过符号周期的0.4倍，而一个28G波特率的100G偏分复用系统的一个符号周期约为36皮秒（ps），这也就是说传统的时域卡尔曼滤波器对PMD的容忍度只有14.4ps。而在极端场景下，相干接收机需要一种能够兼顾补偿超快RSOP和大PMD的算法，但这一难题的核心矛盾就在于RSOP是在时域造成的损伤，而PMD是在频域造成的损伤。显然，无往而不利的传统时域卡尔曼滤波器，当面对这种复杂情形时，似乎也只能望洋兴叹。于是研究团队产生了一个大胆的构想：是否有可能通过建立一种架构，使卡尔曼滤波器在时-频域都能够运行，并实现对时域超快RSOP和频域大PMD均衡的兼顾呢？继往开来：新架构卡尔曼滤波器
研究团队经过深入的研究，通过构造一种特殊的滑窗式结构，如图1所示，将传统的时域卡尔曼滤波器架构扩展为一种新的时-频两域的卡尔曼滤波器架构，如图2所示。在对卡尔曼滤波器进行恰当的初始化之后，该架构以滑窗式结构截取的固定数量的输入符号作为信号队列，通过快速傅里叶变换（FFT）将时域信号变换到频域，利用卡尔曼滤波器提供的部分参量（即PMD三个分量）经PMD补偿模块实现其均衡，再通过快速傅里叶反变换（IFFT）把频域信号变回到时域，利用卡尔曼滤波器提供的部分参量（即RSOP三个参量）经RSOP补偿模块实现其均衡，之后将完成此次均衡的信号反馈给卡尔曼滤波器，由其校正模块执行基于相应测量量的状态更新，再以其预测模块给出的新的状态估计作为下一次信号补偿的参量，并通过多次迭代实现对参量的跟踪，直至卡尔曼滤波器收敛，此时刻的输出即满足由相应测量量构造的判据，也即消除了PMD和RSOP造成的信号损伤。下一时刻，窗口向前滑动得到新的信号队列，重复上述步骤，以此实现对输入信号的有效均衡。
图3较为全面和直观地展现了这种基于新架构的时-频域卡尔曼滤波器的损伤均衡算法（以下简称新架构卡尔曼算法）的偏振均衡性能，并以传统的CMA作为比较对象。当差分群时延（DGD）为100ps时，图3（a）展现了新架构卡尔曼算法和传统的CMA在不同RSOP速度下得到的误码率（BER）随光信噪比（OSNR）的变化情况，从中可以看到，若以BER在前向纠错（FEC）阈值之下作为判定算法性能较优的标准，CMA只能勉强跟踪200krad/s的RSOP损伤，而新架构卡尔曼算法则可以从200krad/s的低速一直跟踪RSOP到2Mrad/s的高速；当OSNR为14dB时，图3（b）展现了新架构卡尔曼算法与传统的CMA在不同DGD下跟踪RSOP损伤的情况，从中可以看到，当DGD小于200ps时，CMA都只能跟踪200krad/s的RSOP，而新架构卡尔曼算法则可以在20ps~190ps的不同DGD损伤下跟踪超过2Mrad/s的RSOP，其BER曲线也均在FEC阈值之下且跟踪趋势稳定；当OSNR为14dB且DGD为190ps时，图3（c）展现了新架构卡尔曼算法在RSOP为2Mrad/s情况下对PMD向量的3个分量的跟踪能力，从中可以看到，其动态跟踪能力非常之强，大约历经500个符号周期（约18纳秒）就能收敛于真实的PMD分量值。具体而言，对于一个28G波特率的100G偏分复用系统，新架构卡尔曼算法可以补偿超过8个符号周期的PMD和高达几兆弧度每秒的RSOP，这为破解极端场景下的高速光纤通信之困奠定了坚实的算法基础。
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北京邮电大学张晓光教授研究团队基于完备的三参量RSOP模型，提出了一种能够联合补偿超快RSOP和大PMD的滑窗式结构时-频域卡尔曼滤波器均衡算法，为解决由雷电等极端场景引发的光纤通信中断提供了一种可行的方案。这虽是研究团队众多研究工作中的冰山一角，却也是“二十年来磨一剑”的结晶。然而，研究团队初步破解的极端场景下的高速光纤通信之困，也只是光通信万里征途中翻越过的一座山丘，暂立山巅向前看，仍是重峦叠嶂、沟壑纵横，仍会有康庄大道，也不免荆棘丛生。从2001年至今，张晓光教授研究团队以“板凳甘做十年冷”的精神潜心研究相对冷门的光纤偏振效应对光纤通信信号损伤的机理与均衡技术。20年来，研究团队先后承担并完成了多项国家863计划、国家自然科学基金、省部级科研项目及企业委托项目，2010年成功研制了中国第一台偏振模色散补偿样机，2017年受国家出版基金资助出版了国内第一部关于偏振模色散的专著《光纤偏振模色散原理、测量与自适应补偿技术》。社会需求的快速发展推动着信息技术的快速更迭，而下一代光纤通信系统必将有着更高的传输速率和更大的通信容量，光纤偏振效应对光通信系统的制约也会更为显著，研究团队也将继续致力于相关领域的研究，仰望星空，紧跟时代，砥砺前行，为光通信事业做出新的贡献。致谢：感谢国家自然科学基金项目“雷雨天气光纤偏振态瞬变导致通信中断的机理分析与光信号损伤均衡研究”（项目编号：62071065）、国家863面上项目“高速光纤通信传输系统中信号损伤动态结合的光电均衡技术”（项目编号：2009AA01Z224）、国家863计划重点项目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”（项目编号：2001AA122041）。本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2021年2月刊。
张晓光：北京邮电大学电子工程学院教授、博士生导师、信息光子学与光通信国家重点实验室信息光子学基础研究中心主任。
席丽霞：北京邮电大学教授。
张文博：北京邮电大学副教授。
唐先锋：北京邮电大学副教授。
张虎：北京邮电大学副教授。
肖晓晟：北京邮电大学副教授。
来源：悦智网
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