单模光纤偏振模色散PMD

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1、单模光纤偏振模色散PMD测试摘要：研究PMD产生的缘故、机理和阻碍，研究光纤PMD测量、操纵和补偿方式，研 究PMD对光缆和光缆链路的阻碍，对保障光纤通信系统的性能具有重要意义。本文将着重 对单模光纤PMD测试技术和不稳固因素进行论述。关键词：PMD、干与法、色散一、引入近几年，电信市场进展迅速，住宅用户和商业用户数量都大幅增加，网络业务量也呈指 数般上升。据信息产业部最新发布数听说明：截止2004年5月底，中国固定用户达到亿户， 移动用户达到亿户，互联网拨号用户万户，互联网专线用户万户，宽带接入用户万户。庞大 的用户群带来海量的通信流量，而如此大的流量需求，对现有光网络系统能力提出了严峻挑

2、战，也推动了光网络建设，光纤通信系统向大容量、高速度、长距离方向进展，使得本来对 低速系统而言能够忽略不计的非线性效应和偏振模色散（PMD）等光纤性能缺点成为限制系 统容量升级和传输距离的要紧因素，人们愈来愈重视非线性效应和偏振模色散（PMD）的阻 碍。二、单模光纤的偏振模色散产生机理随着单模光纤在测试中应用技术的不断进展，专门是集成光学、光纤放大器和超高带宽 的非零色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的普遍应用，光纤衰减和色散特性已不是制约 长距离传输的要紧因素，偏振模色散特性愈来愈受到人们重视。偏振是与光的振动方向有关 的光性能，咱们明白光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE1

3、1模由彼此垂直的两个 极化模HE11X和HE11y简并组成，在传输进程中极化模的轴向传播常数px和By往往不等， 从而造成光脉冲在输出端展宽现象。如以下图所示：图1： PMD极化模传输图因此两极化模通过光纤传输后抵达时刻就会不一致，那个时刻差称为偏振模色散PMD(Polarizati on Mode Dispersi on)。PMD 的气宇单位为匹秒(ps)。光纤是各向异性的晶体，光一束光入射到光纤中被分解为两束折射光。这种现象确实是 光的双折射，若是光纤为理想的情形，是指其横截面无畸变，为完整的真正圆，而且纤芯内 无应力存在,光纤本身无弯曲现象，这时双折射的两束光在光纤轴向传输的折射率是不变

4、的， 跟各向同性晶体完全一样，这时PMD=0。但实际应用中的光纤并非理想情形，由于各类缘 故使HE11两个偏振模不能完全简并，产生偏振不稳固状态。造成单模光纤中光的偏振态不稳固的缘故，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因 素。内部因素PMD即偏振模色散(Polarization Mode Dispersion),由于光纤在制造进程中存在着芯 不圆度，应力散布不均匀，经受侧压，光纤的弯曲和钮转等，这些因素将造成光纤的双折射。 光在单模光纤中传输，两个彼此正交的线性偏振模式之间会形成传输群速度差，产生偏振模 色散。同时，由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量互换，即产生模式偶合。在光纤较 长时，

5、由于偏振模随机模偶合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动等都很灵敏，故模式 偶合具有必然随机性，这决定了 PMD是个统计量。但PMD的统计测量的散布说明，其均值 与光纤的双折射有关，降低光纤的PMD极为对环境的灵敏性，关键在于降低光纤的双折射。外部因素单模光纤受外界因素阻碍引发光的偏振态不稳固，是用外部双折射表示的。由于外部因 素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引发光纤双折射特性转变的缘故， 在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的进程中可能受到弯曲、扭绞、 振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可 能在强电场和强磁场和温

6、度转变的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效 应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这 些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，致使外部双折射的产生。关于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的随机性和不可 幸免性，因此在实际应用中人们超级重视对内部因素的操纵尽可能减小光纤双折现象。三、PMD对光通信系统的阻碍当技术上慢慢解决了损耗和色度色散的问题后，在通信系统传输速度愈来愈高，无中继 的距离愈来愈长的情形下，PMD的阻碍成了必需考虑的要紧因素。在数字系统中PMD引发 脉冲展宽，对高速系统容易产生误码，限制了光纤波长

7、带宽利用和光信号的传输距离；在C ATV等模拟系统那么引发信号失真。下表1列出受PMD限制的数字传输系统传输速度与传 输距离的关系：表1 PMDc与传渝速率和倍输鉅萬的关茅PMDc C-D/ 砧2 5 Gbit/s3.0PStaUkm1.ClDCfeni5km0.5iMOOkm25km022500km0.11 SOfiOOkm.1625km从表1能够看出，PMD关于低速度的光纤通信系统阻碍不大。关于s传输系统，当PMDC为Vkm时，可传输6400千米，当PMDC值为1ps/Vkm时，可传输1600千米；但关于高速（10Gbit/s）系统，传输距离就大幅缩短，另U离只能传输100千米和400千米

8、；关于超 高速（40Gbit/s）系统，PMD已严峻制约了系统的利用：在PMDC为Vkm时，传输的距离 只有6km，在PMDC为Vkm时，传输的距离只有25km,在PMDC为Vkm时，传输的距离 125km。由此可见，PMD成为阻碍高速系统传输距离的要紧因素之一。一样为保障10Gbit /s高速系统及40Gbit/s超高速系统的正常利用，至少应保证PMDC小于等于Vkm。因此，在新建光缆线路、开通长距离系统、在现有光缆线路升级系统等情形时，必需测 量PMD值。网络计划者在设计链路时最有效的方式是：通过现场实地测量光缆链路的PMD 值，在此基础上充分考虑PMD的阻碍，预留足够的PMD丰裕度。四、

9、PMD测量方式随着光纤通信技术的进展，人们对光纤偏振模色散的研究工作愈来愈深切，究其缘故是 光纤的偏振模色散对超高速光纤数字系统的传输性能有着不可轻忽的阻碍。目前广大光纤、 光缆生产厂家和电信誉户都对光纤PMD作了较为深切的研究，同时参照ITU-T制定了相应 的企业标准，纳入了光纤性能指标的操纵范围。国际电信联盟电信标准化部门ITU-T G650（2000）和国际电工委员会标准IEC61941 （1999）中介绍了单模光纤偏振模色散的概念和测量方式，规定了PMD的基准测试方式即 斯托克斯参数测定法，还有替代测试方式即偏振态法与干与法。、托克斯参数测定法斯托克斯参数测定法是测量单模光纤PMD值的

10、基准实验方式，它的测试原理是在一波 长范围内以必然的波长距离测量出输出偏振态随波长的转变，通过琼斯矩阵本征分析和计 算，取得PMD的系数值。斯托克斯参数测定法多用于实验室测试，其测量实验设备及装置如图2所示。Mt咙帧线吐偏振器、偏振态法偏振态法是测量单模光纤PMD的第1替代实验方式，其测量原理是：关于固定的输入 偏振态，当注入光波长（频率）转变时，在斯托克斯参数空间里邦加球上被测光纤输出偏振 态（SOP）也会发生演变，它们围绕与主偏振态（PSP）方向重合的轴旋转，旋转速度取决 于PMD时延：时延越大，旋转越快。通过测量相应角频率转变和邦加球上代表偏振态 （SOP）点的旋转角度就能够够计算出PM

11、D时延引=|/8/3|。偏振态法直接给出了被测试样PSP间差分群时延（DGD）与波长或时刻的函数关系， 通过在时刻或波长范围内取平均值取得PMD。IS 3偏扳状态法分析测量试验设备荷閹、干与法由于干与法测量速度快，目前市面上很多仪器生产厂家都以干与法为测试原理生产测试 设备，它们一起点确实是设备体积小，动态范围宽，重复性较好，很适合在现场利用。由于 干与法与偏振模耦合无关，适用于单盘短光纤和长光纤。干与法确实是介绍一种测量单模光纤和光缆的平均偏振模色散的方式。其测试原理为： 当光纤一端用宽带光源照明时，在输出端测量电磁场的自相关函数或相互关函数，从而确信 PMD。在自相关型干与仪表中，干与图具

12、有一个相应于光源自相关的中心相干峰。测量值代表了在测量波长范围内的平均值。在1310nm或1550nm窗口不同仪器都有必然的波长范 围。下面介绍的是光纤参考通道Michelsom干与仪，也是大多仪器厂家利用的一种方式， 实验装置如图4所示：樹札应刑财光h耦台耳的rsKft干洋藹星方镶tl F115 n应则貝有立气JS诩的血hrkcn干瀆怏的干浅测重石畢五、单模光纤PMD不稳固因素、内部因素单模光纤纤芯的椭圆度可能产生波导双折射,光纤组成材料的膨胀系数不一致可能产生 应力双折射。随着芯层不圆度增大，单模光纤PMD有增大的趋势，这和光纤PMD产生的内 部因素较为吻合。但同时也发觉并非是芯层不圆度大

13、对应光纤PMD就大，说明生产光纤PMD另一个因素的存在即应力双折射，由于光纤不同组成材料热膨胀系数不一致而使光纤芯层存在不对称横向应力，从而使光纤芯层产生双折射现象。因此作为光纤生产厂家应从光纤 芯层不圆度和光纤内部残余应力着手操纵光纤的PMD。、光纤外部因素与光纤PMD关系由于光纤PMD是由光纤芯层晶体对光纤产生双折射引发，在光纤光缆应用中可能对光 纤芯层的双折射率改变是复杂的，目前国内很多文献对光纤外部因素包括机械、电磁和温度 等对光纤PMD可能产生阻碍进行了论述。实验说明，光纤在小半径弯曲和扭曲状态下，光 纤PMD有必然的转变。单模光纤PMD要紧由光纤本身决定，即内部因素超级重要。六、结论随着光纤数字通信系统传输速度不断提高和传输距离不断增加，PMD成为限制高速数 字通信的关键因素，咱们必需组织有效测量，以了解光缆链路实际PMD状况，为通信系统 设计提供依据。但是，PMD的随机及统计特性决定了 PMD测量和操纵难度专门大。只有通过制定有效 的测控方案，从厂验、单盘测试和光缆接续后链路PMD工程测试等环节分步测量操纵，通 过有效的问题光缆定位、处置方式，才能保证光纤网络系统的PMD指标，知足高速光纤通 信系统的要求。