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1、西安科技大学 自动化091李斯远题目：单模光纤的色度色散及其测量和补偿技术 一、前言一、课题的目的及意义在我国，随着经济的迅速发展，电信市场也得到了飞速的发展，住宅用户和商业用户数量都大幅增长，网络业务量也呈指数般上升。巨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战，也推动了光网络建设，光纤通信系统向大容量、高速率、长距离方向发展，使得原本对低速系统而言可以忽略不计的非线性效应和偏振模色散（PMD）等光纤性能缺陷成为限制系统容量升级和传输距离的主要因素。从技术角度上看，限制高速率长距离信号传输的因素主要是光纤衰减、非线性和色散。光放大器的研究成功，使光纤
2、衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非色散零位位移光的引入也逐渐减少和消除。随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加，PMD效应对于系统性能的影响已经不可忽略且日益严重，它和色度色散对系统性能的影响相同：即引起脉冲展宽，从而限制传输速率，影响传输距离。正是由于PMD对高速率大容量光纤通信系统有着不可忽略的影响，所以自20世纪90年代以来，已引起业界的关注，偏振模色散及其补偿技术已成为目前国际光纤通信领域中研究的热点。二、国际国内的研究状况偏振模色散是由光纤不圆度、光纤内部残留应力、环境温度变化等因素引起相互正交的两个偏振基模因传输速度不同而导致
3、的脉冲展宽。在2,5Gb/S以下的光纤通信系统中几乎感觉不到偏振膜色散的存在。到了20世纪90年代早期10Gbps系统出现，PMD的作用开始显现，而对于紧随其后的40Gbps系统，PMD就成为导致信号分裂畸变的重要因素，从而制约了光网络的进一步发展。从那时起，人们真正开始了对PMD进行系统深入的研究。从80年代中期到90年代初期建立期初步的PMD统计模型开始，到2002年期间，逐渐发展和完善了一阶和高阶PMD的统计理论，也有了多种适应不同环境和测量要求的测量方法，测量仪器精度已达飞秒量级。这期间，IPU就PMD问题专门重新定义了光纤标准，建议中给出PMD可以接收的最大值为0.5ps。从90年代
4、中后期发展起来的PMD补偿技术，目前已有光域和电域的多种补偿方法，但补偿器的成本、工作可靠性以及对高阶PMD的补偿能力都尚未解决或是解决得不太好，这些方面都是目前研究的重点。在90年代中后期，随着光纤传输系统进一步向高速发展和PMD特性研究及其测量方法的日渐成熟，大量的研究集中在PMD的补偿方法上，各研究机构相继提出了多种PMD补偿方法，这些方案可归结为光域补偿和点与补偿两种方式。目前，我国的光纤通信事业仍保持着较好的发展趋势，光纤传输网的发展尤为迅速，下一代系统正向单信道传输速率为40Gbit/s的波分复用系统和对已有线路的改造升级。因此，深入开展PMD及其补偿问题的研究，对提高我国光纤通信
5、技术的水平和满足通信业务的不断增长具有重大意义。三、偏振膜色散的理论研究1、色散的原理和分类色散是光纤的一个重要参数。光纤的色散主要由两个方面引起：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。实际光源发出的光不是单色的，而是有一定的波长范围。这个范围就是光源的线宽。在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制。一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光谱，它将激发出基模；如果是多模光纤，则激发出大量模式。由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的
6、频率成分和模式成分构成的，他们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。光纤的色散可以分为下面三类：1、 ）模间色散：在多模光纤中，即使是同一波长，不同模式的光由于传播速度的不同而引起的色散称为模式色散。2、 ）色度色散：是指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。3、 ）偏振模色散：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模。当光纤存在双折射时，这两个模式的传输速度不同而引起的色散称为偏振模色散。二、偏振膜色散的概念偏振膜色散指单模光纤中偏振色散，简称PMD，是由光纤横截面微小的不对称性引起的色散。这种不对称性引起两个相互垂直的基本偏振模以不同的速度传播。由于经历了
7、色散，即脉冲扩展，当接收器接收到这个合成的脉冲时要比发送端的脉冲宽。起因于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，便相当于随机的色散。随着传输速率的提高，该色散对通信系统的影响愈来愈明，而且越来越不可低估。三、偏振模色散对系统性能的影响 在数字通信系统中，PMD会导致脉冲的展开和畸变，引起码间干扰（ISI），使误码率增大；在模拟通信系统中，PMD会引发高阶畸变效应，导致非线性失真。从而，限制了高速率光纤通信系统的容量和传输距离。
8、本部分将从从分析系统影响的基本概念出发，通过观察经PMD光纤传输后信号脉冲波形的变化，具体研究一阶、二阶PMD对数字通信系统性能的影响。 光纤传输中PMD引起的脉冲展宽示意图四、分析系统影响的几个基本概念（1） 功率代价 家底忽略偏振依赖效应，并不考虑其他因素对脉冲展宽的影响，只考虑一阶PMD时，输出脉冲功率为： 式中：为输出脉冲功率；为输入脉冲功率；为两主偏振态之间的DGD;为两主偏振态功率之比，有01。考虑一阶PMD的统计特性，给出了一阶PMD造成的系统的功率代价 其中：T为脉冲的比特周期。(2) 误码率BER(Q因子) 判断PMD对系统影响的另一参数是误码率，误码率与Q因子之间的关系为：
9、 其中：erfc表示误差函数；为判决时刻td时的Q因子。对于通信系统，它的数学计算如下： 其中：E为输出场，A为一常数因子，T为信号的比特周期，为EDFA的反转因子，指位于EDFA与接收机之间的滤波器的带宽，B为接收机的噪声带宽。五、 偏振膜对噪声的影响偏振模色散对于光传输距离的影响不同时期敷设的光纤，PMD 值差别很大。10 年前应用的光缆受当时光纤工艺水平所限，PMD 通常大于2ps/km1/2，有的高达67 ps/km1/2；后来布设的光缆，PMD 不大于0.5ps/km1/2，不会对10Gbit/s 速率系统造成限制；近年来敷设的光缆，多为0.2ps/km1/2甚至更小。最优秀的光纤，
10、PMD 已经控制到0.001ps/km1/2 的水平。当两个正交的偏振模之间的时延差达到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时，将会付出1dB 的信号功率代价。由于PMD 的随机统计特性，PMD 的瞬时值有可能达到平均值的3 倍。为了保证信号功率代价低于1dB，PMD 的平均值必须小于系统速率一个脉冲时隙的十分之一。因为PMD/L1/2 ps/km1/2 （公式 1）现在要求1/(10B)，设速率为B 的系统受PMD 限制的最大传输距离为L km,则光纤线路传播快传播慢L（/PMD）21/(10*B*PMD)2 km （公式2）早期布设光纤中，有一部分对STM16 信道速率的系统也产生限制。当PMD
11、0.5ps/km1/2 时,STM-64 系统受PMD 限制的传输距离(1dB 代价)大约为400km，对于40Gbit/s系统，却只有25km。如果容许两个正交偏振模之间的时延差达到一个脉冲时隙的三分之一，40Gbit/s 传输的PMD 容限约8.3ps；若要保证在任何情况下系统功率代价都不超过1dB，即限定两个偏振模的传输时延差不超过一个脉冲时隙的十分之一，则PMD 容限只有2.5ps。要实现600km 以上的长途传输，PMD 系数就要不高于0.1ps/km1/2。根据上述分析可知，PMD 是重要的限制因素。不同速率系统受PMD 限制的传输距离可以计算出来。利用公式2计算不同速率系统受偏振
12、模色散限制的最大传输距离。六、 高阶PMD和色散补偿器一束输入的非偏振光被分解成两个小的脉冲。这两个小的脉冲分别沿着快PSP模和慢PSP模方向方向偏振。这两个椭圆偏振的模式是相互正交的。在双折射网络的输出端，由于群时延差的存在，这两个脉冲就被分开来了。它们沿着输出的PSP方向偏振。通过在合适的方向加入一个 波片，这两个偏振模就能转换成线性偏振态。那么一个具有合适相位延迟的双折射波片就可以用来补偿在这两个模式之间产生的时延差。这样的话，就可以在输出端得到一个单一的脉冲，从而消除了由于PMD而产生的脉冲展宽。 偏振模色散（PMD）是目前影响光通信系统中超高速传输的主要因素。如本章前面几节所述，PM
13、D主要表现在一对偏振主态（PSP）和微分群时延差（DGD）。在低速通信系统中，在信号频谱中心（通常是载波频率）的PSP和DGD就足以充分地描述PMD在传输信号谱上的影响了。随着通信速率的提高，信号的谱宽也随着相应地增加。在中心频率的PSP和DGD不再是它们在整个信号谱宽上的典型代表了。在这种情况下，我们需要考虑二阶PSP和DGD的变化。此外，我们需要找到能够消除高速信号带宽上的PMD的补偿器。 通常所说的高级PMD，以及在高速信号带宽上的一阶PSP和DGD，这些都促使人们发展一种描述它们的分析工具。对于高阶PMD，文献中有好几种描述方法。最常用的方法是基于输出PMD矢量 ，它在没有偏振依赖损耗
14、（PDL）的情形是一个三维矢量的实数，幅度等于DGD,方向平行于邦加球上输出PSP慢模的方向。采用这种方法，高阶PMD就可以采用PMD矢量对频率的微分来描述了。五、结论偏振模色散具有随机性和不确定性，其原理和补偿方法正在不断的研究之中。我们可以根据应用场合的不同，选取不同的偏振模测试方法，灵活、快速地测试和评估，以便有效地补偿偏振模色散。例如，在研发和实验时，如果测试精度较高，可采用琼斯矩阵特征分析法；如果要求动态地跟踪偏振模色散，可以采用邦加球法；而工程现场中可以采用干涉法快速测试等。参考文献1 泰克2002 年亚太区大型巡回讲座资料，2002。2 光通信系统培训教材，武汉邮电科学研究院，2001，
单模光纤的色度色散及其测量和补偿技术
