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1、偏振模色散对单模光纤系统的影响～教育资源库 一、引言和背景 近年来，为满足日益增长的带宽需求，光纤通讯系统已取得了巨大的进展。 单模光纤(SMF)系统性能的主要限制因素包括衰减、色散和非线性，以及最近引起注意的偏振模色散(PMD)。 对于操作在1310nm窗口的传统单模光纤系统，由光纤衰减引起的光功率损失限制了系统的传输距离。在此波段中，单模光纤具有零或非常低的色散，系统的传输速率也较低，且操作在单一波长上。在高传输速率、长距离的应用中，更多的系统操作在衰减较低的1550nm窗口。光放大器的发明以及激光源和接收器
2、的改进，促使了长距离、高速率密集波分复用(D)系统的应用。在这些系统中，色散和非线性成为主要的考虑因素。为了减少色散和非线性对系统性能的限制，非零色散位移光纤(NZ-DSF)相继推出，例如康宁公司的LEAF(大有效面积非零色散位移光纤)。 这些新型光纤以及色散管理技术，已被有效地应用于商用单模光纤系统中。 激光发射器和接收器技术的发展，对光纤的要求已日趋其理论极限。PMD也成为长距离、高数据率(>10Gb/s)数字系统和放大调频模拟(>1GHz)图象传递系统的主要限制因素之一。 二、PMD简介 图1两
3、个偏振模不同的传输速度导致PMD 在单模光纤传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振态。理想光纤的几何尺寸是均匀的,且没有应力,因而光波在这两个相互垂直偏振态以完全相同的速度传播,在光纤的另一端没有任何延迟。然而,在实际的光纤中,两个相互垂直的偏振模以不同的速度传播，因而到达光纤另一端的时间也不同(图1)。这两个相互垂直的偏振模在单位长度中的时间差,即是PMD，其单位为ps/√km。 PMD和色度色散对系统性能具有相同的影响：即引起脉冲展宽，从而限制了传输速率。然 而，PMD比色度色散小几个数量级。而且它仅
4、在数字系统和具有高放大调频模拟系统中采用一定的色散补偿时，才成为重要的考虑因素。此外，这一限制受传输方式、环境和安装条件的影响。 与具有确定性的色度色散不同，任意一段光纤的PMD是一个服从Max。 引起PMD的因素可以是内在的(由制造过程所产生的纤芯或包层的不对称性和玻璃表面的应力)和外在的(外部应力、弯曲和扭曲)。这些因素和距离结合在一起引起双折射和模偶合，从而产生PMD。双折射是指玻璃的折射率是沿轴向变化的。由于两个偏振模的传播速度不同，因而引起了接收信号的延迟。模偶合是指在两个偏振模之间的能量传递而引起的脉冲扩展和
5、延迟。 三、对系统PMD的考虑 图2由PMD限制传输的理论距离 直到几年以前,在数字和模拟系统中,当数据 传输率较低和距离相对较短时,PMD对单模光纤系统的影响微不足道。随着对带宽需求的增长,特别是在10Gb/s及更高速率的系统中,PMD开始成为限制系统性能的因素,因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比(SNR)。图2展示了由PMD限制传输的距离[2]。 由于PMD限制的系统最大距离，从理论上可由下面公式得出： 用一个例子作为PMD（ps/VKM）2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s 3.0
6、180Km11Km<1Km 1.01,60Km100Km6Km 0.56,400Km400Km25Km 0.1160,000Km10,000Km625Km 表1传输距离对PMD和数据率 比较，由PMD限制的最大距离列于表1[3]由于PMD的统计特性，单根光纤(或成缆后的光纤)的PMD指标不适于作为系统容量的指标。反之，链路值-即相连的光纤段-经常被使用。由于每根光纤段是随机量，因而链路值也是一个随机量，由于平均效应它具有更小的方差。PMD链路值更准确、更有效地反映了系统的PMD值，而且能充分利用光纤的真正潜力。许多终
7、端用户已经在他们的系统设计中采用了这种方法。值得一提的是成缆过程可能会略微增加或减少光纤的PMD。 PMD链路值由下面的公式表述： M:相等长度连接光缆的数目 Xi:单根光纤/光缆的PMD XM:连接光缆的PMD 目前,标准组织(IEC/TIA,ITU)正在考虑制定各种统计指标。IEC提出了两种等效方法的初稿，分别基于统计上限值和系统故障时间。具体地，方法I指定如下： ：M个光缆段连接的PMD 12下一页友情提醒：，特别！：制造商确定的PMD链路值 Q：统计上限 方法II从总
8、色散中分配给PMD部分的预算开始，由瞬时PMD作计算。制造商提供PMD的概率分布，以及端头至端头瞬时PMD值大于某个给定的很小的概率值，P。这一概率然后被转换成线路的故障时间。 四、PMD测量 标准组织(IEC/TIA,ITU
