偏振模色散對單模光纖系統(tǒng)的影響
一、引言和背景
近年來，為滿足日益增長的帶寬需求，光纖通訊系統(tǒng)已取得了巨大的進(jìn)展。
單模光纖(SMF)系統(tǒng)性能的主要限制因素包括衰減、色散和非線性，以及最近引起注意的偏振模色散(PMD)。
對于操作在1310nm窗口的傳統(tǒng)單模光纖系統(tǒng)，由光纖衰減引起的光功率損失限制了系統(tǒng)的傳輸距離。在此波段中，單模光纖具有零或非常低的色散，系統(tǒng)的傳輸速率也較低，且操作在單一波長上。在高傳輸速率、長距離的應(yīng)用中，更多的系統(tǒng)操作在衰減較低的1550nm窗口。光放大器的發(fā)明以及激光源和接收器的改進(jìn)，促使了長距離、高速率密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，色散和非線性成為主要的考慮因素。為了減少色散和非線性對系統(tǒng)性能的限制，非零色散位移光纖(NZ-DSF)相繼推出，例如康寧公司的LEAF(大有效面積非零色散位移光纖)。
這些新型光纖以及色散管理技術(shù)，已被有效地應(yīng)用于商用單模光纖系統(tǒng)中。
激光發(fā)射器和接收器技術(shù)的發(fā)展，對光纖的要求已日趨其理論極限。PMD也成為長距離、 高數(shù)據(jù)率(>10Gb/s) 數(shù)字系統(tǒng)和放大調(diào)頻模擬(>1GHz)圖象傳遞系統(tǒng)的主要限制因素之一。
二、 PMD簡介
圖1 兩個偏振模不同的傳輸速度導(dǎo)致PMD
在單模光纖傳輸中，光波的基模含有兩個相互垂直的偏振態(tài)。理想光纖的幾何尺寸是均勻的,且沒有應(yīng)力,因而光波在這兩個相互垂直偏振態(tài)以完全相同的速度傳播,在光纖的另一端沒有任何延遲。然而,在實際的光纖中,兩個相互垂直的偏振模以不同的速度傳播，因而到達(dá)光纖另一端的時間也不同(圖1)。這兩個相互垂直的偏振模在單位長度中的時間差,即是PMD，其單位為ps/√km。
PMD和色度色散對系統(tǒng)性能具有相同的影響：即引起脈沖展寬，從而限制了傳輸速率。然而，PMD比色度色散小幾個數(shù)量級。而且它僅在數(shù)字系統(tǒng)和具有高放大調(diào)頻模擬系統(tǒng)中采用一定的色散補(bǔ)償時，才成為重要的考慮因素。此外，這一限制受傳輸方式、環(huán)境和安裝條件的影響。
與具有確定性的色度色散不同，任意一段光纖的PMD是一個服從Maxwllian分布的隨機(jī)變量。其瞬時PMD值隨波長、時間、溫度、移動和安裝條件的變化而變化，此外，研究表明長距離光纖的PMD(真實情況)具有隨長度平方根而變化的關(guān)系[1]，因而PMD的單位是ps/vkm。
引起PMD的因素可以是內(nèi)在的(由制造過程所產(chǎn)生的纖芯或包層的不對稱性和玻璃表面的應(yīng)力)和外在的(外部應(yīng)力、彎曲和扭曲)。這些因素和距離結(jié)合在一起引起雙折射和模偶合，從而產(chǎn)生PMD。雙折射是指玻璃的折射率是沿軸向變化的。由于兩個偏振模的傳播速度不同，因而引起了接收信號的延遲。模偶合是指在兩個偏振模之間的能量傳遞而引起的脈沖擴(kuò)展和延遲。
三、對系統(tǒng)PMD的考慮
圖2 由PMD限制傳輸?shù)睦碚摼嚯x
直到幾年以前,在數(shù)字和模擬系統(tǒng)中,當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率較低和距離相對較短時,PMD對單模光纖系統(tǒng)的影響微不足道。隨著對帶寬需求的增長,特別是在10Gb/s及更高速率的系統(tǒng)中,PMD開始成為限制系統(tǒng)性能的因素,因為它會引起過大的脈沖展寬或造成過低的信噪比(SNR)。圖2展示了由PMD限制傳輸?shù)木嚯x[2]。
由于PMD限制的系統(tǒng)最大距離，從理論上可由下面公式得出：
用一個例子作為 PMD（ps/VKM） 2.5Gb/s 10 Gb/s 40 Gb/s
3.0 180 Km 11 Km < 1Km
1.0 1,60 Km 100 Km 6 Km
0.5 6,400 Km 400 Km 25 Km
0.1 160,000 Km 10,000 Km 625 Km
表1 傳輸距離對 PMD 和數(shù)據(jù)率
比較，由PMD 限制的最大距離列于表1[3]由于PMD的統(tǒng)計特性，單根光纖(或成纜后的光纖)的PMD指標(biāo)不適于作為系統(tǒng)容量的指標(biāo)。反之，鏈路值 - 即相連的光纖段 - 經(jīng)常被使用。由于每根光纖段是隨機(jī)量，因而鏈路值也是一個隨機(jī)量，由于平均效應(yīng)它具有更小的方差。PMD鏈路值更準(zhǔn)確、 更有效地反映了系統(tǒng)的PMD值，而且能充分利用光纖的真正潛力。許多終端用戶已經(jīng)在他們的系統(tǒng)設(shè)計中采用了這種方法。值得一提的是成纜過程可能會略微增加或減少光纖的PMD。
PMD 鏈路值由下面的公式表述：
M:相等長度連接光纜的數(shù)目
Xi:單根光纖/光纜的PMD
XM:連接光纜的PMD
目前, 標(biāo)準(zhǔn)組織(IEC/TIA,ITU)正在考慮制定各種統(tǒng)計指標(biāo)。IEC提出了兩種等效方法的初稿，分別基于統(tǒng)計上限值和系統(tǒng)故障時間。具體地，方法I指定如下：
：M個光纜段連接的PMD
：制造商確定的PMD鏈路值
Q：統(tǒng)計上限
方法II從總色散中分配給PMD部分的預(yù)算開始，由瞬時PMD作計算。制造商提供PMD的概率分布，以及端頭至端頭瞬時PMD值大于某個給定的很小的概率值，P。這一概率然后被轉(zhuǎn)換成線路的故障時間。
四、PMD測量
標(biāo)準(zhǔn)組織(IEC/TIA, ITU)推薦了測量單模光纖PMD的四種方法，它們是：Jones距陣特征分析法 (JME, FOTP 122)，干涉儀法 (IF, FOTP 124)，波長掃描周期計數(shù)法 (WSCC, FOTP 113)和傅立葉變換的波長掃描法 (WSFFT, FOTP 113)。IF方法直接測量PMD，屬于時域測量方法，其他屬于頻域測量方法。
應(yīng)根據(jù)精度要求、測量效率和設(shè)備成本來選擇適當(dāng)?shù)姆椒āＨ欢?各種不同方法之間存在著可重復(fù)性的偏差(～10%)。ITU已經(jīng)建議JME和IF作為基準(zhǔn)測量方法。
下表簡要地比較這些方法： JME IF WSCC WSFFT
測量原理 波長上的平均微分群時延 在偏振態(tài)輸出之間的空間補(bǔ)償 光功率譜和偏振態(tài)輸出率 光功率譜和FFT
精度（ps） 0.005 0.06 0.2 0.025
設(shè)備成本 高 低 低至中間 低至中間
時間要求 長（1－20分鐘） 短（＜15秒） 中間（～5分鐘） 中間（～5分鐘）
范 圍 大 大 小 中間
優(yōu) 點(diǎn) 偏振信息 直接，快速 有實驗室設(shè)備 有實驗室設(shè)備
缺 點(diǎn) 大范圍，精度昂貴，慢和與振動敏感 沒有波長依賴信息 最大和最小PMD的限制，沒有波長信息 最大和最小PMD的限制，沒有波長信息
表2 PMD 測量方法的比較
五、康寧單模光纖PMD的優(yōu)點(diǎn)
康寧公司的每米光纖，都是由完全集成化的生產(chǎn)過程(預(yù)制棒熔制、凝結(jié)和拉絲)，以及獲得專利的外部汽相沉積(OVD)技術(shù)和超純的汽相沉積化學(xué)物品來制造的?？祵幑饫w的性能指標(biāo)，包括其優(yōu)異的幾何尺寸，已領(lǐng)先光纖行業(yè)幾十年。外部汽相沉積工序(從里到外)固有的獨(dú)特性和高度的自動化計算機(jī)反饋控制過程，與其他光纖制造方法(如改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積(MCVD))相比，更有利于PMD指標(biāo)。 康寧光纖PMD 長 飛 朗 訊 中 住 南京騰倉
PMD(ps/vKm) 0.2 0.2 0.5 0.5 無指標(biāo)
PMD 鏈路值 0.1* 無指標(biāo) 無指標(biāo) 無指標(biāo) 無指標(biāo)
表3 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 PMD 指標(biāo)比較
◆符合 IEC SC 86A/WG1，方法 1，1997年9月
全世界范圍內(nèi)的幾百萬公里已鋪設(shè)的康寧單模光纖的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，至今還沒有任何關(guān)于PMD影響系統(tǒng)性能的報告。然而，一些研究發(fā)現(xiàn)，已鋪設(shè)的單模光纖一定數(shù)量的已經(jīng)具有大于0.5ps/vkm[4]的測量結(jié)果，這可能會影響這些系統(tǒng)未來的擴(kuò)容。
六、展望未來
為了滿足通訊系統(tǒng)日益劇增的帶寬需求，對于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者和系統(tǒng)使用者來說，更新已經(jīng)鋪設(shè)的單模光纖系統(tǒng)，或鋪設(shè)新的高容量系統(tǒng)是勢在必行的。這時，PMD以及色度色散對系統(tǒng)性能的限制是必須要考慮的因素。為了更好地控制PMD，減少它對系統(tǒng)性能的影響和限制，研究人員已開始著手PMD補(bǔ)償?shù)膰L試，初期的研究成果已在實驗室中得到證實[5,6]，預(yù)計在未來幾年中補(bǔ)償PMD的商用器件將出現(xiàn)在市場上。然而，這不僅會增加系統(tǒng)的成本，也會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，并影響系統(tǒng)的可靠性。因此，目前最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法是選擇光纖中最好的PMD指標(biāo)，以便為未來可能的系統(tǒng)擴(kuò)容作好準(zhǔn)備。
七、總 結(jié)
本文闡述了PMD的基本概念，描述了測量技術(shù)，并著重討論了PMD對高數(shù)據(jù)率數(shù)字和模擬單模光纖系統(tǒng)的影響。PMD可能是限制系統(tǒng)性能的因素，因而是系統(tǒng)設(shè)計者和用戶需要考慮的一項重要指標(biāo)。
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