偏振模色散對單模光纖系統的影響
一、引言和背景
近年來，為滿足日益增長的帶寬需求，光纖通訊系統已取得了巨大的進展。
單模光纖(SMF)系統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窗口的傳統單模光纖系統，由光纖衰減引起的光功率損失限制了系統的傳輸距離。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、長距離的應用中，更多的系統操作在衰減較低的1550nm窗口。光放大器的發明以及激光源和接收器的改進，促使了長距離、高速率密集波分復用(DWDM)系統的應用。在這些系統中，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，已被有效地應用于商用單模光纖系統中。
激光發射器和接收器技術的發展，對光纖的要求已日趨其理論極限。PMD也成為長距離、 高數據率(>10Gb/s) 數字系統和放大調頻模擬(>1GHz)圖象傳遞系統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。理想光纖的幾何尺寸是均勻的,且沒有應力,因而光波在這兩個相互垂直偏振態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量級。而且它僅在數字系統和具有高放大調頻模擬系統中采用一定的色散補償時，才成為重要的考慮因素。此外，這一限制受傳輸方式、環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系[1]，因而PMD的單位是ps/vkm。
引起PMD的因素可以是內在的(由制造過程所產生的纖芯或包層的不對稱性和玻璃表面的應力)和外在的(外部應力、彎曲和扭曲)。這些因素和距離結合在一起引起雙折射和模偶合，從而產生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展和延遲。
三、對系統PMD的考慮
圖2 由PMD限制傳輸的理論距離
直到幾年以前,在數字和模擬系統中,當數據傳輸率較低和距離相對較短時,PMD對單模光纖系統的影響微不足道。隨著對帶寬需求的增長,特別是在10Gb/s及更高速率的系統中,PMD開始成為限制系統性能的因素,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限制傳輸的距離[2]。
由于PMD限制的系統最大距離，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 和數據率
比較，由PMD 限制的最大距離列于表1[3]由于PMD的統計特性，單根光纖(或成纜后的光纖)的PMD指標不適于作為系統容量的指標。反之，鏈路值 - 即相連的光纖段 - 經常被使用。由于每根光纖段是隨機量，因而鏈路值也是一個隨機量，由于平均效應它具有更小的方差。PMD鏈路值更準確、 更有效地反映了系統的PMD值，而且能充分利用光纖的真正潛力。許多終端用戶已經在他們的系統設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目
Xi:單根光纖/光纜的PMD
XM:連接光纜的PMD
目前, 標準組織(IEC/TIA,ITU)正在考慮制定各種統計指標。IEC提出了兩種等效方法的初稿，分別基于統計上限值和系統故障時間。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：統計上限
方法II從總色散中分配給PMD部分的預算開始，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。這一概率然后被轉換成線路的故障時間。
四、PMD測量
標準組織(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。
應根據精度要求、測量效率和設備成本來選擇適當的方法。然而,各種不同方法之間存在著可重復性的偏差(～10%)。ITU已經建議JME和IF作為基準測量方法。
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 在偏振態輸出之間的空間補償 光功率譜和偏振態輸出率 光功率譜和FFT
精度（ps） 0.005 0.06 0.2 0.025
設備成本 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 點 偏振信息 直接，快速 有實驗室設備 有實驗室設備
缺 點 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的優點
康寧公司的每米光纖，都是由完全集成化的生產過程(預制棒熔制、凝結和拉絲)，以及獲得專利的外部汽相沉積(OVD)技術和超純的汽相沉積化學物品來制造的。康寧光纖的性能指標，包括其優異的幾何尺寸，已領先光纖行業幾十年。外部汽相沉積工序(從里到外)固有的獨特性和高度的自動化計算機反饋控制過程，與其他光纖制造方法(如改進的化學汽相沉積(MCVD))相比，更有利于PMD指標。 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
PMD 鏈路值 0.1* 無指標 無指標 無指標 無指標
表3 標準單模光纖 PMD 指標比較
◆符合 IEC SC 86A/WG1，方法 1，1997年9月
全世界范圍內的幾百萬公里已鋪設的康寧單模光纖的現場測量數據表明，至今還沒有任何關于PMD影響系統性能的報告。然而，一些研究發現，已鋪設的單模光纖一定數量的已經具有大于0.5ps/vkm[4]的測量結果，這可能會影響這些系統未來的擴容。
六、展望未來
為了滿足通訊系統日益劇增的帶寬需求，對于網絡建設者和系統使用者來說，更新已經鋪設的單模光纖系統，或鋪設新的高容量系統是勢在必行的。這時，PMD以及色度色散對系統性能的限制是必須要考慮的因素。為了更好地控制PMD，減少它對系統性能的影響和限制，研究人員已開始著手PMD補償的嘗試，初期的研究成果已在實驗室中得到證實[5,6]，預計在未來幾年中補償PMD的商用器件將出現在市場上。然而，這不僅會增加系統的成本，也會增加系統的復雜性，并影響系統的可靠性。因此，目前最經濟、最有效的方法是選擇光纖中最好的PMD指標，以便為未來可能的系統擴容作好準備。
七、總 結
本文闡述了PMD的基本概念，描述了測量技術，并著重討論了PMD對高數據率數字和模擬單模光纖系統的影響。PMD可能是限制系統性能的因素，因而是系統設計者和用戶需要考慮的一項重要指標。
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