光纤作业光纤通信系统中偏振模色散和偏振相关损耗的分析.docx

现代通信技术2010— 2011学年第二学期期末考试论文题目光纤通信系统中偏振模色散和偏振相关损耗的分析学 号 姓 名 系 部 专 业 班 级 光纤通信系统中偏振模色散和偏振相 关损耗的分析摘要：偏振模色散(Polarization Mode Dispersion),简称 PMD,随着 光纤通信技术的发展，人们对光纤偏振模色散的研究工作越来越深入，究其 原因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忽视 的影响本文主要研究内容如下：偏振模色散的概念、产生机理、PMD对光 通讯系统的影响、单模光纤PMD不稳定因素、相关损耗关键词：偏振模色散；PMD测量一、 偏振模色散的概念偏振是单模光纤特有的问题单模光纤实际上传输的是两个正交的基 模，它 们的电场各沿x, y方向偏振这两个偏振态在光纤中有不同的传播 速度而引起的色散称为偏振模色散在理想的光纤中，这两个模式有着相同 的相位常数，它们是互相简并的但实际上光纤总有某种程度的不完善，如 光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并 被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为模式双折射由于存在 双折射，将引起一系列复杂的效应。

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发展，特别是集成光学、光纤放 大器以及超高带宽的非零色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的广泛应用， 光纤衰减和色散特性已不是制约长距离传输的主要因素，偏振模色散特性越 来越受到人们重视偏振是与光的振动方向有关的光性能，我们知道光在单 模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HEllx和 HEUy简并构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数B x和B y往往不等， 从而造成光脉冲在输出端展宽现象如下图所示：图1： PMD极化模传输图因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏 振模色散 PMD (Polarization Mode Dispersion) o PMD 的度量单位为匹秒(ps) o 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 这种现象就是光的双折射，如果光纤为理想的情况，是指其横截面无畸变， 为完整的真正圆，并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况，由于各种原因使HE11两个 偏振模不能完全简并，产生偏振不稳定状态造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也 有光纤的外部因素1. 内部因素由于光纤在制造过程中存在着芯不圆度，应力分布不均匀，承受侧压， 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, 两个相互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交换，即产生模式偶合 在光纤较长时，由于偏振模随机模偶合对温度、环境条件、光源波长的轻微 波动等都很敏感，故模式偶合具有一定随机性，这决定了 PMD是个统计量 但PMD的统计测量的分布表明，其均值与光纤的双折射有关，降低光纤的PMD 极其对环境的敏感性，关键在于降低光纤的双折射2. 外部因素单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示 的外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，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过程中可能受到弯曲、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以及温度变化的环境下工作。

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，导致外部双折射的产生对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 的随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制 尽量减小光纤双折现象偏振模色散不能避免，只能最小化由于光纤存在 PMD,已经给10Gb/s链路带来了严重限制而在40Gb/s速率上，任何器件也有少量的PMDo三、PMD对光通讯系统的影响当技术上逐步解决了损耗和色度色散的问题后，在通信系统传输速率越 来越高，无中继的距离越来越长的情况下，PMD的影响成了必须考虑的主要 因素在数字系统中PMD引起脉冲展宽，对高速系统容易产生误码，限制了 光纤波长带宽使用和光信号的传输距离;在CATV等模拟系统则引起信号失 真1. 偏振模色散对于光脉冲的影响偏振模色散具有随机性，这与具有确定性的波长色散不同，其值与光纤 制作工艺、材料、传输线路长度和应用环境等因素密切相关由于受工艺水平的制约，传输链路上使用的每一段光纤结构上存在差异，即 使同一段光纤，也必然存在纵向不均匀性，因而PMD的值也会因光纤而异。

从工程安装和链路环境看，影响因素不仅多，而且具有不定性比如环境温 度的大小，由这些因素的综合影响决定，也具有不确定性，是一个随机变量 通常所说的PMD是多少，指的是（统计）平均值在光纤链路上，两个正交 的偏振模产生的时延差遵守一定的概率密度分布PMD的值与光纤长度的平 方根成反比例的变化，因而其单位记作ps / kml/2PMD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 制传输速率随着系统传输速率的提升，偏振模色散的影响逐渐显现出来， 成为继衰减、波长色散之后限制传输速度和距离的又一个重要因素如何减 少PMD的影响，是目前国际上研究的热点之一PMD是一个随机变量，其瞬 时值随波长、时间、温度、移动和安装条件的变化而变化，导致光脉冲展宽 量不确定，其影响相当于随机的色散它与波长色散发生的机制虽然不同， 但是对系统性能具有同样的影响，因此也有人将偏振模色散称作单模光纤中 的“多模色散”2. 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/kml/2,有的高达6〜7 ps/kml/2；后来布 设的光缆，PMD不大于0. 5ps/kml/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/kml/2甚至更小。

最优秀的光纤，PMD已经控制 到0. 001ps/kml/2的水平当两个正交的偏振模之间的时延差dt达到系统速率一个脉冲时隙的三分之 一时，将会付出IdB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IdB, 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=dt/Ll/2 ps/kml/2 （公式 1）现在要求dt = 1/ （10B）,设速率为B的系统受PMD限制的最大传输距离为L km,L= (dt/PMD) 2=〔1/(1O*B*PMD)) 2 km (公式2)早期布设光纤中，有一部分对STM—16信道速率的系统也产生限制当 PMD = O. 5ps/kml/2时,STM-64系统受PMD限制的传输距离(IdB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IdB,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. lps/kml/2o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下表1列出受PMD限制的数字传输系统传输速率与传输距离的关系：表I PMDc与传辐逮率和传辐走离的关系PMDc os/Vkn)2 5Gbit/slOGbtt/s40Gb!t/$3.0178km11km

由此可见，PMD成为影响高速系统传输距离的主要因素之一通 常为保障lOGbit/s高速系统及40Gbit/s超高速系统的正常使用，至少应保证 PMDC 小于等于0. 2ps/ "km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 情况时，必须测量PMD值网络规划者在设计链路时最有效的方法是：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的影响，预留足 够的PMD富余度四、PMD测量方法目前广大光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深入的 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控制 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 IEC6194K1999)中介绍了单模光纤偏振模色散的定义和测量方法，规定了 PMD 的基准测试方法即斯托克斯参数测定法，还有替代测试方法即偏振态法与干 涉法1.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值的基准试验方法，它的测试 原理是在一波长范围内以一定的波长间隔测量出输出偏振态随波长的变化， 通过琼斯矩阵本征分析和计算，得到PMD的系数值。

斯托克斯参数测定法多用于实验室测试，其测量试验设备及装置如图2 所示可调光源|I 00 Q .偏微调节器 P AehQflt 4 汲 9QT统性伽辰器2.偏振态法偏振态法是测量单模光纤PMD的第1替代试验方法，其测量原理是：对于 固定的输入偏振态，当注入光波长(频率)变化时，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，它们环绕与主偏振态(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 测量相应角频率变化』3和邦加球上代表偏振态(SOP)点的旋转角度』e,就 可以计算出PMD时延6 t=|』0/』3|偏振态法直接给出了被测试样PSP间差分群时延(DGD)与波长或时间的 函数关系，通过在时间或波长范围内取平均值得到PMD圈3偏振状态法分析测堂P1D试哈设备简图3. 干涉法由于干涉法测量速度快，目前市面上很多仪器生产厂家都以干涉法为测 试原理生产测试设备，它们共同点就是设备体积小，动态范围宽，重复性较 好，很适合在现场使用由于干涉法与偏振模耦合无关，适用于单盘短光纤 和长光纤干涉法就是介绍一种测量单模光纤和光缆的平均偏振模色散的方法其 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 函数或互相关函数，从而确定PMD。

在自相关型干涉仪表中，干涉图具有一个相应于光源自相关。