偏振模色散原理和測(cè)試方法分析

1、西安科技大學(xué) 自動(dòng)化091李斯遠(yuǎn)題目：偏振模色散原理和測(cè)試方法分析引言光纖的色散引起傳輸信號(hào)的畸變，使通信質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和通信距離。在光纖的損耗已大為降低的今天，色散對(duì)高速光纖通信的影響就顯得更為突出。40Gb/s 系統(tǒng)和10Gb/s 系統(tǒng)相比，在光纖傳輸上的色散效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響有新的差異。特別是偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,簡(jiǎn)稱PMD）的影響難以克服。所以，在40Gb/s 系統(tǒng)技術(shù)中，必須考慮和研究光纖的色散，PMD 和非線性的影響等。同時(shí)，由于偏振模色散的測(cè)試是比較復(fù)雜的問(wèn)題，如何根據(jù)其特點(diǎn)，比較迅速和準(zhǔn)確地測(cè)出偏振模色散值，從而進(jìn)

2、行色散補(bǔ)償，將是本文討論的重點(diǎn)。摘要：光纖損耗和色散是光纖通信向前發(fā)展的主要制約因素，隨著光放大器和各種色散補(bǔ)償技術(shù)的采用，這兩種因素的影響得以減少或克服。而偏振模色散將引起高速光脈沖畸變，制約傳輸距離，是40Gbit/s高速光纖通信的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。關(guān)鍵詞：光纖、偏振膜、色散英文摘要：Is the optical fiber communication optical fiber loss and dispersion, forward of the main factors with the adopt of optical amplifier and dispersion compen

3、sation technology, these two factors to reduce or overcome. And polarization mode dispersion will cause high speed optical pulse distortion, restricting the transmission distance, 40 gbit/s is one of the main technical difficulties of high speed optical fiber communication.關(guān)鍵詞：Optical fiber, the pol

4、arization film, dispersion 一、前言一、課題的目的及意義在我國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電信市場(chǎng)也得到了飛速的發(fā)展，住宅用戶和商業(yè)用戶數(shù)量都大幅增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量也呈指數(shù)般上升。巨大的用戶群帶來(lái)海量的通信流量，而如此大的流量需求，對(duì)現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，光纖通信系統(tǒng)向大容量、高速率、長(zhǎng)距離方向發(fā)展，使得原本對(duì)低速系統(tǒng)而言可以忽略不計(jì)的非線性效應(yīng)和偏振模色散（PMD）等光纖性能缺陷成為限制系統(tǒng)容量升級(jí)和傳輸距離的主要因素。從技術(shù)角度上看，限制高速率長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)囊蛩刂饕枪饫w衰減、非線性和色散。光放大器的研究成功，使光纖衰減對(duì)系統(tǒng)的傳輸距離不

5、再起主要限整理用。而非線性效應(yīng)和色散對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊戨S著非色散零位位移光的引入也逐漸減少和消除。隨著單信道傳輸速率的提高和模擬信號(hào)傳輸帶寬的增加，PMD效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響已經(jīng)不可忽略且日益嚴(yán)重，它和色度色散對(duì)系統(tǒng)性能的影響相同：即引起脈沖展寬，從而限制傳輸速率，影響傳輸距離。正是由于PMD對(duì)高速率大容量光纖通信系統(tǒng)有著不可忽略的影響，所以自20世紀(jì)90年代以來(lái)，已引起業(yè)界的關(guān)注，偏振模色散及其補(bǔ)償技術(shù)已成為目前國(guó)際光纖通信領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。二、國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究狀況偏振模色散是由光纖不圓度、光纖內(nèi)部殘留應(yīng)力、環(huán)境溫度變化等因素引起相互正交的兩個(gè)偏振基模因傳輸速度不同而導(dǎo)致的脈沖展寬。在2,5G

6、b/S以下的光纖通信系統(tǒng)中幾乎感覺(jué)不到偏振膜色散的存在。到了20世紀(jì)90年代早期10Gbps系統(tǒng)出現(xiàn)，PMD的作用開(kāi)始顯現(xiàn)，而對(duì)于緊隨其后的40Gbps系統(tǒng)，PMD就成為導(dǎo)致信號(hào)分裂畸變的重要因素，從而制約了光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。從那時(shí)起，人們真正開(kāi)始了對(duì)PMD進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。從80年代中期到90年代初期建立期初步的PMD統(tǒng)計(jì)模型開(kāi)始，到2002年期間，逐漸發(fā)展和完善了一階和高階PMD的統(tǒng)計(jì)理論，也有了多種適應(yīng)不同環(huán)境和測(cè)量要求的測(cè)量方法，測(cè)量?jī)x器精度已達(dá)飛秒量級(jí)。這期間，IPU就PMD問(wèn)題專門重新定義了光纖標(biāo)準(zhǔn)，建議中給出PMD可以接收的最大值為0.5ps。從90年代中后期發(fā)展起來(lái)的PMD

7、補(bǔ)償技術(shù)，目前已有光域和電域的多種補(bǔ)償方法，但補(bǔ)償器的成本、工作可靠性以及對(duì)高階PMD的補(bǔ)償能力都尚未解決或是解決得不太好，這些方面都是目前研究的重點(diǎn)。在90年代中后期，隨著光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步向高速發(fā)展和PMD特性研究及其測(cè)量方法的日漸成熟，大量的研究集中在PMD的補(bǔ)償方法上，各研究機(jī)構(gòu)相繼提出了多種PMD補(bǔ)償方法，這些方案可歸結(jié)為光域補(bǔ)償和點(diǎn)與補(bǔ)償兩種方式。目前，我國(guó)的光纖通信事業(yè)仍保持著較好的發(fā)展趨勢(shì)，光纖傳輸網(wǎng)的發(fā)展尤為迅速，下一代系統(tǒng)正向單信道傳輸速率為40Gbit/s的波分復(fù)用系統(tǒng)和對(duì)已有線路的改造升級(jí)。因此，深入開(kāi)展PMD及其補(bǔ)償問(wèn)題的研究，對(duì)提高我國(guó)光纖通信技術(shù)的水平和滿足通信業(yè)

8、務(wù)的不斷增長(zhǎng)具有重大意義。三、偏振膜色散的理論研究1、色散的原理和分類色散是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。光纖的色散主要由兩個(gè)方面引起：一是光源發(fā)出的并不是單色光；二是調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬。實(shí)際光源發(fā)出的光不是單色的，而是有一定的波長(zhǎng)范圍。這個(gè)范圍就是光源的線寬。在對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制時(shí)，可以認(rèn)為信號(hào)是按照同樣的方式對(duì)光源譜線中的每一分量進(jìn)行調(diào)制。一般調(diào)制帶寬比光源窄得多，因而可以認(rèn)為光源的線寬就是已調(diào)信號(hào)帶寬，但對(duì)高速和線寬極窄的光源，情況不一樣。進(jìn)入光纖中去的是一個(gè)調(diào)制了的光譜，如果是單模光譜，它將激發(fā)出基模；如果是多模光纖，則激發(fā)出大量模式。由此可以看出，光纖中的信號(hào)能量是由不同的頻率成分和模式成分構(gòu)成

9、的，他們有不同的傳播速度，從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。光纖的色散可以分為下面三類：1、 ）模間色散：在多模光纖中，即使是同一波長(zhǎng)，不同模式的光由于傳播速度的不同而引起的色散稱為模式色散。2、 ）色度色散：是指光源光譜中不同波長(zhǎng)在光纖中的群延時(shí)差所引起的光脈沖展寬現(xiàn)象。3、 ）偏振模色散：?jiǎn)文９饫w中實(shí)際存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模。當(dāng)光纖存在雙折射時(shí)，這兩個(gè)模式的傳輸速度不同而引起的色散稱為偏振模色散。二、偏振膜色散的概念偏振膜色散指單模光纖中偏振色散，簡(jiǎn)稱PMD，是由光纖橫截面微小的不對(duì)稱性引起的色散。這種不對(duì)稱性引起兩個(gè)相互垂直的基本偏振模以不同的速度傳播。由于經(jīng)歷了色散，即脈沖擴(kuò)展，當(dāng)接

10、收器接收到這個(gè)合成的脈沖時(shí)要比發(fā)送端的脈沖寬。起因于實(shí)際的單模光纖中基模含有兩個(gè)相互垂直的偏振模，沿光纖傳播過(guò)程中，由于光纖難免受到外部的作用，如溫度和壓力等因素變化或擾動(dòng)，使得兩模式發(fā)生耦合，并且它們的傳播速度也不盡相同，從而導(dǎo)致光脈沖展寬，展寬量也不確定，便相當(dāng)于隨機(jī)的色散。隨著傳輸速率的提高，該色散對(duì)通信系統(tǒng)的影響愈來(lái)愈明，而且越來(lái)越不可低估。三、偏振模色散對(duì)系統(tǒng)性能的影響 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，PMD會(huì)導(dǎo)致脈沖的展開(kāi)和畸變，引起碼間干擾（ISI），使誤碼率增大；在模擬通信系統(tǒng)中，PMD會(huì)引發(fā)高階畸變效應(yīng)，導(dǎo)致非線性失真。從而，限制了高速率光纖通信系統(tǒng)的容量和傳輸距離。本部分將從從分析系統(tǒng)影

11、響的基本概念出發(fā)，通過(guò)觀察經(jīng)PMD光纖傳輸后信號(hào)脈沖波形的變化，具體研究一階、二階PMD對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的影響。 光纖傳輸中PMD引起的脈沖展寬示意圖四、分析系統(tǒng)影響的幾個(gè)基本概念（1） 功率代價(jià) 家底忽略偏振依賴效應(yīng)，并不考慮其他因素對(duì)脈沖展寬的影響，只考慮一階PMD時(shí)，輸出脈沖功率為： 式中：為輸出脈沖功率；為輸入脈沖功率；為兩主偏振態(tài)之間的DGD;為兩主偏振態(tài)功率之比，有0<<1。考慮一階PMD的統(tǒng)計(jì)特性，給出了一階PMD造成的系統(tǒng)的功率代價(jià) 其中：T為脈沖的比特周期。(2) 誤碼率BER(Q因子) 判斷PMD對(duì)系統(tǒng)影響的另一參數(shù)是誤碼率，誤碼率與Q因子之間的關(guān)系為： 其中

12、：erfc表示誤差函數(shù)；為判決時(shí)刻td時(shí)的Q因子。對(duì)于通信系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)計(jì)算如下： 其中：E為輸出場(chǎng)，A為一常數(shù)因子，T為信號(hào)的比特周期，為EDFA的反轉(zhuǎn)因子，指位于EDFA與接收機(jī)之間的濾波器的帶寬，B為接收機(jī)的噪聲帶寬。5、 偏振膜對(duì)噪聲的影響偏振模色散對(duì)于光傳輸距離的影響不同時(shí)期敷設(shè)的光纖，PMD 值差別很大。10 年前應(yīng)用的光纜受當(dāng)時(shí)光纖工藝水平所限，PMD 通常大于2ps/km1/2，有的高達(dá)67 ps/km1/2；后來(lái)布設(shè)的光纜，PMD 不大于0.5ps/km1/2，不會(huì)對(duì)10Gbit/s 速率系統(tǒng)造成限制；近年來(lái)敷設(shè)的光纜，多為0.2ps/km1/2甚至更小。最優(yōu)秀的光纖，PMD

13、 已經(jīng)控制到0.001ps/km1/2 的水平。當(dāng)兩個(gè)正交的偏振模之間的時(shí)延差達(dá)到系統(tǒng)速率一個(gè)脈沖時(shí)隙的三分之一時(shí)，將會(huì)付出1dB 的信號(hào)功率代價(jià)。由于PMD 的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性，PMD 的瞬時(shí)值有可能達(dá)到平均值的3 倍。為了保證信號(hào)功率代價(jià)低于1dB，PMD 的平均值必須小于系統(tǒng)速率一個(gè)脈沖時(shí)隙的十分之一。因?yàn)镻MD/L1/2 ps/km1/2 （公式 1）現(xiàn)在要求1/(10B)，設(shè)速率為B 的系統(tǒng)受PMD 限制的最大傳輸距離為L(zhǎng) km,則光纖線路傳播快傳播慢L（/PMD）21/(10*B*PMD)2 km （公式2）早期布設(shè)光纖中，有一部分對(duì)STM16 信道速率的系統(tǒng)也產(chǎn)生限制。當(dāng)PMD0.5

14、ps/km1/2 時(shí),STM-64 系統(tǒng)受PMD 限制的傳輸距離(1dB 代價(jià))大約為400km，對(duì)于40Gbit/s系統(tǒng)，卻只有25km。如果容許兩個(gè)正交偏振模之間的時(shí)延差達(dá)到一個(gè)脈沖時(shí)隙的三分之一，40Gbit/s 傳輸?shù)腜MD 容限約8.3ps；若要保證在任何情況下系統(tǒng)功率代價(jià)都不超過(guò)1dB，即限定兩個(gè)偏振模的傳輸時(shí)延差不超過(guò)一個(gè)脈沖時(shí)隙的十分之一，則PMD 容限只有2.5ps。要實(shí)現(xiàn)600km 以上的長(zhǎng)途傳輸，PMD 系數(shù)就要不高于0.1ps/km1/2。根據(jù)上述分析可知，PMD 是重要的限制因素。不同速率系統(tǒng)受PMD 限制的傳輸距離可以計(jì)算出來(lái)。利用公式2計(jì)算不同速率系統(tǒng)受偏振模色散

15、限制的最大傳輸距離。6、 高階PMD和色散補(bǔ)償器一束輸入的非偏振光被分解成兩個(gè)小的脈沖。這兩個(gè)小的脈沖分別沿著快PSP模和慢PSP模方向方向偏振。這兩個(gè)橢圓偏振的模式是相互正交的。在雙折射網(wǎng)絡(luò)的輸出端，由于群時(shí)延差的存在，這兩個(gè)脈沖就被分開(kāi)來(lái)了。它們沿著輸出的PSP方向偏振。通過(guò)在合適的方向加入一個(gè) 波片，這兩個(gè)偏振模就能轉(zhuǎn)換成線性偏振態(tài)。那么一個(gè)具有合適相位延遲的雙折射波片就可以用來(lái)補(bǔ)償在這兩個(gè)模式之間產(chǎn)生的時(shí)延差。這樣的話，就可以在輸出端得到一個(gè)單一的脈沖，從而消除了由于PMD而產(chǎn)生的脈沖展寬。 偏振模色散（PMD）是目前影響光通信系統(tǒng)中超高速傳輸?shù)闹饕蛩?。如本章前面幾?jié)所述，PMD主要

16、表現(xiàn)在一對(duì)偏振主態(tài)（PSP）和微分群時(shí)延差（DGD）。在低速通信系統(tǒng)中，在信號(hào)頻譜中心（通常是載波頻率）的PSP和DGD就足以充分地描述PMD在傳輸信號(hào)譜上的影響了。隨著通信速率的提高，信號(hào)的譜寬也隨著相應(yīng)地增加。在中心頻率的PSP和DGD不再是它們?cè)谡麄€(gè)信號(hào)譜寬上的典型代表了。在這種情況下，我們需要考慮二階PSP和DGD的變化。此外，我們需要找到能夠消除高速信號(hào)帶寬上的PMD的補(bǔ)償器。 通常所說(shuō)的高級(jí)PMD，以及在高速信號(hào)帶寬上的一階PSP和DGD，這些都促使人們發(fā)展一種描述它們的分析工具。對(duì)于高階PMD，文獻(xiàn)中有好幾種描述方法。最常用的方法是基于輸出PMD矢量 ，它在沒(méi)有偏振依賴損耗（PDL）的情形是一個(gè)三維矢量的實(shí)數(shù)，幅度等于DGD,方向平行于邦加球上輸出PSP慢模的方向。采用這種方法，高階PMD就可以采用PMD矢量對(duì)頻率的微分來(lái)描述了。五、結(jié)論偏振模色散具有隨機(jī)性