偏振模色散对单模光纤系统的影响

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的改进，促使了长距离、高速率密集波分复用(DWDM)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Maxwllian分布的随机变量。其瞬时PMD值随波长、时间、温度、移动和安装条件的变化而变化，此外，研究表明长距离光纤的PMD(真实情况)具有随长度平方根而变化的关系[1]，因而PMD的单位是ps/vkm。

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/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 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
：制造商确定的PMD链路值
Q：统计上限
方法II从总色散中分配给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)推荐了测量单模光纤PMD的四种方法，它们是：Jones距阵特征分析法 (JME, FOTP 122)，干涉仪法 (IF, FOTP 124)，波长扫描周期计数法 (WSCC, FOTP 113)和傅立叶变换的波长扫描法 (WSFFT, FOTP 113)。IF方法直接测量PMD，属于时域测量方法，其他属于频域测量方法。
应根据精度要求、测量效率和设备成本来选择适当的方法。然而,各种不同方法之间存在着可重复性的偏差(～10%)。ITU已经建议JME和IF作为基准测量方法。
下表简要地比较这些方法： JME IF WSCC WSFFT

测量原理 波长上的平均微分群时延 在偏振态输出之间的空间补偿 光功率谱和偏振态输出率 光功率谱和FFT

精度（ps） 0.005 0.06 0.2 0.025

设备成本 高 低 低至中间 低至中间

时间要求 长（1－20分钟） 短（＜15秒） 中间（～5分钟） 中间（～5分钟）

范 围 大 大 小 中间

优 点 偏振信息 直接，快速 有实验室设备 有实验室设备

缺 点 大范围，精度昂贵，慢和与振动敏感 没有波长依赖信息 最大和最小PMD的限制，没有波长信息 最大和最小PMD的限制，没有波长信息

表2 PMD 测量方法的比较

五、康宁单模光纤PMD的优点

康宁公司的每米光纤，都是由完全集成化的生产过程(预制棒熔制、凝结和拉丝)，以及获得专利的外部汽相沉积(OVD)技术和超纯的汽相沉积化学物品来制造的。康宁光纤的性能指标，包括其优异的几何尺寸，已领先光纤行业几十年。外部汽相沉积工序(从里到外)固有的独特性和高度的自动化计算机反馈控制过程，与其他光纤制造方法(如改进的化学汽相沉积(MCVD))相比，更有利于PMD指标。 康宁光纤PMD 长 飞 朗 讯 中 住 南京腾仓

PMD(ps/vKm) 0.2 0.2 0.5 0.5 无指标

PMD 链路值 0.1* 无指标 无指标 无指标 无指标

表3 标准单模光纤 PMD 指标比较

◆符合 IEC SC 86A/WG1，方法 1，1997年9月

全世界范围内的几百万公里已铺设的康宁单模光纤的现场测量数据表明，至今还没有任何关于PMD影响系统性能的报告。然而，一些研究发现，已铺设的单模光纤一定数量的已经具有大于0.5ps/vkm[4]的测量结果，这可能会影响这些系统未来的扩容。

六、展望未来

为了满足通讯系统日益剧增的带宽需求，对于网络建设者和系统使用者来说，更新已经铺设的单模光纤系统，或铺设新的高容量系统是势在必行的。这时，PMD以及色度色散对系统性能的限制是必须要考虑的因素。为了更好地控制PMD，减少它对系统性能的影响和限制，研究人员已开始着手PMD补偿的尝试，初期的研究成果已在实验室中得到证实[5,6]，预计在未来几年中补偿PMD的商用器件将出现在市场上。然而，这不仅会增加系统的成本，也会增加系统的复杂性，并影响系统的可靠性。因此，目前最经济、最有效的方法是选择光纤中最好的PMD指标，以便为未来可能的系统扩容作好准备。

七、总 结

本文阐述了PMD的基本概念，描述了测量技术，并着重讨论了PMD对高数据率数字和模拟单模光纤系统的影响。PMD可能是限制系统性能的因素，因而是系统设计者和用户需要考虑的一项重要指标。

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