偏振模色散 Polarization mode dispersion

2022-10-31 11:02:34 浏览:325

定义

光波在光纤中传播特性的偏振依赖性。

在光纤中,具有不同偏振状态的光波的传播特性通常存在一些细微差异。 即使对于根据设计应具有旋转对称性并因此不表现出双折射的光纤,也可能发生差分群延迟。 这种效应可能是由纤维的随机缺陷或弯曲引起的,或者来自其他类型的机械应力,并且还受到温度变化的影响,主要是因为这些变化会导致机械应力。 主要是由于弯曲的影响,光缆的PMD可能与线轴上所含光纤的PMD完全不同。 通过比较卷曲状态下不同纤维的PMD值,很难预测这些值与直纤维的比较情况;特别是,纺丝纤维在直线状态下表现出低得多的值,而在线轴上看起来并不比未纺丝纤维好多少。

偏振模色散基于双折射——更准确地说,差分群延迟(作为PMD的量度)是传播常数(双折射的量度)相对于角光学频率的差值的导数。

二阶PMD是微分群延迟相对于角频率的导数[6],实际上是传播常数差的二阶导数。

术语偏振模色散(PMD)和差分群延迟(DGD)通常可以互换使用,但有时含义略有不同。 一些作者称这种现象为PMD,并认为DGD是其规模。 其他人将PMD定义为DGD在某个波长间隔内的统计标准偏差。 请注意,对于光纤,DGD可能与光波长和温度有很大而复杂的依赖性。

PMD的有害影响

通信系统

偏振模式色散会对光纤链路中以非常高的数据速率长距离传输的光学数据传输产生不利影响,因为不同偏振模式下的部分传输信号将在略有不同的时间到达。 实际上,这可能会导致一定程度的脉冲展宽甚至脉冲分裂。 这会导致码间干扰,从而降低接收信号,导致误码率增加。 为了不超过可接受的误码率水平,必须限制传输速率。

PMD对光纤长度的依赖性不一定是线性的!

偏振模色散的影响通常需要统计描述,因为它们以复杂的方式取决于大量因素,其中一些因素难以或不可能预测。 例如,温度变化会导致光纤中的机械应力,并在很大程度上依赖于其他因素,例如电缆中使用的缓冲层类型,以及影响PMD的因素。 对于局部双折射保持近似恒定的短光纤截面,DGD与光纤长度成正比。 然而,对于较长的截面,光纤的不同部分对DGD的贡献不相关,并且差分群延迟的总均方根仅与光纤长度的平方根成正比。 因此,PMD 通常以 ps km 为单位进行量化−1/2.

光纤传感器

有一些极化光纤传感器需要检测光纤中光的微小偏振变化。 例如,有基于法拉第效应的电流传感器,即极化方向的旋转与电流产生的磁场成比例。 显然,应尽可能抑制由于传感器光纤的随机双折射而导致的额外偏振变化。

减少PMD的影响

优化纤维

降低PMD的第一个措施是选择PMD降低的光纤,理想情况下,PMD对外部因素的敏感性也降低。 现代电信光纤具有相当严格的PMD规范,但是在1990年代初期铺设的光纤通常表现出更强的PMD,这通常甚至没有指定。 另请注意,此类电缆的部署细节具有一定影响。 此外,老化效应会大大恶化光缆的极化性能,例如与老化聚合物材料的弹性变化有关[10]。

原则上,这个问题可以通过在保偏光纤中使用明确定义的偏振状态来解决,但由于各种原因,这种方法通常不切实际:不仅需要为所有组件(包括例如光纤放大器)使用更昂贵和更有损耗的保偏光纤,而且偏振方向必须在许多接口上对齐。

另一种理论可能性是确定光纤跨度的所谓主偏振状态,并将光信号仅注入一种这样的状态。 对于足够窄的光带宽,则不会有脉冲展宽,尽管对于较大的带宽,对色散的贡献与偏振相关(其符号对于两种原理态不同)。 然而,这种方法通常不实用,部分原因是c极化状态随时间变化。

一种常见的(因为更实用的)解决方案是使用纺丝纤维,其中纤维在纤维拉伸过程中加捻。 这样,就可以获得PMD性能显著提高的电信光纤。 有关详细信息,请参阅有关纺丝纤维的文章。

PMD 补偿

为了实现尽可能高的比特率,特别是对于旧光纤和长光纤链路,可能需要补偿偏振模色散。 有一些设备可以引入可调量的PMD,以补偿光纤链路的PMD。 从本质上讲,这样的设备可能包含

  • 光纤偏振控制器,后跟
  • 偏振器和可变光学延迟块,仅适用于一个偏振方向的光,以及
  • 另一个偏振片充当光束组合器。

通过调整延迟块,可以最小化整体PMD。

请注意,温度变化会使PMD效应与时间有关;因此,对于最高的数据速率,可能需要应用自动反馈系统。 如果系统有多个波长通道(→波分复用),则可能必须为每个通道单独进行补偿,因为效果取决于波长。

最大限度地降低对 PMD 的敏感性

另一种策略是限制每个传输通道的容量,但在单个光纤中使用许多不同的通道,例如使用波分复用技术。

还有一些高级调制方案具有降低的符号速率(对于给定的比特率),它们对PMD不太敏感。

参考文献

[1] S. C. Rashleigh and R. Ulrich, “Polarization mode dispersion in singlemode fibers”, Opt. Lett. 3 (2), 60 (1978), doi:10.1364/OL.3.000060
[2] S. C. Rashleigh, “Origins and control of polarization effects in single-mode fibers”, J. Lightwave Technol. 1 (2), 312 (1983), doi:10.1109/JLT.1983.1072121
[3] N. Shibata, M. Tsubokawa and S. Seikai, “Polarization mode dispersion in a coil of single-mode fiber”, Opt. Lett. 10 (2), 92 (1985), doi:10.1364/OL.10.000092
[4] N. Shibata et al., “Birefringence and polarization mode dispersion in a coil of a single-mode fiber”, J. Opt. Soc. Am. A 3 (11), 1935 (1986), doi:10.1364/JOSAA.3.001935
[5] N. Gisin et al., “Polarization mode dispersion of short and long single-mode fibers”, IEEE J. Lightwave Technol. 9 (7), 821 (1991), doi:10.1109/50.85780
[6] H. Kogelnik et al., “Jones matrix for second-order polarization mode dispersion”, Opt. Lett. 25 (1), 19 (2000), doi:10.1364/OL.25.000019
[7] P. Williams, “PMD measurement techniques and how to avoid the pitfalls”, J. Opt. Fiber Commun. Rep. 1, 84 (2004), doi:10.1007/s10297-004-0010-4
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[9] D. A. Nolan et al., “Fibers with low polarization-mode dispersion”, J. Lightwave Technol. 22 (4), 1066 (2004), doi:10.1109/JLT.2004.825240
[10] K. Borzycki, “Influence of temperature and aging on polarization mode dispersion of tight-buffered optical fibers and cables”, J. Telecommunications and Information Technology 3, 96 (2005)
[11] A. Mecozzi, “Theory of polarization mode dispersion with linear birefringence”, Opt. Lett. 33 (12), 1315 (2008), doi:10.1364/OL.33.001315
[12] ITU standard G.666 (07/05), “Characteristics of PMD compensators and PMD compensating receivers”, International Telecommunication Union (2005)

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