偏振模式色散

2021-03-17 10:49:59 浏览:704

定义

光纤中传播的光波传输性质随偏振的变化。

在光纤中,具有不同偏振态的光波之间的传输性质在某些方面不同。尽管光纤设计时应该具有旋转对称性,不应具有双折射,还是会存在差分群延时。这一效应来自于随机缺陷,光纤弯曲或者其它机械应力,还会受温度变化的影响。光缆光纤中与缠在圆筒上的相同的光纤的PMD完全不通,主要是因为弯曲的影响。通常用于光纤链路中的光纤光缆已经被优化,具有很低的PMD,但是安装这些光缆还是会受到影响。

偏振模式色散(PMD)与差分群延时(DGD)可以互用,有时意义略有不同。一些作者称PMD为一种现象,而考虑DGD时主要考虑它的大小。也有定义PMD为波导间隙中的DGD的统计标准偏差。在光纤中,DGD对波长的依赖很复杂。

一些作者采用二阶PMD代表差分群延时对角频率的导数[2],尽管这里并没有涉及到二阶导数。

对通信系统有害的效应

偏振模式色散在长距离光纤链路中传输非常高的数据速率的光纤通信系统中会产生很不利的影响,因为具有不同偏振模式的传输信号会在略微不同的时间到达接收器。这相当于产生了一定程度的脉冲展宽,引起字节间干扰,于是接收信号失真,比特误码率提高。

理论上来说,可以确定光纤的主偏振态,注入的光信号都是出于这一偏振态。光带宽足够窄的时候,就不会出现脉冲展宽,而对于稍大的带宽,就会存在偏振引起的色散(两个主偏振态的符号不同)。但是这一方法不实际,因为主偏振态是随时间变化的。

需要统计描述偏振模式色散效应,不仅需要考虑随机的时间变化还需要考虑到对光纤长度的依赖性。光纤很短的区域,DGD正比于光纤长度。较长的光纤情况,不同部分的光纤对DGD的贡献是不相关的,因此DGD的总方均根仅仅与光纤长度的平方根成正比。

减小PMD效应

最直接的方法减小PMD是减小光纤中的PMD。现在的电信光纤PMD标准很高,而1990s早期的光纤则具有非常强的PMD。

为了能实现很高的比特速率,需要在光纤链路中进行偏振模式色散补偿。而随着温度变化,PMD效应与时间有关,因此有必要采用自动反馈系统。如果系统具有多个波长信道,补偿需要对每个信道分别补偿,因为该效应是与波长有关的。

理论上,可以采用保偏光纤来减小这一效应,但是这样也不实际,因为:保偏光纤更加昂贵并且损耗更大,不需要所有的器件(例如,光纤放大器)都采用保偏光纤;另外,需要在许多界面处调整偏振态的方向。

另一个方案是限制每个传输信道的容量,在单根光纤中采用多个信道,例如,采用波分复用技术。

最后,还可以采用高级调制方式来降低字节速率,对PMD不是很敏感。

参考文献

[1] N. Gisin et al., “Polarization mode dispersion of short and long single-mode fibers”, J. Lightwave Technol. 9 (7), 821 (1991)
[2] H. Kogelnik et al., “Jones matrix for second-order polarization mode dispersion”, Opt. Lett. 25 (1), 19 (2000)
[3] P. Williams, “PMD measurement techniques and how to avoid the pitfalls”, J. Opt. Fiber Commun. Rep. 1, 84 (2004)
[4] J. P. Gordon, “Statistical properties of polarization mode dispersion”, J. Opt. Fiber Commun. Rep. 1, 210–217 (2004)
[5] D. A. Nolan et al., “Fibers with low polarization-mode dispersion”, J. Lightwave Technol. 22 (4), 1066 (2004)
[6] A. Mecozzi, “Theory of polarization mode dispersion with linear birefringence”, Opt. Lett. 33 (12), 1315 (2008)
[7] ITU standard G.666 (07/05), “Characteristics of PMD compensators and PMD compensating receivers”, International Telecommunication Union (2005)

参阅:光纤、光纤链路、保偏光纤、双折射

作          者: 泮桥成像光电商城

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