單模光纖偏振模色散 PMD 測試技術

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　　一、引入
　　近幾年，電信市場發展迅速，住宅用戶和商業用戶數量都大幅增長，網絡業務量也呈指數般上升。

據信息產業部最新公布數據表明：截止2004年5月底，中國固定電話用戶達到2.904億戶，移動電話用戶達到3.006億戶，互聯網撥號用戶5359.9萬戶，互聯網專線用戶6.7萬戶，寬帶接入用戶1659.7萬戶。巨大的用戶群帶來海量的通信流量，而如此大的流量需求，對現有光網絡系統能力提出了嚴峻挑戰，也推動了光網絡建設，光纖通信系統向大容量、高速率、長距離方向發展，使得原本對低速系統而言可以忽略不計的非線性效應和偏振模色散（PMD）等光纖性能缺陷成為限制系統容量升級和傳輸距離的主要因素，人們越來越重視非線性效應和偏振模色散（PMD）的影響。
　　
　　二、單模光纖的偏振模色散產生機理
　　隨著單模光纖在測試中應用技術的不斷發展，特別是集成光學、光纖放大器以及超高帶寬的非零色散位移單模光纖即ITU-T G655光纖的廣泛應用，光纖衰減和色散特性已不是制約長距離傳輸的主要因素，偏振模色散特性越來越受到人們重視。偏振是與光的振動方向有關的光性能，我們知道光在單模光纖中只有基模HE11傳輸，由于HE11模由相互垂直的兩個極化模HE11x和HE11y簡并構成，在傳輸過程中極化模的軸向傳播常數βx和βy往往不等,從而造成光脈沖在輸出端展寬現象。如下圖所示：
　　　
　　圖1：PMD極化模傳輸圖
　　因此兩極化模經過光纖傳輸后到達時間就會不一致，這個時間差稱為偏振模色散PMD（Polarization Mode Dispersion）。PMD的度量單位為匹秒（ps）。
　　
　　光纖是各向異性的晶體，光一束光入射到光纖中被分解為兩束折射光。這種現象就是光的雙折射，如果光纖為理想的情況，是指其橫截面無畸變，為完整的真正圓，并且纖芯內無應力存在，光纖本身無彎曲現象，這時雙折射的兩束光在光纖軸向傳輸的折射率是不變的，跟各向同性晶體完全一樣，這時PMD=0。但實際應用中的光纖并非理想情況，由于各種原因使HE11兩個偏振模不能完全簡并，產生偏振不穩定狀態。
　　
　　造成單模光纖中光的偏振態不穩定的原因，有光纖本身的內部因素，也有光纖的外部因素。
　　
　　2.1 內部因素
　　
　　PMD即偏振模色散(Polarization Mode Dispersion) ，由于光纖在制造過程中存在著芯不圓度，應力分布不均勻，承受側壓，光纖的彎曲和鈕轉等，這些因素將造成光纖的雙折射。光在單模光纖中傳輸，兩個相互正交的線性偏振模式之間會形成傳輸群速度差，產生偏振模色散。同時，由于光纖中的兩個主偏振模之間要發生能量交換，即產生模式偶合。在光纖較長時，由于偏振模隨機模偶合對溫度、環境條件、光源波長的輕微波動等都很敏感，故模式偶合具有一定隨機性，這決定了PMD是個統計量。但PMD的統計測量的分布表明，其均值與光纖的雙折射有關，降低光纖的PMD極其對環境的敏感性，關鍵在于降低光纖的雙折射。
　　
　　2.2 外部因素
　　
　　單模光纖受外界因素影響引起光的偏振態不穩定，是用外部雙折射表示的。由于外部因素很多，外部雙折射的表達式也不能完全統一。外部因素引起光纖雙折射特性變化的原因，在于外部因素造成光纖新的各向異性。例如光纖在成纜或施工的過程中可能受到彎曲、扭絞、振動和受壓等機械力作用，這些外力的隨機性可能使光纖產生隨機雙折射。另外，光纖有可能在強電場和強磁場以及溫度變化的環境下工作。光纖在外部機械力作用下，會產生光彈性效應；在外磁場的作用下，會產生法拉第效應；在外電場的作用下，會產生克爾效應。所有這些效應的總結果，都會使光纖產生新的各向異性，導致外部雙折射的產生。
　　
　　對于如上兩種因素都可能使單模光纖產生雙折射現象，但由于外部因素的隨機性和不可避免性，所以在實際應用中人們非常重視對內部因素的控制盡量減小光纖雙折現象。
　　
　　三、PMD對光通訊系統的影響
　　當技術上逐步解決了損耗和色度色散的問題后，在通信系統傳輸速率越來越高，無中繼的距離越來越長的情況下，PMD的影響成了必須考慮的主要因素。在數字系統中PMD引起脈沖展寬，對高速系統容易產生誤碼，限制了光纖波長帶寬使用和光信號的傳輸距離；在CATV等模擬系統則引起信號失真。下表1列出受PMD限制的數字傳輸系統傳輸速率與傳輸距離的關系：
　　　
　　從表1可以看出，PMD對于低速率的光纖通信系統影響不大。對于2.5Gbit/s傳輸系統，當PMDC為0.5ps/√km時，可傳輸6400公里，當PMDC值為1ps/√km時，可傳輸1600公里；但對于高速（10Gbit/s）系統，傳輸距離就大幅縮短，分別只能傳輸100公里和400公里；對于超高速（40Gbit/s）系統，PMD已嚴重制約了系統的使用：在PMDC為1.0ps/√km時，傳輸的距離只有6km，在PMDC為0.5ps/√km時，傳輸的距離只有25km，在PMDC為0.2ps/√km時，傳輸的距離125km。由此可見，PMD成為影響高速系統傳輸距離的主要因素之一。通常為保障10Gbit/s高速系統及40Gbit/s超高速系統的正常使用，至少應保證PMDC小于等于0.2ps/√km。
　　
　　因此，在新建光纜線路、開通長距離系統、在現有光纜線路升級系統等情況時，必須測量PMD值。網絡規劃者在設計鏈路時最有效的方法是：通過現場實地測量光纜鏈路的PMD值，在此基礎上充分考慮PMD的影響，預留足夠的PMD富余度。
　　
　　四、PMD測量方法
　　隨著光纖通信技術的發展，人們對光纖偏振模色散的研究工作越來越深入，究其原因是光纖的偏振模色散對超高速光纖數字系統的傳輸性能有著不可忽視的影響。目前廣大光纖、光纜生產廠家和電信用戶都對光纖PMD作了較為深入的研究，同時參照ITU-T制定了相應的企業標準，納入了光纖性能指標的控制范圍。
　　
　　國際電信聯盟電信標準化部門ITU-T G650（2000）和國際電工委員會標準IEC61941（1999）中介紹了單模光纖偏振模色散的定義和測量方法，規定了PMD的基準測試方法即斯托克斯參數測定法，還有替代測試方法即偏振態法與干涉法。
　　
　　4.1、托克斯參數測定法
　　
　　斯托克斯參數測定法是測量單模光纖PMD值的基準試驗方法，它的測試原理是在一波長范圍內以一定的波長間隔測量出輸出偏振態隨波長的變化，通過瓊斯矩陣本征分析和計算，得到PMD的系數值。
　　
　　斯托克斯參數測定法多用于實驗室測試，其測量試驗設備及裝置如圖2所示。
　　　
　　4.2、偏振態法
　　
　　偏振態法是測量單模光纖PMD的第1替代試驗方法，其測量原理是：對于固定的輸入偏振態，當注入光波長（頻率）變化時，在斯托克斯參數空間里邦加球上被測光纖輸出偏振態（SOP）也會發生演變，它們環繞與主偏振態（PSP）方向重合的軸旋轉，旋轉速度取決于PMD時延：時延越大，旋轉越快。通過測量相應角頻率變化⊿ω和邦加球上代表偏振態（SOP）點的旋轉角度⊿θ，就可以計算出PMD時延δτ＝|⊿θ/⊿ω|。
　　
　　偏振態法直接給出了被測試樣PSP間差分群時延（DGD）與波長或時間的函數關系，通過在時間或波長范圍內取平均值得到PMD。
　　　
　　4.3、干涉法
　　
　　由于干涉法測量速度快，目前市面上很多儀器生產廠家都以干涉法為測試原理生產測試設備，它們共同點就是設備體積小，動態范圍寬，重復性較好，很適合在現場使用。由于干涉法與偏振模耦合無關，適用于單盤短光纖和長光纖。
　　
　　干涉法就是介紹一種測量單模光纖和光纜的平均偏振模色散的方法。其測試原理為：當光纖一端用寬帶光源照明時，在輸出端測量電磁場的自相關函數或互相關函數，從而確定PMD。在自相關型干涉儀表中，干涉圖具有一個相應于光源自相關的中心相干峰。測量值代表了在測量波長范圍內的平均值。在1310nm或1550nm窗口不同儀器都有一定的波長范圍。
　　
　　下面介紹的是光纖參考通道Michelsom干涉儀，也是大多儀器廠家使用的一種方法，實驗裝置如圖4所示：
　　
　　五、單模光纖PMD不穩定因素
　　5.1、內部因素
　　
　　單模光纖纖芯的橢圓度可能產生波導雙折射，光纖組成材料的膨脹系數不一致可能產生應力雙折射。隨著芯層不圓度增大，單模光纖PMD有增大的趨勢，這和光纖PMD產生的內部因素較為吻合。但同時也發現并不是芯層不圓度大對應光纖PMD就大，說明生產光纖PMD另一個因素的存在即應力雙折射，由于光纖不同組成材料熱膨脹系數不一致而使光纖芯層存在不對稱橫向應力，從而使光纖芯層產生雙折射現象。所以作為光纖生產廠家應從光纖芯層不圓度和光纖內部殘余應力著手控制光纖的PMD。
　　
　　5.2、光纖外部因素與光纖PMD關系
　　
　　由于光纖PMD是由光纖芯層晶體對光纖產生雙折射引起，在光纖光纜應用中可能對光纖芯層的雙折射率改變是復雜的，目前國內很多文獻對光纖外部因素包括機械、電磁和溫度等對光纖PMD可能產生影響進行了論述。實驗表明，光纖在小半徑彎曲和扭曲狀態下，光纖PMD有一定的變化。單模光纖PMD主要由光纖本身決定，即內部因素非常重要。
　　
　　六、結論
　　隨著光纖數字通信系統傳輸速率不斷提高和傳輸距離不斷增長，PMD成為限制高速數字通信的關鍵因素，我們必須組織有效測量，以了解光纜鏈路實際PMD狀況，為通信系統設計提供依據。
　　
　　然而，PMD的隨機及統計特性決定了PMD測量和控制難度很大。只有通過制定有效的測控方案，從廠驗、單盤測試和光纜接續后鏈路PMD工程測試等環節分步測量控制，通過有效的問題光纜定位、處理方法，才能保證光纖網

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