[科普中国]-极化模色散

对于一个确定的光波，有两个极化矢量，彼此正交，在单模光纤中传播的实际上有两个极化模式，它们在光纤中的传播速度不同，由此产生的色散称为极化模色散

极化膜色散是由光纤横截面微小的不对称性或应力引起的色散。

在2.5Gbit/s以下的光纤通信系统中，把它与群速度色散 相比，几乎感觉不到它的存在，但是随着 现代化通信对带宽的要求的不断提高，成熟的波分复用和光波放大器的应用，PMD对长距离、多信道、高速率的限制，则作为主要的矛盾出现在人们面前。1

由于极化模式的相位常数不同, 两个模式传输的群速度亦不同, 可以说一个模式相对于另一个较快些, 因此可以认为光纤中存在着快轴和慢轴。这样一来, 在实用光纤中, 不同速度的信号传过同样的距离将会有不同的时延。它们之间的时延差越大, 说明色散越严重。这种色散叫做极化模式色散。在理想光纤中, 极化色散是不存在的。极化色散可用两个模式单位长度的时延差来表示。因“ 光波在光纤中的群速度，在光纤上传输单位距离所需要的时间速度的倒数，所以两个极化模式分别沿光纤快轴和 慢轴传输单位距时就会产生时延差，称为“群时延”。

由于双折射沿线是不均匀的, 因此单位长度的时延差也是不均匀的, 工程上常用相对平均时延差来表示光纤的色散。在标准光纤中, 模式之间的祸合比较强烈, 当光纤的不完善程度严重时, 相对平均时延差正比于光纤长度的平方根, 常用单位ps/KM表示, 典型数值在几到几百ps/KM范围内。有时也用总长度时延差来表示对用于远距离通信的实用光纤, 时延的影响是不应忽视的。

色散可由信号各频率成分的传输速度不同引起, 也可由信号各模式成分的传输速度不同所引起。色散限制了单模光纤宽频带运用的潜在能力。由于光纤的双折射沿线波动, 在光纤的任何位置上, 将两个极化模式迭加, 可以看到合成的单模随应力的变化而摆动。由于极化模时延的存在, 当光脉冲沿线传输时, 每个光脉冲都会被展宽最后将同相邻的光脉冲重迭, 于是增大了接收机输出端的错误次数, 从而限制了光纤的工作带宽。2

简单来说，极化膜色散是光纤不对称引起两个相互垂直的基本偏振膜以不同的速率传播，从而导致脉冲展宽的现象。我们把单模分成两个相互正交的基膜，它们的电场分别沿着x，y的方向偏振，在理想情况下，他们的方向偏振是处处完全相等的，实际的光纤相位常熟不能完全简并，因而产生了模式双折射。

显然，相位常数不同直接导致两模式群速度不同，从而使光脉冲在传播过程中发生畸变，这就是所谓的极化膜色散。

PMD取决于双折射率和模式耦合。双折射率越高，PMD就越大；模式耦合发生在光能的快速膜和慢速膜相互传递之处。一段光纤的光能和另一段光线的叠加或抵消，引起PMD任意移动式积累。这是 PMD在长光纤跨距内具有平方根关系的原因。

光纤的色散是由于光纤传输信号的不同频率成分或不同模式的群速度不同, 而引起传输信号寄变的一种物理现象, 例如光纤数字通信中脉冲信号在传输中被展宽的现象。光纤的色散现象对光纤通信是十分不利的。光纤数字通信传输的是一系列的脉冲码。由于光纤在传输过程中能把脉冲展宽, 于是就会出现脉冲与脉冲重迭的现象, 这叫码间干扰。由于码间干扰, 造成了传输码的失误, 产生差错。为了避免误码出现, 需要加大脉冲的间隔, 从而导致传输速率比特率降低, 减少了通信容量。另一方面, 光纤对脉冲的展宽程度, 随着传输距离的增长而越来越严重, 因此色散的存在也影响了光纤的传输距离。2

PMD 产生的原因分为内因和外因。

预制棒不对称；折射率不对称；熔凝过程控制差；拉丝张力不对称；光纤有自然耦合点等。

光缆制造、铺设过程中侧向挤压、扭曲和弯曲。3

极化模式色散是影响下一代40Gbps或更高速率长途传输系统性能的主要因素之一，如果光纤材料或器件选择不当，即使在10Gbps的系统中它也会导致很高的误码率。在10Gbps速率下，极化模式色散(PMD)主要产生原因在于光纤(包括色散补偿光纤)本身；而在40Gbps速率下，光纤和器件(包括掺饵光纤放大器、光隔离器和接头等器件)均会对系统总体PMD产生影响。因此当传输速率增高时，要求器件设计更加严格以确保较低的PMD，对设计要求的提高也相应推动着测试设备制造商提供更加精确的PMD测量设备。

对一个给定器件，在特定波长λ下快速PSP和慢速PSP信号到达时间之差称为差分群延迟DGD(λ)，显然，这是任何两个不同极化态信号之间可能的最大延迟。DGD不确定性与很多因素有关，包括波长增量改变引起的波长误差以及设备内部相噪声。通过使用外部波长仪而不靠可调激光器内部步长精度，可以显著改善波长不确定性。设备PMD的内部相噪声会对最小DGD值的下限产生影响，窄频器件通频带宽限制了波长改变增量，目前已成为此类模型得到较低PMD值的巨大障碍。对于具有随机特性的宽频类光纤器件，PMD精度主要由缩小的可调范围和PMD带宽决定，只有很少的情况下可以实现不确定率好于±10%。3