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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 信息科学 » 通信科学 » 【讨论】发起有奖讨论：光纤偏振模色散的知识探讨(已有概念,定义,统计特性,测量)
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opt-comm

木虫 (正式写手)

[交流] 【讨论】发起有奖讨论：光纤偏振模色散的知识探讨(已有概念,定义,统计特性,测量)已有7人参与

当光纤通信单信道传输速率达到40Gb/s以后，光纤偏振模色散对于信号的损伤不能再忽视，成为重要的影响因素。
因此发起讨论：
1. 光纤偏振模色散的定义、概念
2. 光纤偏振模色散的性质
3. 光纤偏振模色散的测量
4. 光纤偏振模色散的缓解或补偿

参加者有希望获得发起人的200金币.

看来情况不乐观，大家不太了解偏振模色散。我来逐步为大家介绍一下。此间回答问题，或讨论问题，提出问题，198个金币奖励仍然有效。

后面将陆续介绍有关偏振模色散的资料。




[ Last edited by opt-comm on 2010-8-14 at 05:53 ]
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1楼2010-07-28 18:57:26
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lhfx_313

至尊木虫 (文坛精英)
opt-comm(金币+1):参与讨论奖励1金币。但是这篇东西好像也是从网上或谁的论文抄来的。下面的图只是OFDM的发射、传输、与接收，与PMD分析无关。如果你能说出有关的道理，将奖励10个金币。 2010-08-15 17:22:28
PMD历史
    随着社会的信息化,用户对通信容量的需求日益增加,未来全业务服务中每一用户的容量需求可能超过100 Mb/s。在这种需求的推动下,作为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。在单信道速率不断提升(现已发展到10 Gb/s , 正向40 Gb/s 甚至160Gb/s 发展) 的同时,密集波分复用技术(DWDM) 也已日趋成熟并商用化。从技术的角度来看,限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性和色散。掺铒光纤放大器( EDFA) 的研制成功,使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非零色散位移光纤(NZDSF) 的引入也逐渐减小和消除。随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加,原来在光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散(PMD) 问题近来变得十分突出。与光纤非线性和色散一样,PMD 能损害系统的传输性能,限制系统的传输速率和距离,并被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。正是由于PMD对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响,所以自20世纪90年代以来,已引起业界的广泛关注,并正成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。

PMD产生原因
     随着单模光纤在测试中应用技术的不断发展，特别是集成光学、光纤放大器以及超高带宽的非零色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的广泛应用，光纤衰减和色散特性已不是制约长距离传输的主要因素，偏振模色散特性越来越受到人们重视。偏振是与光的振动方向有关的光性能，我们知道光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HE11x和HE11y简并构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数βx和βy往往不等,从而造成光脉冲在输出端展宽现象。

光纤是各向异性的晶体，光一束光入射到光纤中被分解为两束折射光。这种现象就是光的双折射，如果光纤为理想的情况，是指其横截面无畸变，为完整的真正圆，并且纤芯内无应力存在，光纤本身无弯曲现象，这时双折射的两束光在光纤轴向传输的折射率是不变的，跟各向同性晶体完全一样，这时PMD=0。但实际应用中的光纤并非理想情况，由于各种原因使HE11两个偏振模不能完全简并，产生偏振不稳定状态。
造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。
　  内部因素：PMD即偏振模色散(Polarization Mode Dispersion) ，由于光纤在制造过程中存在着芯不圆度，应力分布不均匀，承受侧压，光纤的弯曲和钮转等，这些因素将造成光纤的双折射。光在单模光纤中传输，两个相互正交的线性偏振模式之间会形成传输群速度差，产生偏振模色散。同时，由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量交换，即产生模式偶合。在光纤较长时，由于偏振模随机模偶合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动等都很敏感，故模式偶合具有一定随机性，这决定了PMD是个统计量。但PMD的统计测量的分布表明，其均值与光纤的双折射有关，降低光纤的PMD极其对环境的敏感性，关键在于降低光纤的双折射。
外部因素：单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，导致外部双折射的产生。
偏振模色散与普通意义下的色度色散的概念并无关系，后者是光纤中一种相对稳定的现象，而偏振模色散却是在随机变化的。实际中我们看到的现象就是在光纤输出端的偏振模色散值随时间的随机起伏，只能用统计推算的办法得到它的值。
对于不同的系统，分析的方法也就不同。OFDM-ROF系统仿真模型如下：


[ Last edited by lhfx_313 on 2010-8-15 at 14:34 ]
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22楼2010-08-15 14:29:53
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llyz0825

木虫 (著名写手)
opt-comm(金币+1):虽然貌似不是自己的理解，但是欢迎回帖。 2010-07-28 19:37:00
偏振模色散的概念

双折射与偏振是单模光纤特有的问题。单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x,y方向偏振。在理想的光纤中，这两个模式有着相同的相位常数，它们是互相简并的。但实际上光纤总有某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为模式双折射。由于存在双折射，将引起一系列复杂的效应。例如，由于双折射，两模式的群速度不同，因而引起偏振色散；由于双折射偏振态沿光纤轴向变化，外界条件的变化将引起光纤输出偏振态的不稳定，这对某些应用场合，影响严重。
光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起，构成双折射现象导致的色散，而对双折射引起的偏振模色散是由外部因素如机械压力、热压力等导致的色散。


偏振模色散不能避免，只能最小化。由于光纤存在PMD，已经给10Gb/s链路带来了严重限制。而在40Gb/s速率上，任何器件也有少量的PMD。



偏振模色散对于光脉冲的影响
偏振模色散具有随机性，这与具有确定性的波长色散不同，其值与光纤制作工艺、材料、传输线路长度和应用环境等因素密切相关。
由于受工艺水平的制约，传输链路上使用的每一段光纤结构上存在差异，即使同一段光纤，也必然存在纵向不均匀性，因而PMD的值也会因光纤而异。从工程安装和链路环境看，影响因素不仅多，而且具有不定性。比如环境温度，夏冬温差可能达30～80℃，昼夜温差也有可能达10～30℃。PMD的大小，由这些因素的综合影响决定，也具有不确定性，是一个随机变量。通常所说的PMD是多少，指的是（统计）平均值。在光纤链路上，两个正交的偏振模产生的时延差遵守一定的概率密度分布。PMD的值与光纤长度的平方根成反比例的变化，因而其单位记作ps／km1/2
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，从而限制传输速率，如图3所示。然而，PMD比波长色散小得多，对低速率光传输的影响可忽略不计，甚至没有列入早先的光纤性能指标之中。但是随着系统传输速率的提升，偏振模色散的影响逐渐显现出来，成为继衰减、波长色散之后限制传输速度和距离的又一个重要因素。如何减少PMD的影响，是目前国际上研究的热点之一。PMD是一个随机变量，其瞬时值随波长、时间、温度、移动和安装条件的变化而变化，导致光脉冲展宽量不确定，其影响相当于随机的色散。它与波长色散发生的机制虽然不同，但是对系统性能具有同样的影响，因此也有人将偏振模色散称作单模光纤中的“多模色散”。


偏振模色散对于光传输距离的影响

不同时期敷设的光纤，PMD值差别很大。10年前应用的光缆受当时光纤工艺水平所限，PMD通常大于2ps/km1/2，有的高达6～7 ps/km1/2；后来布设的光缆，PMD不大于0.5ps/km1/2，不会对10Gbit/s速率系统造成限制；近年来敷设的光缆，多为0.2ps/km1/2甚至更小。最优秀的光纤，PMD已经控制到0.001ps/km1/2的水平。
当两个正交的偏振模之间的时延差dt达到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时，将会付出1dB的信号功率代价。由于PMD的随机统计特性，PMD的瞬时值有可能达到平均值的3倍。为了保证信号功率代价低于1dB，PMD的平均值必须小于系统速率一个脉冲时隙的十分之一。
因为 PMD＝dt/L1/2 ps/km1/2 （公式1）
现在要求dt＝1/(10B)，设速率为B的系统受PMD限制的最大传输距离为L km,则
L＝（dt/PMD）2＝〔1/(10*B*PMD)〕2 km （公式2）
早期布设光纤中，有一部分对STM－16信道速率的系统也产生限制。当PMD＝0.5ps/km1/2时,STM-64系统受PMD限制的传输距离(1dB代价)大约为400km，对于40Gbit/s系统，却只有25km。如果容许两个正交偏振模之间的时延差达到一个脉冲时隙的三分之一，40Gbit/s传输的PMD容限约8.3ps；若要保证在任何情况下系统功率代价都不超过1dB，即限定两个偏振模的传输时延差不超过一个脉冲时隙的十分之一，则PMD容限只有2.5ps。要实现600km以上的长途传输，PMD系数就要不高于0.1ps/km1/2。
根据上述分析可知，PMD是重要的限制因素。不同速率系统受PMD限制的传输距离可以计算出来。
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3楼2010-07-28 19:16:36
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小泉他爹

木虫 (正式写手)
opt-comm(金币+1):虽然貌似不是自己的理解，感谢及时回帖。 2010-07-28 19:42:13
1偏振模色散：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模。当光纤存在双折射时,这两个模式的传输速度不同而引起的色散称为偏振模色散。
双折射与偏振是单模光纤特有的问题。单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x,y方向偏振。在理想的光纤中，这两个模式有着相同的相位常数，它们是互相简并的。但实际上光纤总有某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为模式双折射。由于存在双折射，将引起一系列复杂的效应。例如，由于双折射，两模式的群速度不同，因而引起偏振色散；由于双折射偏振态沿光纤轴向变化，外界条件的变化将引起光纤输出偏振态的不稳定，这对某些应用场合，影响严重。
光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起，构成双折射现象导致的色散，而对双折射引起的偏振模色散是由外部因素如机械压力、热压力等导致的色散。
2偏振模色散不能避免，只能最小化;偏振模色散具有随机性.
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4楼2010-07-28 19:17:31
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opt-comm

木虫 (正式写手)
引用回帖:
Originally posted by llyz0825 at 2010-07-28 19:16:36:
偏振模色散的概念

双折射与偏振是单模光纤特有的问题。单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x,y方向偏振。在理想的光纤中，这两个模式有着相同的相位常数，它们是互相简并的。但实际上光纤总 ...

图3在哪？
是自己理解的，还是网上查到的？
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5楼2010-07-28 19:34:28
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