学文网摘要：随着通信技术的进步,光通信迅速向高速率、大容量方向发展。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。掺铒光放大器(EDFA)的研制成功,使光纤衰减对系统传输距离限制不再起主要的作用。光纤通信系统传输速率的不断提高和掺铒光放大器的应用,使原本微小的偏振效应——偏振模色散(PMD)最终对高速光纤通信系统产生了不容忽视的影响。于是对PMD及其补偿技术的研究成为光纤通信技术领域新的研究热点。
关 键 词：光纤通信 ，偏振模色散(PMD)，PMD补偿
中***分类号：TN253文献标识码： A
一、PMD的概念
我们称光纤为“单模”的，它在同一名字下实际上传达两个模式。这两个模式为在一个光纤内的两个垂直平面内传播的线性偏振波。
理想的情况下，每个模式运载总的光能的一半。如果这个光纤是完美的，它们两个会以同样的速度传播并且同时到达光纤端；这样，沿光纤传播的信号保持不受干扰而且偏振模式的存在也就不被注意到。那么，通常就可以说这些模式退化了，这就意味着我们在输出信号中不会发现它们存在的影响。但是，如果光纤在这些模式沿着x和y平面传播时，对它们表现出特性的改变，模式的速度就会受到影响，那么它们就开始以不同的速度传播，也就导致了脉冲扩展。因光纤偏振特性的改变而造成的脉冲扩展称为偏振模色散（polarization-mode dispersion,PMD）。
二、PMD的产生原因
PMD是由以下几方面的因素造成的:光纤所固有的双折射,即光纤在生产过程中产生的几何尺寸不规则和在光纤中残留应力导致折射率分布的各向异性;光缆在铺设使用过程中,由于受到外界的挤压、扭转和环境温度变化的影响而产生偏振模耦合效应,从而改变两偏振模各自的传播常数和幅度,导致PMD;另外当光信号通过一些光通信器件如隔离器、耦合器、滤波器时,由于器件结构和材料本身的不完整性,也能导致双折射,产生PMD。
PMD与波长色散不同。波长色散是一个确定的值,而PMD是服从Maxwell分布的随机量。瞬时PMD值随波长、时间、温度、移动和安装条件的变化而变化,实时测量PMD的瞬时值是不可能的。
三、PMD对系统的影响
光纤中PMD是符合Maxwell分布的,由(1)式很容易求得其平均系数
x=（1）
ITU-T规定单模光纤的系数必须小于0.5。如果以此系数为基本ＰＭＤ计算阈值,且以ＰＭＤ的功率代价为1ｄＢ来计算(平均差分群时延(ＤＧＤ)小于信号比特周期的1/10,其出现概率高于1/18000),则10Ｇｂｉｔ/ｓ信号无电中继的最大传输距离为400ｋｍ,而40Ｇｂｉｔ/ｓ信号仅为25ｋｍ。由ＰＭＤ限制的系统最大传输距离从理论上可由下面公式给出:
Ｌmax=1000/ ((ＰＭＤ×比特率)2(ｋｍ) (2)
可以看出,随着数据传输率的提高,ＰＭＤ的影响越来越突出,成为限制光纤通信系统容量和传输距离的最终因素。
自从90年代末期,PMD引起人们的关注,已经出现了多种减少PMD的技术。对于新铺设的光纤光缆,可以采用低PMD值的实用化光纤及器件。在光纤制造的过程中,尽量保持光纤非常圆的程度,这一点受工艺条件的限制,可以采用在光纤拉丝过程中旋转预制棒的工艺来增强模耦合,使光纤的环向同性,以实现PMD值的减小。并有文献报道,普通单模光纤在损耗不致过大的情况下,可保证其PMD值小于0.5ps/(km)1/2。但是,对于已铺设的光纤来说,最好的方法是采用PMD补偿技术。由于PMD是一个随机变量并且相对于时间有涨落,因而它的补偿比较困难。目前国际上大多数补偿方案的研究主要是针对一阶PMD效应。这些补偿方案归纳起来主要是以两种方式对PMD进行补偿,即在传输光路上直接对光信号进行补偿或在接收机内对电信号进行补偿。两者的实质都是利用某种光的或电的延迟线对PMD造成的偏振模之间的时延差进行补偿。
四、PMD补偿技术
目前,用于PMD补偿的技术有很多,概括起来主要有光学方法、电学方法和光电结合法。
4.1光补偿方案
该补偿方案的原理结构如***1。
***中光延迟线为保偏光纤(PMF),对两偏振模之间的时延差进行(Δτ1+Δτ2)的补偿。偏振控制器的目的是调整输入光的偏振态,使之与保偏光纤的输入相匹配。T.Takahashi等人利用这种补偿方案,实现了长距离(10000km,PMD:0～66ps)高速率(10Gb/s以上)光纤通信系统的偏振模色散补偿。将偏振模色散造成的功率损耗从7dB降到1dB。替换***1中的PC和PMF可以得到类似的方法。
4.2电补偿方案
该方案的原理装置如***5。电子均衡补偿器是通过抽头式延迟线来实现的。传输后的信号经过高保偏光纤,被线性光接收机接收的信号通过功率分解器分成三路,各路信号引入不同的时间延迟以对信号进行补偿,改变T的大小可以调节补偿范围,三路信号通过不同的权重(第二路为负值)叠加后一起输出。通过调节衰减器可以改变各路信号幅度。
五、结语
从以上补偿方案可以看出,电的补偿方式技术成熟,容易与光接收机集成,但是响应时间较长，只能在接收端进行而且补偿量有限，无法用于40Gbit/s以上系统;光电结合的补偿方式虽然具有很好的补偿效果,但是该方式一般都是结构庞大,不容易集成。光补偿方式具有灵活、方便、易于集成等优点,一些新型光学器件比如光纤光栅等的应用有助于解决偏振模色散的问题。
参考文献：
[1]方强，梁猛.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[2]赵梓森.光纤通信工程[M].北京：人民邮电出版社.1993.
[3]张玲芬,励宁.光纤中光的偏振态的几种表示方法[J].应用光学.2002
转载请注明出处学文网 » 浅谈光纤中偏振模色散的补偿