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单模光纤偏振模色散PMD测试摘要：研究PMD产生的原因、机理和影响，研究光纤PMD测量、控制和补偿方法，研究PMD对光缆和光缆链路的影响，对保障光纤通信系统的性能具有重要意义。
本文将着重对单模光纤PMD测试技术和不稳定因素进行论述。
关键词：PMD、干涉法、色散一、引入近几年，电信市场发展迅速，住宅用户和商业用户数量都大幅增长，网络业务量也呈指数般上升。
据信息产业部最新公布数据表明：截止2004年5月底，中国固定电话用户达到2.904亿户，移动电话用户达到3.006亿户，互联网拨号用户5359.9万户，互联网专线用户6.7万户，宽带接入用户1659.7万户。
巨大的用户群带来海量的通信流量，而如此大的流量需求，对现有光网络系统能力提出了严峻挑战，也推动了光网络建设，光纤通信系统向大容量、高速率、长距离方向发展，使得原本对低速系统而言可以忽略不计的非线性效应和偏振模色散（PMD）等光纤性能缺陷成为限制系统容量升级和传输距离的主要因素，人们越来越重视非线性效应和偏振模色散（PMD）的影响。
二、单模光纤的偏振模色散产生机理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。
如下图所示：图1：PMD极化模传输图因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏振模色散PMD （Polarization Mode Dispersion）。
PMD的度量单位为匹秒（ps）。
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。
偏振模色散
偏振模色散（PMD）是光纤中的一个重要的参量，它表示光纤在传输过程中由于折射率和吸收率的不均匀性，以及多模态干扰而引起的信号波长的分散。
当光纤的横截面失去对称性时，其引起的回波由方位偏振和斜向偏振组成。
而斜向偏振回波（称为PMD）通常随着路径长度的增加而增加，这种效应被称为偏振模色散（PMD）。
PMD会影响光纤的发射和接收能力，特别是当光路径中存在大量反射和散射时，PMD会降低光纤的传输性能。
因此，准确测量PMD是使用光纤进行数据传输的关键。
偏振模色散的原理和测试方法分析摘要：偏振模色散将引起高速光脉冲畸变，制约传输距离，是40Gb/s高速光纤通信的主要技术难点之一。
本文研究了偏振模色散的产生原理、对传输光脉冲的影响等问题；分析了偏振模色散的三种主要测试方法的测量配置和各自优缺点；讨论了每种方法的最佳应用场合。
一、 引言光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出。
40Gb/s系统和10Gb/s系统相比，在光纤传输上的色散效应对系统性能的影响有新的差异。
特别是偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简称PMD）的影响难以克服。
所以，在40Gb/s系统技术中，必须考虑和研究光纤的色散，PMD和非线性的影响等。
同时，由于偏振模色散的测试是比较复杂的问题，如何根据其特点，比较迅速和准确地测出偏振模色散值，从而进行色散补偿，将是本文讨论的重点。
本文作者主要从事高速光传输收发模块的研究开发，于2002年11月参加了在上海举行的Tektronix 2002亚太区大型巡回讲座和研讨会，针对偏振模色散的最新测试技术这一问题，作者与Tektronix公司的偏振模色散测试技术人员、工程师作了沟通和交流，并在本文中作了比较详细的分析和探讨。
二、 色散的原理和分类色散是光纤的一个重要参数。
降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，发展高速40Gb/s光纤通信和其它新型光纤通信技术都是至关重要的。
光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。
实际光源发出的光不是单色的，而是有一定的波长范围。
这个范围就是光源的线宽。
在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。
一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。
偏振模色散是光纤中两个正交偏振方向的光以不同速率传输造成。
偏振模色散是光纤中两个正交偏振方向的光以不同速率传输造成的一种现象。
光纤是一种特殊的光导体，可用于传输光信号。
光信号通过光纤的传输依赖于光的性质，其中一个重要的性质就是偏振。
偏振是光波传播时，电矢量沿特定方向的振荡。
普通的自然光是随机偏振的，其中的电矢量在各个方向上都有振荡。
然而，在光纤中，光信号可以被分解为两个正交的偏振方向，分别被称为TE（横电场）和TM（横磁场）模式。
这些模式以不同的速度在光纤中传播，导致了偏振模色散的发生。
偏振模色散对于光纤通信具有重要的影响。
在光纤通信系统中，光信号需要被有效地传输到目的地。
然而，由于偏振模色散的存在，光信号会因为不同的传输速度而发生形状的失真和时间的延误。
这将导致信号的质量下降，并可能影响到通信的可靠性和传输距离。
为了克服偏振模色散带来的问题，工程师们已经提出了多种解决方案。
一种常见的方法是使用偏振保持技术，通过调整光纤的结构来保持光的偏振状态。
这可以减少不同偏振模式之间的相互作用，从而降低偏振模色散的影响。
另外，光纤的制造质量和光纤的设计也对偏振模色散的控制起到重要的作用。
通过合理设计光纤的结构和材料，可以减小偏振聚束效应，降低光信号在传输中的偏振模色散。
总的来说，偏振模色散是光传输过程中一个重要的现象。
它对光纤通信系统的性能和可靠性有着直接影响。
通过合理的工程设计和技术手段，可以减小偏振模色散的影响，提高光纤通信系统的质量和性能。
这对于现代社会中广泛应用的光纤通信具有重要的指导意义。
DCF补偿的缺点是插损较大，会影响系统的传输距离。
其解决方法是把DCF放在光发送机与功率放大器之间，或放在予放大器和光接收机之间，用光放大器的增益来补偿DCF的插损。
②．光纤光栅补偿利用光纤光栅的干涉与衍射效应进行色散补偿。
总之，系统的色度色散受限主要表现在高传输速率即2.5Gb/s以上的系统，采取的措施一是采用外调制方式，它可以降低光源的啁啾声与增加系统的色散容限（如2.5Gb/s系统的色散容限可达12800ps/nm以上），二是可以采取色散补偿手段如DCF 等。
3．偏振模色散受限（PMD）偏振模色散受限仅对传输速率10Gb/s以上的系统有效。
（1）．偏振模色散受限机理所谓偏振模色散PMD(Polar Mode Dispersion)，是指由于光纤的随机性双折射所引起的、对不同相位状态的光呈现不同群速度的特性。
如果单模光纤结构是理想的圆柱形而且材料是各向同性的，则二个正交方向偏振态的模式不会发生相互耦合，单模光纤可以保证单模传输，即能维持二个偏振态正交的简并模（LP01）传输。
但实际上在制造光纤过程中，由于工艺方面原因会使光纤的实际结构偏离理想的圆柱形，光纤的芯径与包层的几何尺寸也存在着差异；而且光纤的折射率分布也难以保证理想化（沿径向分布完全对称），从而使光纤存在着各向异性。
此外，在实际应用中，光缆中的光纤也不可避免地要受侧压力、扭曲力、弯曲力等外部应力的作用，它的随机性非常大。
所有这一切都破坏了模式的简并，导致了两偏振态模的耦合；也导致两个偏振方向光的传播常数不相同，这就是所谓双折射现象。
双折射使不同偏振态的光信号不能同时到达接收端，即出现延时。
如图2.8.4所示。
图2.8.4：PMD引起的光信号差分群延时DGD 偏振模色散是客观存在的，但对不同的传输速率有着不同的影响。
因为由PMD 产生的延时值，其大小仅取决于光纤的PMD 系数及系统的传输距离；所以当这二者确定之后，由其产生的延时值也就确定了。
2偏振模色散的影响
与其它色散一样,偏振模色散也要使脉冲展宽,从而提高数字通信系统的误码率,限制系统的传输带宽。
长距离数字通信系统通常工作于1550nm附近的第三窗口,因为在此窗口光纤衰减最小。
对标准单模光纤来说,在这一窗口,由于色散较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果应用了高质量的DFB激光器或色散补偿技术,则要考虑偏振模色散的影响。
DFB激光器的线性带宽很窄,相应地降低色散的影响。
在通信系统中接入一色散补偿器
(DCM)可以得到实际的色散补偿。
通过专门设计色散补偿光纤的折射率分布可以使光纤在第3窗口具有较大的负色散系数,这一负色散系数可以补偿标准单模光纤的色散。
总之,在
长距离、高比特率数字通信系统中,如果应用了色散补偿技术降低了色散值,则偏振模色散的影响相应突出了。
此外,由于偏振模色散的统计特性,迄今为止,还没有任何方法可以补偿它。
如果激光器的线性带宽不是很窄,色散的影响将较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果降低激光器的线性带宽,则偏振模色散的影响就增大了。
在图8中,取偏振模色散值为0.5ps/km,因为这一值可能被接受为国际标准规范值(至少对陆地网络是如此)。
按照某些国际标准技术规范小组的观点,当时延差达到1比特周期的0.3倍时,将引起1dB的功率损失。
偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的3倍,这样,为了保证功率损失在1dB以下,偏振模色散的平均值必须要小于1比特周期的十分之一。
偏振模色散与通信系统比特率及传输距离的关系,当偏振模色散值为0.5ps/km时,在1dB的功率损失时,比特率为10Gb/s 系统的传输距离可达400km。
与对长距离、高比特率数字通信系统的影响不同,偏振模色散对短距离模拟通信系统的影响要复杂得多。
这种影响是多种因素的综合,在这里,我们仅仅作一简单介绍,更详细的讨论可见参考文献。
模拟通信系统性能的下降可能是由于偏振模色散、激光器啁啾(chirp)和元器件的与偏振相关的衰耗（PDL）之间的相互作用。
PDL的含意是不言而喻的。
激光器啁啾是在调幅(AM)系统中出现的激光频率调制,啁啾参量描述了由于强度调制产生的最大频率漂移。
即使是设计相似的激光器,这一量也可能完全不同。
对在有线电视(CATV)系统第2窗口应用的DFB激光器来说,其典型值在100至400MHz之间,偏振模色散、PDL和激光啁啾之间的相互作用将引起复合的第二阶失(CSO),在信号中产生高阶谐波,在传输通道之间出现边频带,从而严重影响传输的质量。
我们将在第二阶谐波中的能量大小,即在基频的2倍频率处接收到的能量大小,作为信号质量的度量。
很明显,可接受的CSO值取决于传输通道的密度。
目前,认为当CSO功率电平为-65dB左右或更小时,对60通道的CATV系统是足够了。
当不存在PDL时,偏振模色散必须要小于9ps,当PDL为0.1dB左右时,偏振模色散必须要小于8ps。
当偏振模色散值为0.5ps/km时,最大允许的传输距离为324km
或256km,取决于PDL大小。
