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高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿技术近年来，我国光纤通信系统发展起来，其应用规模也呈现出不断扩大的趋势，但是，在信号传输过程中，信号损伤问题越发严重，高速光纤通信系统中信号损伤主要由偏振模色散引起。
本文主要从高速光纤通信系统中信号损伤与补偿介绍出发，具体阐述了高速光纤中偏振模色散概念及其测量方式，并提出了相应的高速光纤通信系统中信号损伤补偿技术，希望对高速光纤通信系统中信号损伤缓解与补偿有所帮助。
标签：高速光纤；通信系统；信号损伤缓解；补偿技术随着信息化时代的到来，通信成为人们日常生活不可分离的一部分，通信容量呈现出不断上升的趋势。
科学家预测未来每名通信用户的通信容量高达1000Mb/s，可见未来人们对通讯需求之大，因此，高速光纤通信系统的未来发展会逐渐向高速率和大容量发展。
1 高速光纤通信系统中信号损伤与补偿高速光纤通信系统在传播过程中常常会发生信号损伤的问题，色散和光纤耗损是导致高速光纤通信系统中信号损伤的主要原因。
传统光纤系统中，多模光纤较为常见，在不同模式下光纤的信号传播速度不同，证明了信号传播过程中存在模间色散。
随着科技的发展，单模光纤在光纤通信系统中使用广泛，在一定程度上减少了色散，也就缓解了模间色散的问题。
但是，随着通信容量的不断扩大，信号传输距离也越来越远，新的问题也随之出现，长距离运输过程中的光纤虚耗成为制约信号传播的关键。
单模光纤能够解决模间色散问题，但是会受到材料和波导色散的干扰，导致色度色散问题的存在，在传播过程中损伤通信信号。
因此，人们开始采用色散补偿光纤来补偿色散问题，促进单载波速率的提高，进而解决信号损伤的问题。
大量实践经验也表明，采取措施缓解和补偿高速光纤系统中的信号损伤能够大大提高通信的速率。
近年来，我国科学技术不断发展，偏振模色散使用广泛，相干接收和高级码型调制格式也获得了广泛的应用，导致偏振模色散和偏振串扰成为损伤通信系统的主要因素，加上光纤非线性和激光器的相位噪声的制约，信号损伤问题仍然是通信系统研究的主要问题。
当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。
这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。
G.652 光纤是1310nm 窗口零色散，在1550nm 窗口存在色散，在传输10G 信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653 光纤是色散位移光纤，在1550nm 窗口零色散，可传输10G 的光信号，但传输WDM 波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM 波分的传输。
G.655 光纤在1550nm 窗口有很小的色散，可用于SDH 光信号和WDM 信号的传输。
光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。
定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。
材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。
波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。
而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。
光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。
色散主要用色散系数D(λ ) 表示。
色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。
二阶偏振模色散二阶偏振模色散是一种光学现象，指的是在非线性光学介质中，二阶非线性极化率导致的二次谐波的色散效应。
这种色散效应在光通信、光存储、光谱学等领域有着广泛的应用。
在非线性光学介质中，二阶非线性极化率会导致二次谐波的产生。
而二次谐波的频率是原始光波频率的两倍，因此二次谐波的频率与波长成反比。
由于不同波长的光在介质中的传播速度不同，因此二次谐波的产生会导致波长的分离，即二阶偏振模色散。
二阶偏振模色散的表现形式可以用色散方程来描述。
在非线性光学介质中，色散方程可以表示为：$$\frac{\partial^2 E}{\partial z^2} + \frac{1}{v_g^2}\frac{\partial^2 E}{\partial t^2} = -\frac{\omega_0^2}{2c^2}\frac{\partial^2 P^{(2)}}{\partial t^2}$$其中，$E$为电场强度，$z$为光传播方向，$t$为时间，$v_g$为群速度，$c$为光速，$\omega_0$为光的中心频率，$P^{(2)}$为二阶非线性极化率。
从色散方程可以看出，二阶偏振模色散的表现形式与线性色散类似，都是描述光波在介质中传播时的频率与波长之间的关系。
但是，二阶偏振模色散的色散系数与波长的平方成正比，而线性色散的色散系数与波长成正比。
因此，在相同的介质中，二阶偏振模色散的色散效应比线性色散更加显著。
二阶偏振模色散在光通信中有着广泛的应用。
在光纤通信系统中，由于光在光纤中的传播速度与波长有关，因此二阶偏振模色散会导致不同波长的光在传输过程中的时间延迟不同，从而影响光信号的传输质量。
为了减小二阶偏振模色散的影响，可以采用光纤补偿器等技术进行补偿。
除了光通信，二阶偏振模色散还在光存储、光谱学等领域有着广泛的应用。
例如，在光存储中，二阶偏振模色散可以用来实现光存储介质的高密度存储；在光谱学中，二阶偏振模色散可以用来测量材料的非线性光学性质等。
理解光的色散与偏振光的色散与偏振是光学中非常重要的概念，通过研究它们可以深入理解光的性质和行为。
本文将对光的色散和偏振进行详细解析，探讨其原理、应用以及相关实验。
一、光的色散光的色散是指光在不同介质中传播时，不同波长的光由于介质折射率的不同而偏离原来的方向的现象。
根据色散现象，光可以分解成不同波长的光谱，并形成彩虹色。
1. 原理色散现象的产生是由于介质对不同波长的光的折射率不同。
根据斯涅尔定律，光线经过两个介质的边界时，入射角和折射角之间的关系可以用折射定律表示。
不同波长的光在介质中传播时，由于介质对光的折射率有波长依赖性，因此折射角也会随之改变，导致光的传播方向发生偏离。
2. 应用色散现象在许多领域都有广泛应用。
其中最常见的应用是在光谱学中，通过分析不同波长的光谱，可以确定物质的成分、结构和热力学特性。
此外，色散还被应用于光纤通信、光谱仪器、光学传感器等领域。
3. 实验为了观察和研究光的色散现象，可以进行一系列实验。
例如，可以使用三棱镜将白光分解成彩虹色光谱，观察到不同波长的光在三棱镜中发生偏折；或者利用光栅实验，通过光栅的衍射效应观察到不同波长的干涉条纹。
二、光的偏振光的偏振是指光波中电场矢量只在特定方向上振动的现象。
光波的偏振状态可以分为线偏振、圆偏振和椭偏振三种。
1. 原理光的偏振是由于光波中电矢量的振动方向在某一平面上而产生的。
通过偏振片可以选择性地通过特定振动方向的光，并屏蔽其他方向的光。
例如，通过透过一条直线的偏振片，只有与该方向相同的线偏振光可以通过，而其他方向的光则被屏蔽。
2. 应用光的偏振在很多领域都有广泛应用。
例如，偏振片常用于液晶显示器中，通过控制电场来改变液晶分子的取向，实现对光的调节和控制。
此外，偏振也被广泛应用于光学显微镜中，以及光学薄膜的制备和检测等领域。
3. 实验为了研究光的偏振现象，可以进行一系列实验。
例如，通过偏振片交叉叠加的实验，可以观察到不同方向的光交叉后的强度变化；或者利用旋转偏振片的实验，可以观察到圆偏振和线偏振之间的转换。
光学中的光的偏振和色散自古以来，光学一直被人们广泛研究，其中光的偏振和色散是光学领域的重要研究内容。
本文将介绍光的偏振和色散的基本概念、原理以及在实际应用中的意义。
一、光的偏振光的偏振是指光波中的电矢量在传播方向上的振动方式。
一般来说，光波中的电矢量可以同时在垂直于传播方向的任意方向上振动，这种光波称为非偏振光。
而当光波中的电矢量只在某一特定方向上振动时，就称为偏振光。
光的偏振可以通过偏振片来实现。
偏振片是一种特殊的光学器件，它只允许特定方向上的光通过，其余方向上的光被吸收或者折射。
通过叠加多个偏振片，可以实现对光的偏振方向进行更加精确的控制。
光的偏振在许多实际应用中有着重要的意义。
例如，在光学显示技术中，通过控制光的偏振方向，可以实现液晶显示的图像显示和消隐。
此外，光的偏振还广泛应用于光通信领域、材料表征和天文观测等领域。
二、光的色散光的色散是指光在介质中传播时不同波长的光速度不同，导致光的折射角发生变化的现象。
色散可以分为正常色散和反常色散两种类型。
正常色散是指随着光波波长的增加，光的折射角度减小的现象。
这种色散在一些介质中常见，例如玻璃等。
反常色散则是指随着光波波长的增加，光的折射角度增大的现象。
反常色散在一些特殊的材料中出现，例如水。
光的色散是由于不同波长的光在介质中与原子或者分子相互作用导致的。
不同波长的光在电磁波与物质相互作用的过程中，相互作用强度和机制不同，从而导致光的传播速度不同。
光的色散在光谱学、光纤通信等领域有重要应用。
例如，利用物质的色散性质，可以实现光信号的调制、解调和传输。
此外，色散还在天文学中起到重要作用，通过观测恒星光的色散现象，可以研究天体的化学成分和物理性质。
总结起来，光的偏振和色散是光学中的重要概念和现象。
光的偏振是指光波中的电矢量在传播方向上的振动方式，通过偏振片可以实现对光的偏振方向的控制。
光的色散是指光在介质中传播时不同波长的光速度不同，是由于光与物质的相互作用导致的。
光纤的PMD参数及测试摘要: 随着10Gb/s SDH传输系统的大规模使用,对光缆的指标提出了更高的要求,尤其是光缆的PMD指标。
本文介绍了光纤的PMD参数及其测试。
关键词: PMD 干涉法传输受限距离衰耗色散为了满足高速发展的数据业务等,光传输系统的传送速率越来越高。
光缆线路中的色散指标,特别是偏振模色散(PMD)指标就成为制约传输距离的主要因素之一。
本文将介绍PMD的相关知识。
一、PMD的概念：偏振模色散指光纤中偏振色散,简称PMD(Polarization Mode Dispersion),起因于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模,沿光纤传播过程中,由于光纤难免受到外部的作用,如温度和压力等因素变化或扰动,使得两模式发生耦合,并且它们的传播速度也不尽相同,从而导致光脉冲展宽,展宽量也不确定,便相当于随机的色散,引起信号失真。
随着传输速率的提高,该色散对通信系统的影响愈来愈明,而且越来越不可低估。
PMD单位为ps／Km。
两个正交的主偏振态之间群时延的时间差DGD的单位为ps,Km为中继段的长度。
PMD的典型值为0.3～0.5ps/km1/2影响PMD的主要因素有两个1、双折射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、光纤中的搀杂物浓度不对称等,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。
双折射差异越大,PMD值也将越大,它随光纤的长度变化。
2、模式耦合同时,由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量交换,即产生模式耦合。
模间耦合越紧密,PMD值越小。
在光纤较长时,由于偏振模式耦合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动、施工中光纤的接续等都很敏感,故模式耦合具有一定随机性,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。
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。
进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光纤，它将激发出基模；如果是多模光纤，则激发出大量模式。
由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。
光纤的色散可以分为下列三类：模间色散：在多模光纤中，即使是同一波长，不同模式的光由于传播速度的不同而引起的色散称为模式色散。
色度色散：是指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。
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。
图1是这三种色散的示意图：三、偏振模色散的原理和特点(1) 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。
图2是引起偏振模色散的光纤示意图：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。
（2）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／km1/2PMD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”（3）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δτ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＝δτ/L1/2 ps/km1/2 （公式1）现在要求δτ＝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＝（δτ/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。
利用公式2计算不同速率系统受偏振模色散限制的最大传输距离，其结果列于下表1中。
表1 不同速率系统受PMD限制的最大传输距离四、偏振模色散的测试方法偏振模色散具有随机性，在DWDM系统中，造成偏振和引起偏振模色散的因素很多，示意图如图4所示：图4 引起偏振和偏振模色散的因素下面是偏振模色散PMD和偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，简称PDL)的测试方法：偏振模色散PMD是指在一定时间内一定波长范围内或在指定波长上某时间窗口上的平均时延，与时间相对无关，具有确定性。
PMD的测试方法主要有琼斯矩阵特征分析法、干涉测量方法和波长扫描法等。
1、琼斯矩阵特征分析法的测试原理和步骤如下：测试的配置包括可调谐光源（Tunable Laser Source,简称TLS）、被测器件（Device Under Test，简称DUT）、偏振器和偏振计等。
如图5所示。
图5 琼斯矩阵分析法的测量配置和步骤从琼斯矩阵Jc数据中可以提取PMD和PDL等参数。
由于一般运营商关注的PMDλ是指在特定波长λn上一段时间内的平均微分群时延（Differential Group Delay,简称DGD），而测量值PMDλ是在某个波长范围内特定时间t0的平均DGD。
理论计算如下：理论计算和实验测试的结果表明，时间平均值PMDt与波长平均值PMDλ相等。
这也是PMD 测量方法的基础，所有测试都是基于能够快速测试PMDλ从而确定PMD值的。
琼斯矩阵特征分析法的特点是：测量精度较高，最小可测量的PMD可达0.005ps，但测试速度较慢，且与波长相关，测试过程中光纤必须固定，不许移动；该测试方法在实验室测试器件的PMD将是首选；同时也适合工程上光纤PMD测试的现场应用。
2、干涉测量方法的原理和步骤如下，如图6所示。
干涉测量方法的特点是：测量精度较低，最小可测量PMD达0.03ps，但测试速度较快，且与波长无关，测试过程中光纤允许移动。
由于测试精度较低，该测试方法不适合实验室使用；但由于设备简便易用，体积、成本和信息内容小，适合作为现场仪器使用，在工程现场测试光纤的PMD将是首选。
3、PMD测试的其他方法还有邦加半球方法。
该测试方法的特点是能够直观地反映偏振态和测试PMD参数，可以用于科学研究分析。
由于偏振光的电场强度可分解为Ex，Ey两个分量，其瞬时值为Ex=Ex0Cos(ωt+φx)Ey=Ey0Cos(ωt+φy)两分量的幅度比R＝Ey0/Ex0，相位差φ=φy-φx。
根据R、φ的不同可得到线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。
偏振光偏振态的全部信息包含在R、φ中。
R有时用另一参数δ表示，δ＝arctanR。
椭圆偏振是最一般的形式，它说明电场强度矢量端点描绘出一个椭圆，如图7所示。
可以采用邦加球法（Poincare）来直观地、动态适时地显示偏振态，跟踪和计算偏振模色散变化值。
由于邦加球采用了归一化测量方法，因此可以用两个参数来描述偏振椭圆：方位角θ和椭率角ε。
如图8所示。
图8 邦加球法（Poincare）表示的偏振状态邦加球法的配置与琼斯矩阵特征分析法的测量配置相同。
采用调谐波长作为光源，偏振状态将在邦加半球上描出一个弧形角，偏振模色散值与这个角成正比。
五、结论偏振模色散具有随机性和不确定性，其原理和补偿方法正在不断的研究之中。
我们可以根据应用场合的不同，选取不同的偏振模测试方法，灵活、快速地测试和评估，以便有效地补偿偏振模色散。
例如，在研发和实验时，如果测试精度较高，可采用琼斯矩阵特征分析法；如果要求动态地跟踪偏振模色散，可以采用邦加球法；而工程现场中可以采用干涉法快速测试等。
