偏振模色散

一个信号脉冲沿着理想的对称圆形单模光纤在不受外界干扰情况下传输时,光纤输入端的光脉冲可分裂成两个垂直的偏振输出脉冲,以相同的的传播速度进行传输,并同时到达光纤输出端,这两个脉冲叠加在一起会重现出它们在光纤输入端时的偏振状态,实际上光纤由于上文所述的种种原因,会引起双折射,即x轴方向和y轴方向上的折射率是不一样的,这将引起偏振模色散（Polarization Mode Dispersion）。

偏振模色散的成因

形成偏振模色散的原因有光纤的内在原因和外在原因。通常,表现出来的只是内在原因和外在原因的综合结果。在理想情况下,光纤是圆对称的,不存在模式的极化取向问题,两个相互垂直的本征偏振模沿光纤以相同的速度传输,同时到达接收器。但是,在制造光纤的过程中,光纤芯不可避免地产生一定的椭圆度;在拉制光纤时,总是要在光纤中遗留下残存的内部应力,从而,实际的光纤总是表现出双折射性。这些不对称性使光纤的折射率分布与方向有关,这时,基模的两个相互垂直的本征偏振态不再简并,它们沿光纤以不相同的速度传输,引起脉冲展宽。光纤芯的椭圆度可以很简单地解释两个相互垂直的偏振态有不同的群速度。由于在水平方向有效群指数较大,因此水平方向偏振的模传输较慢,而在垂直方向有较小的有效群指数,因此在垂直方向偏振的模传输较快。在传输一段距离后,两个偏振模之间产生时延差。不管怎样降低这些内在原因,并不可能完全消除偏振模现象。这是因为成缆和光缆敷设时产生的应力、光缆熔接或连接器等外在因素都要影响偏振模色散。

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。

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