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偏振模色散的概念
雙折射與偏振是單模光纖特有的問題。單模光纖實(shí)際上傳輸?shù)氖莾蓚�(gè)正交的基模，它們的電場各沿x,y方向偏振。在理想的光纖中，這兩個(gè)模式有著相同的相位常數(shù)，它們是互相簡并的。但實(shí)際上光纖總有某種程度的不完善，如光纖纖芯的橢圓變形、光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力等，將使得兩個(gè)模式之間的簡并被破壞，兩個(gè)模式的相位常數(shù)不相等，這種現(xiàn)象稱為模式雙折射。由于存在雙折射，將引起一系列復(fù)雜的效應(yīng)。例如，由于雙折射，兩模式的群速度不同，因而引起偏振色散；由于雙折射偏振態(tài)沿光纖軸向變化，外界條件的變化將引起光纖輸出偏振態(tài)的不穩(wěn)定，這對(duì)某些應(yīng)用場合，影響嚴(yán)重。
光纖的固有偏振模色散是由非圓形纖芯引起，構(gòu)成雙折射現(xiàn)象導(dǎo)致的色散，而對(duì)雙折射引起的偏振模色散是由外部因素如機(jī)械壓力、熱壓力等導(dǎo)致的色散。
偏振模色散不能避免，只能最小化。由于光纖存在PMD，已經(jīng)給10Gb/s鏈路帶來了嚴(yán)重限制。而在40Gb/s速率上，任何器件也有少量的PMD。
偏振模色散對(duì)于光脈沖的影響
偏振模色散具有隨機(jī)性，這與具有確定性的波長色散不同，其值與光纖制作工藝、材料、傳輸線路長度和應(yīng)用環(huán)境等因素密切相關(guān)。
由于受工藝水平的制約，傳輸鏈路上使用的每一段光纖結(jié)構(gòu)上存在差異，即使同一段光纖，也必然存在縱向不均勻性，因而PMD的值也會(huì)因光纖而異。從工程安裝和鏈路環(huán)境看，影響因素不僅多，而且具有不定性。比如環(huán)境溫度，夏冬溫差可能達(dá)30～80℃，晝夜溫差也有可能達(dá)10～30℃。PMD的大小，由這些因素的綜合影響決定，也具有不確定性，是一個(gè)隨機(jī)變量。通常所說的PMD是多少，指的是（統(tǒng)計(jì)）平均值。在光纖鏈路上，兩個(gè)正交的偏振模產(chǎn)生的時(shí)延差遵守一定的概率密度分布。PMD的值與光纖長度的平方根成反比例的變化，因而其單位記作ps／km1/2
PMD和色度色散對(duì)系統(tǒng)性能具有相同的影響，即引起脈沖展寬，從而限制傳輸速率，如圖3所示。然而，PMD比波長色散小得多，對(duì)低速率光傳輸?shù)挠绊懣珊雎圆挥?jì)，甚至沒有列入早先的光纖性能指標(biāo)之中。但是隨著系統(tǒng)傳輸速率的提升，偏振模色散的影響逐漸顯現(xiàn)出來，成為繼衰減、波長色散之后限制傳輸速度和距離的又一個(gè)重要因素。如何減少PMD的影響，是目前國際上研究的熱點(diǎn)之一。PMD是一個(gè)隨機(jī)變量，其瞬時(shí)值隨波長、時(shí)間、溫度、移動(dòng)和安裝條件的變化而變化，導(dǎo)致光脈沖展寬量不確定，其影響相當(dāng)于隨機(jī)的色散。它與波長色散發(fā)生的機(jī)制雖然不同，但是對(duì)系統(tǒng)性能具有同樣的影響，因此也有人將偏振模色散稱作單模光纖中的“多模色散”。
偏振模色散對(duì)于光傳輸距離的影響
不同時(shí)期敷設(shè)的光纖，PMD值差別很大。10年前應(yīng)用的光纜受當(dāng)時(shí)光纖工藝水平所限，PMD通常大于2ps/km1/2，有的高達(dá)6～7 ps/km1/2；后來布設(shè)的光纜，PMD不大于0.5ps/km1/2，不會(huì)對(duì)10Gbit/s速率系統(tǒng)造成限制；近年來敷設(shè)的光纜，多為0.2ps/km1/2甚至更小。最優(yōu)秀的光纖，PMD已經(jīng)控制到0.001ps/km1/2的水平。
當(dāng)兩個(gè)正交的偏振模之間的時(shí)延差dt達(dá)到系統(tǒng)速率一個(gè)脈沖時(shí)隙的三分之一時(shí)，將會(huì)付出1dB的信號(hào)功率代價(jià)。由于PMD的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性，PMD的瞬時(shí)值有可能達(dá)到平均值的3倍。為了保證信號(hào)功率代價(jià)低于1dB，PMD的平均值必須小于系統(tǒng)速率一個(gè)脈沖時(shí)隙的十分之一。
因?yàn)?PMD＝dt/L1/2 ps/km1/2 （公式1）
現(xiàn)在要求dt＝1/(10B)，設(shè)速率為B的系統(tǒng)受PMD限制的最大傳輸距離為L km,則
L＝（dt/PMD）2＝〔1/(10*B*PMD)〕2 km （公式2）
早期布設(shè)光纖中，有一部分對(duì)STM－16信道速率的系統(tǒng)也產(chǎn)生限制。當(dāng)PMD＝0.5ps/km1/2時(shí),STM-64系統(tǒng)受PMD限制的傳輸距離(1dB代價(jià))大約為400km，對(duì)于40Gbit/s系統(tǒng)，卻只有25km。如果容許兩個(gè)正交偏振模之間的時(shí)延差達(dá)到一個(gè)脈沖時(shí)隙的三分之一，40Gbit/s傳輸?shù)腜MD容限約8.3ps；若要保證在任何情況下系統(tǒng)功率代價(jià)都不超過1dB，即限定兩個(gè)偏振模的傳輸時(shí)延差不超過一個(gè)脈沖時(shí)隙的十分之一，則PMD容限只有2.5ps。要實(shí)現(xiàn)600km以上的長途傳輸，PMD系數(shù)就要不高于0.1ps/km1/2。
根據(jù)上述分析可知，PMD是重要的限制因素。不同速率系統(tǒng)受PMD限制的傳輸距離可以計(jì)算出來。
